[发明专利]一种掺铒硅纳米材料、其制备方法及硅基光电集成电路

说明书

本发明公开了一种掺铒硅纳米材料，所述掺铒硅纳米材料包含硅元素、铒元素、氧元素，其中，硅元素以纳米硅的形式存在，所述铒元素以Ersupgt;3+/supgt;形态存在于所述纳米硅的晶格内且具有光学活性，所述纳米硅为金刚石结构，所述纳米硅（111）晶面的晶面间距为0.315～0.320 nm；所述掺铒硅纳米材料的掺Ersupgt;3+/supgt;浓度≥10supgt;18/supgt; cmsupgt;‑3/supgt;，并发出中心波长为1540 nm附近波长的光。此外，Ersupgt;3+/supgt;发光的温度淬灭指数≤30%。该掺铒硅纳米材料通过非热等离子体法（non‑thermal plasma）制备。本发明制得的掺铒硅纳米材料同时实现了低温度淬灭指数和高发光强度，对于实现硅基光电集成中的硅基光源具有重大意义。

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种掺铒硅纳米材料、其制备方法及包含所述掺铒硅纳米材料的硅基光电集成电路。

背景技术

在后摩尔时代，集成电路面临着电互连导致的延时和功耗方面的限制。硅基光电集成被认为是一个很有潜力的实现信息高速传输、解决电互连瓶颈的方向，但是，目前仍然缺少高效的硅基光源，阻碍了硅基光电集的发展与应用。所述的硅基光源是指含硅元素的光源。由于硅基光源的光学信号是通过石英光纤进行传导的，而石英光纤的最小光损窗口位于1450～1600nm(Kenyon A J.Recent Developments in Rare-Earth Doped Materialsfor Optoelectronics[J].Progress in Quantum Electronics,2002,26(4–5):225–284.)，因此，硅基光源的发光波长也应该位于1450～1600nm，以避免光学信号在石英光纤中传导时因被损耗而造成信号失真。由于Er³⁺第一激发态到基态辐射波长1.5μm，正好对应于石英光纤最低损耗窗口(沈浩.长发光寿命铒硅酸盐的制备及其光学性质[D].浙江大学,2020.参见该论文的第7页)。因此，利用在硅材料中掺入Er³⁺来实现高效的硅基光源具有重要的意义，在硅材料中掺入Er³⁺的材料称为掺铒硅材料(Er-doped Si)。当Er³⁺掺入硅材料后，晶体场的作用会让Er³⁺的能级发生分裂，进而使Er³⁺的发光波长分布在1400～1700nm，但Er³⁺的中心波长(center wavelength)在约1540nm附近。本发明所述“附近”是指在中心波长±5nm范围内的波长。可在工业上应用于硅基光源的掺铒硅材料必须具备的条件是：在室温下能够发出足够强的中心波长在1540nm附近波长的光。

掺铒硅材料中的硅可以是体硅和纳米硅两种形式，其分别对应为掺铒体硅材料和掺铒硅纳米材料。所述的纳米硅是指尺寸小于100nm的硅材料，针对不同的尺寸大小和形貌结构，纳米硅可以是纳米硅颗粒(nanosiliconparticle)，硅量子点(silicon quantumdots，简称Si QDs))，纳米硅簇(nanosiliconcluster)，纳米硅晶体(nanosiliconcrystalline)等各种表现形式。除纳米硅之外的硅材料统称为体硅(bulk silicon)，常见的体硅包括但不限于单晶硅(single crystal silicon)，晶体硅(crystalline silicon)。

掺铒硅材料存在温度淬灭现象，所述温度淬灭现象(temperaturequenchingeffect)是指Er³⁺的发光强度(photoluminescence intensity，简称PLintensity)从低温(77K)到室温(297K)逐渐降低的现象。本发明所述发光强度是指Er³⁺的光致荧光光谱在1400～1610nm波长范围内的一重积分数值。所述低温为实验室的液氮低温，因此为77K。本发明用温度淬灭指数Q来表征温度淬灭的程度，公式如下：