[发明专利]稀土掺杂的半导体薄膜

说明书

本申请是申请号为93117079.6、发明名称为“化学汽相沉积过饱和稀土掺杂的半导体层”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及利用气相的硅烷或锗烷和稀土元素化合物在衬底上生成的稀土元素掺杂的外延半导体薄膜及光电子器件。

近几年来，研究工作集中在实现硅光电子集成电路(OE-ICs)。可应用的领域将是芯片之间的互连、并行处理以及硅芯片上的集成光电子器件。而前面二项应用基本上需要在77K之上工作的光源和硅片上的探测器，但后一项应用要求光源在一定波长下工作，即约1.5μm，该波长处于光纤的吸收最小值处。

1983年Ennen等人〔Appl.phys，lett.，943(1993)〕曾指出半导体材料中稀土元素离子的位能适于发展光发射二极管和激光器。制作这些器件的最佳选择物之一是掺铒的硅。铒的1.54μm的发光在硅的带隙之下，因此在硅中可以构成光波导。这个性质令人振奋地提供了用硅制备光学器件和在用硅制备的电路中集成电学与光学器件的可能性。通过克服硅间接跃迁的局限性，可将硅的成熟制造技术扩展到光通信领域。光通信中这个波长也变得极为重要，因为该波长相应于在光纤中传输最大，它也是IR-泵浦掺铒硅光放大器的输出波长。

铒的1.54μm发光是内部4f跃迁的结果。而5s和5p壳层屏蔽了来自第1级主晶核作用的Er³⁺的4f轨道，因此，发光与主材料完全独立无关。该光跃迁出现在Er³⁺(4f”)的自旋轨道能级⁴I_13/2→⁴I_15/2之间。因主晶核晶场的影响弱，在硅中作为一种杂质的铒可望在室温下出现荧光。

过去十年，已研究过了掺Er的硅的光致和电致发光、电特性和结构性质。然而，在本发明之前，所有的掺Er硅都必须用硅块离子注入或MBE生长硅的低能离子注入来制作。注入后，样品要退火，既除去离子损伤又“激活”注入的铒。(对于可能形成Er杂质复合物来说，激活起起到这些材料中的光学中心的作用)。在900℃退火温度下，得到的结果最好。可惜的是，900℃时，铒在硅中极限溶解度约为1.3×10¹⁸原子/cm³，而且退火结果形成ErSi₂片晶，ErSi₂在浓度超过1.3×10¹⁸时从硅相中析出。

因硅外延层内稀土元素的浓度愈高便可提供效率和功率愈大的器件，所以，需要有一种方法，能在900℃下生产高于目前极限溶解度的掺入水平。

我们发现，通过避免高温退火而利用化学汽相淀积的非平衡性，可以制出超过掺杂剂平衡浓度的亚稳态的高掺杂材料。因而，采用超高真空化学汽相淀积(UHVCVD)法来淀积铒掺杂硅，掺铒浓度约为2×10¹⁹原子/cm³，比硅中铒的平衡固溶度高一个数量级。

本发明的目的是提供一种掺稀土元素的光学有源外延薄膜及具有该薄膜的光电子器件，该薄膜包括一种半导体材料和一种稀土元素，其浓度高于它在所述半导体层中为单相时的平衡固溶度。

本发明的技术方案具体如下：

一种光学有源外延薄膜，包括由硅、锗或硅-锗构成的半导体，所述薄膜含有从约8×10¹⁸至约8×10¹⁹原子/厘米³的稀土元素，且基本上无稀土硅化物和锗化物析出。

一种光电子器件，包括一衬底和附着其上的外延半导体薄膜，所述半导体膜包括一半导体和基本为单相的铒元件，其中铒元素的浓度高于其在所述半导体层中为单相时的平衡浓度，所述半导体为硅或硅和锗的混合物，所述薄膜含有从约8×10¹⁸至约8×10¹⁹原子/厘米³的铒元素，且基本上无铒的硅化物和铒的锗化物析出物和电学退化缺陷。

下面结合附图详细说明本发明。

    图1是用于实施本发明的超高真空CVD装置的示意图。

    图2是本发明器件的光致发光输出的IR光谱。

    图1描绘了用于制造本发明薄膜的7.6cm直径的超高真空化

学汽相淀积(UHVCVD)反应器。该反应器在设计上不同于Meyer-