專利名稱：一種硅基發(fā)光二極管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信技術(shù)中發(fā)光光源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種硅基發(fā)光二極管的制備方 法。
背景技術(shù)：
目前，將光子技術(shù)和微電子技術(shù)集合起來，以實(shí)現(xiàn)硅基光電集成為目標(biāo)的硅基光 電子學(xué)成為世界光電子學(xué)領(lǐng)域十分熱門的前沿科學(xué)。硅基光電子學(xué)中的元器件包括光源、 光波導(dǎo)、光開關(guān)、光放大器、光調(diào)制器和光探測(cè)器等。其中，硅基光源是硅基光電子學(xué)元器件 中的重中之重。由于硅是非直接帶隙的半導(dǎo)體，發(fā)光效率不高，特別是電致發(fā)光一直是困擾 人們多年的難題。利用摻鉺(Er)離子實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光是眾多硅基發(fā)光方案中最有應(yīng)用前景 的途徑之一。目前有兩個(gè)方向正在開展，一個(gè)是摻Er富硅氧化硅，另一個(gè)是用Er的硅酸鹽 化合物。其中摻Er富硅氧化硅的原理是充分利用富硅氧化硅中納米硅和Er之間強(qiáng)的能 量轉(zhuǎn)換效率，納米硅可以充分吸收電源給予的能量，實(shí)現(xiàn)載流子躍遷，然后把能量傳遞給Er 離子，實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光。Er的硅酸鹽化合物的原理是結(jié)構(gòu)中Er離子是化合物的陽離子，而不 再是作為雜質(zhì)摻雜進(jìn)去的，與以前摻雜方法相比，成功將Er離子濃度提高了 2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá) 到2X 1022ions/cm3，而且由于Er離子是固溶在化合物中的，減少了 Er離子之間的團(tuán)聚現(xiàn) 象，獲得了較強(qiáng)室溫光致發(fā)光。但這種材料因?yàn)槭墙^緣體，無法獲得電致發(fā)光。因此設(shè)計(jì)采 用鉺硅酸鹽無機(jī)化合物和富硅氧化硅的復(fù)合材料，充分利用鉺硅酸鹽無機(jī)化合物中高鉺離 子濃度，以及富硅氧化硅中納米硅和鉺離子之間的高效能量傳遞效率，獲得強(qiáng)的通信波段 1. 53 μ m的電致發(fā)光，其可以作為硅基光電集成中的電致光源，對(duì)于發(fā)展下一代光通信集成 系統(tǒng)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何給硅基發(fā)光二極管提供一種合適的本征區(qū)材料， 在保證高的鉺離子濃度的情況下實(shí)現(xiàn)電致激發(fā)，進(jìn)而制備出強(qiáng)的通信波段1. 53 μ m的硅基 發(fā)光二極管。( 二 )技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種硅基發(fā)光二極管的制備方法，其包括以 下步驟Sl 制備鉺硅氧溶膠；S2 在ρ型摻雜的硅基體上涂敷所述鉺硅氧溶膠，制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富 硅氧化硅混合物薄膜作為本征層；S3 在所述本征層上沉積一層磷摻雜的硅材料制作η型電極，形成硅基發(fā)光二極管。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，所述步驟Sl具體包括
稀土鉺鹽放入醇溶劑中，在60-70°C的溫度下攪拌l-3h，之后將得到的溶液自然 冷卻到室溫；加入正硅酸乙酯繼續(xù)攪拌l_3h ；之后再加入HNO3或HCl溶液，調(diào)整pH值為2_4 ；最后在60_70°C的溫度下繼續(xù)攪拌4-10h，直至有透明鉺硅氧溶膠形成。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，所述步驟S2具體包括采用旋轉(zhuǎn)涂敷法在ρ型摻雜的硅基體上涂敷所述鉺硅氧溶膠，在100-140°C的空 氣中干燥處理之后，在500-600°C的Ar氣中預(yù)退火獲得鉺硅氧非晶薄膜；然后快速升溫到1200°C進(jìn)行高溫退火獲得結(jié)晶的鉺硅酸鹽化合物；隨后在1200°C不保溫快速降溫到800°C，或900°C，或1000°C，或1100°C，并進(jìn)行保 溫處理形成富硅氧化硅；最后自然冷卻到室溫形成鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜，作為本 征層。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，所述步驟S3具體包括采用磁控濺射方法在所述本征層上沉積一層非晶硅；然后以離子態(tài)注入磷，高溫退火，形成η型電極；最后在所述ρ型摻雜的硅基體和所述η型電極上鍍上金屬電極，形成硅基發(fā)光二極管。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，還包括S4:對(duì)硅基發(fā)光二極管進(jìn)行電致發(fā)光性能檢測(cè)，其中，所用電壓采用直流電源，發(fā) 光譜采用單色儀進(jìn)行檢測(cè)。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，所述步驟Sl中，所述鉺鹽采用硝酸鹽、氯酸 鹽和醋酸鹽中的一種；所述醇溶劑采用乙醇和異丙醇中的一種；所述鉺與醇的摩爾比為 1/60-1/5 ；所述鉺與正硅酸乙酯的摩爾比范圍為1 5 1 1。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，所述步驟S2中，所述ρ型摻雜的硅基體為摻 雜硼的硅基體，其厚度為0. 5mm，硼的注入劑量為1013-1015ions/cm2。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，所述步驟S2中，快速升溫到1200°C時(shí)，快速 升溫速率為10°c /S-IOO0C /s ；在1200°C不保溫快速降溫后的保溫時(shí)間為10-60分鐘。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，所述步驟S2中，鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅 氧化硅混合物薄膜的厚度為20-80nm。上述硅基發(fā)光二極管的制備方法中，所述步驟S3中，所述非晶硅厚度為 50-200nm ；所述磷的注入劑量為1013-1015ions/cm2 ；所述高溫退火溫度為650_850°C。(三)有益效果上述技術(shù)方案通過制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜作為硅基 發(fā)光二極管的本征層，將鉺硅酸鹽無機(jī)化合物中鉺離子濃度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，富硅氧化 硅中納米硅和鉺離子之間的高效能量傳遞效率可以實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光，從而獲得強(qiáng)的通信波段 1. 53 μ m的電致發(fā)光。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的硅基發(fā)光二極管的制備方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物和富硅氧化硅混合物薄膜的退 火過程示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的硅基發(fā)光二極管得到的近紅外(1. 53 μ m)電致發(fā)光譜的示 意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明提供的硅基發(fā)光二極管的制備方法中，硅基發(fā)光二極管由p-i-n結(jié)構(gòu)構(gòu) 成，其中P型電極是摻雜硼的硅基體，η型電極是摻雜磷的硅材料，中間的本征層由鉺硅酸 鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅構(gòu)成。如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的硅基發(fā)光二級(jí)管的制備方法的流程圖，其包括以 下步驟Sl 制備鉺硅氧溶膠。具體地，稀土鉺鹽放入醇溶劑中，在60-70°C的溫度下攪拌l_3h，之后將得到的溶 液自然冷卻到室溫；加入一定化學(xué)劑量配比的正硅酸乙酯繼續(xù)攪拌l_3h ；之后再加入HNO3 或HCl溶液，調(diào)整pH值為2-4 ；最后在60-70°C的溫度下繼續(xù)攪拌4_10h，直至有透明鉺硅 氧溶膠形成。其中，鉺鹽采用硝酸鹽、氯酸鹽和醋酸鹽中的一種；醇溶劑采用乙醇和異丙醇中的 一種；鉺與醇的摩爾比為1/60-1/5 ；鉺與正硅酸乙酯的摩爾比范圍為1 5 1 1。S2 在ρ型摻雜的硅基體上涂敷鉺硅氧溶膠，制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧 化硅混合物薄膜作為本征層。具體地，采用旋轉(zhuǎn)涂敷法在ρ型摻雜的硅基體上涂敷鉺硅氧溶膠，在100-140°C 的空氣中干燥處理之后，在500-600°C的Ar氣中預(yù)退火獲得鉺硅氧非晶薄膜；然后快速升 溫到1200°C進(jìn)行高溫退火獲得結(jié)晶的鉺硅酸鹽化合物；隨后在1200°C不保溫快速降溫到 800°C，或900°C，或1000°C，或1100°C，并保溫一定時(shí)間形成富硅氧化硅；最后自然冷卻到 室溫形成鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜，作為本征層。其中，ρ型摻雜的硅基體為摻雜硼的硅基體，其厚度為0.5mm，硼的注入劑量為 1013-1015ions/cm2 ；快速升溫到 1200°C時(shí)，快速升溫速率為 10°C /s-100°C /s ；在 1200°C不 保溫快速降溫后的保溫時(shí)間為10-60分鐘；鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜 的厚度為20-80nm。S3 在本征層上沉積一層磷摻雜的硅材料制作η型電極，形成硅基發(fā)光二極管。具體地，采用磁控濺射方法在本征層上沉積一定厚度的非晶硅；然后以離子態(tài)注 入磷，高溫退火，形成η型電極；最后在P型摻雜的硅基體和η型電極上鍍上金屬電極，形成
硅基發(fā)光二極管。其中，非晶硅厚度為50-200nm ；磷的注入劑量為1013-1015iOnS/cm2 ；高溫退火溫度 為 650-850 0C ο
S4:對(duì)硅基發(fā)光二極管進(jìn)行電致發(fā)光性能檢測(cè)，其中，所用電壓采用直流電源，發(fā) 光譜采用單色儀進(jìn)行檢測(cè)。如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例的制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物和富硅氧化硅混合物薄 膜的退火過程示意圖。圖中橫坐標(biāo)為退火時(shí)間，單位取分鐘，縱坐標(biāo)為退火溫度，單位取攝 氏度(°c )，其中曲線1_4分別為在8001，9001，10001，11001的不同實(shí)施例的溫度下的 保溫的曲線，曲線縱坐標(biāo)峰值前端區(qū)域?yàn)殂s硅酸鹽無機(jī)化合物材料生長(zhǎng)區(qū)，溫度后段保溫 時(shí)間為富硅氧化硅生成區(qū)。如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例的硅基發(fā)光二極管得到的近紅外(1.53μπι)電致發(fā) 光譜的示意圖。圖中橫坐標(biāo)為光致發(fā)光的波長(zhǎng)，單位取nm，縱坐標(biāo)為光致發(fā)光強(qiáng)度，單位取 任意單位(a. u.)，其中曲線1為采用鉺硅酸鹽無機(jī)化合物為本征區(qū)材料的二極管結(jié)構(gòu)樣 品，曲線2為采用本發(fā)明的鉺硅酸鹽無機(jī)化合物和富硅氧化硅的復(fù)合材料為本征區(qū)二極管 結(jié)構(gòu)樣品，兩條曲線均是在相同60nm薄膜總厚度下作出來的，由圖可見，曲線1沒有觀察到 電致發(fā)光譜，而曲線2采用本發(fā)明的鉺硅酸鹽無機(jī)化合物和富硅氧化硅的復(fù)合材料為本征 區(qū)的二極管結(jié)構(gòu)樣品觀察到了 1. 53 μ m電致發(fā)光譜。實(shí)施例1某光通訊器件生產(chǎn)單位要求獲得通信波長(zhǎng)為1. 53μπι的發(fā)光二極管，采用本發(fā)明 新型硅基發(fā)光二極管的制備方法，其步驟如下Sl 制備鉺硅氧溶膠。稀土鉺鹽放入醇溶劑中，在70°C的溫度下攪拌lh，其中鉺鹽和醇的摩爾比為 1 20，之后將得到的溶液自然冷卻到室溫；加入一定化學(xué)劑量配比的正硅酸乙酯，繼續(xù)攪 拌lh，其中，滿足鉺鹽和正硅酸乙酯的摩爾比為1 1 ；接下來加入HNO3或HCl溶液，調(diào)整 PH值為3，最后在70°C的溫度下繼續(xù)攪拌6h，直到形成透明鉺硅氧溶膠。S2 在ρ型摻雜的硅基體上涂敷鉺硅氧溶膠，制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧 化硅混合物薄膜作為本征層。采用旋轉(zhuǎn)涂敷法把所制備的鉺硅氧溶膠涂敷在Si基體上，分別在140°C的空氣 中干燥，在600°C的Ar氣中預(yù)退火獲得鉺硅氧非晶薄膜；隨后以100°C /s的升溫速率快 速升溫到1200°C高溫退火獲得結(jié)晶的鉺硅酸鹽化合物；然后在1200°C不保溫快速降溫到 1000°C，在1000°C下保溫30分鐘形成富硅氧化硅，最后自然冷卻到室溫形成鉺硅酸鹽無機(jī) 化合物與富硅氧化硅混合物薄膜，薄膜厚度為50nm。S3 在所述本征層上沉積一層磷摻雜的硅材料制作η型電極，形成硅基發(fā)光二極管。采用磁控濺射方法在所述本征層上沉積IOOnm的非晶硅，然后以離子態(tài)注入磷， 磷的注入劑量為1014ions/cm2，退火溫度為800°C，形成η型電極；在ρ型摻雜的硅基體和η 型電極上鍍上金屬Al電極，形成硅基發(fā)光二極管。S4 對(duì)上述發(fā)光二極管進(jìn)行電致發(fā)光性能檢測(cè)，電源采用直流電源，發(fā)光譜采用單 色儀進(jìn)行觀測(cè)。實(shí)施例2某光通訊器件生產(chǎn)單位要求獲得通信波長(zhǎng)1. 53μπι的發(fā)光二極管，采用本發(fā)明的 方法，其步驟如下Sl 制備鉺硅氧溶膠。
稀土鉺鹽放入醇溶劑中，在70°C的溫度下攪拌lh，其中，鉺鹽和醇的摩爾比為 1 20，之后將得到的溶液自然冷卻到室溫；加入一定化學(xué)劑量配比的正硅酸乙酯繼續(xù)攪 拌lh，其中，鉺鹽與正硅酸乙酯的摩爾比為1 2 ；接下來加入一定比例的而03或此1溶液， 調(diào)整PH值為3 ；最后在70°C的溫度下繼續(xù)攪拌4h，直到形成透明鉺硅氧溶膠。S2 在ρ型摻雜的硅基體上涂敷鉺硅氧溶膠，制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧 化硅混合物薄膜作為本征層。采用旋轉(zhuǎn)涂敷法把鉺硅氧溶膠涂敷在Si基體上，在140°C的空氣中干燥，在600°C 的Ar氣中預(yù)退火獲得鉺硅氧非晶薄膜；隨后以50°C /s的升溫速率快速升溫到1200°C高溫 退火獲得結(jié)晶的鉺硅酸鹽化合物；然后在1200°C不保溫快速降溫到900°C，在900°C保溫60 分鐘形成富硅氧化硅；最后自然冷卻到室溫形成鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物 薄膜，薄膜厚度30nm。S3 在所述本征層上沉積一層磷摻雜的硅材料制作η型電極，形成硅基發(fā)光二極管。采用磁控濺射方法在所述本征層上沉積SOnm的非晶硅；然后以離子態(tài)注入磷，磷 的注入劑量為1015ions/cm2，退火溫度為850°C，形成η型電極；在ρ型摻雜的硅基體和η型 電極上鍍上金屬Al電極，形成硅基發(fā)光二極管。S4 對(duì)上述發(fā)光二極管進(jìn)行電致發(fā)光性能檢測(cè)，電源采用直流電源，發(fā)光譜采用單 色儀進(jìn)行觀測(cè)。由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明實(shí)施例通過制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化 硅混合物薄膜作為硅基發(fā)光二極管的本征層，將鉺硅酸鹽無機(jī)化合物中鉺離子濃度提高 1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，富硅氧化硅中納米硅和鉺離子之間的高效能量傳遞效率可以實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光， 從而獲得強(qiáng)的通信波段1. 53 μ m的電致發(fā)光。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟S1制備鉺硅氧溶膠；S2在p型摻雜的硅基體上涂敷所述鉺硅氧溶膠，制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜作為本征層；S3在所述本征層上沉積一層磷摻雜的硅材料制作n型電極，形成硅基發(fā)光二極管。
2.如權(quán)利要求1所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟Sl具體包括稀土鉺鹽放入醇溶劑中，在60-70°C的溫度下攪拌l_3h，之后將得到的溶液自然冷卻 到室溫；加入正硅酸乙酯繼續(xù)攪拌l_3h ；之后再加入HNO3或HCl溶液，調(diào)整pH值為2-4 ；最后在60-70°C的溫度下繼續(xù)攪拌4-10h，直至有透明鉺硅氧溶膠形成。
3.如權(quán)利要求1所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括采用旋轉(zhuǎn)涂敷法在P型摻雜的硅基體上涂敷所述鉺硅氧溶膠，在100-140°c的空氣中 干燥處理之后，在500-600°C的Ar氣中預(yù)退火獲得鉺硅氧非晶薄膜； 然后快速升溫到1200°C進(jìn)行高溫退火獲得結(jié)晶的鉺硅酸鹽化合物； 隨后在1200°C不保溫快速降溫到800°C，或900°C，或1000°C，或1100°C，并進(jìn)行保溫處理形成富硅氧化硅；最后自然冷卻到室溫形成鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜，作為本征層。
4.如權(quán)利要求1所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括采用磁控濺射方法在所述本征層上沉積一層非晶硅； 然后以離子態(tài)注入磷，高溫退火，形成η型電極；最后在所述P型摻雜的硅基體和所述η型電極上鍍上金屬電極，形成硅基發(fā)光二極管。
5.如權(quán)利要求1所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，還包括54對(duì)硅基發(fā)光二極管進(jìn)行電致發(fā)光性能檢測(cè)，其中，所用電壓采用直流電源，發(fā)光譜 采用單色儀進(jìn)行檢測(cè)。
6.如權(quán)利要求2所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟Sl中，所述 鉺鹽采用硝酸鹽、氯酸鹽和醋酸鹽中的一種；所述醇溶劑采用乙醇和異丙醇中的一種；所 述鉺與醇的摩爾比為1/60-1/5 ；所述鉺與正硅酸乙酯的摩爾比范圍為1 5 1 1。
7.如權(quán)利要求3所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中，所述 P型摻雜的硅基體為摻雜硼的硅基體，其厚度為0. 5mm，硼的注入劑量為1013-1015ions/cm2。
8.如權(quán)利要求3所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中，快速 升溫到1200°C時(shí)，快速升溫速率為10°C /s-100oC /s ；在1200°C不保溫快速降溫后的保溫 時(shí)間為10-60分鐘。
9.如權(quán)利要求3所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中，鉺硅 酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜的厚度為20-80nm。
10.如權(quán)利要求3所述的硅基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟S3中，所 述非晶硅厚度為50-200nm ；所述磷的注入劑量為1013-1015ions/cm2 ；所述高溫退火溫度為 650-850 "C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基發(fā)光二極管的制備方法，其包括以下步驟S1制備鉺硅氧溶膠；S2在p型摻雜的硅基體上涂敷所述鉺硅氧溶膠，制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜作為本征層；S3在p型摻雜的硅基體上沉積一層磷摻雜的硅材料制作n型電極，形成硅基發(fā)光二極管。本發(fā)明通過制備鉺硅酸鹽無機(jī)化合物與富硅氧化硅混合物薄膜作為硅基發(fā)光二極管的本征層，將鉺硅酸鹽無機(jī)化合物中鉺離子濃度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，富硅氧化硅中納米硅和鉺離子之間的高效能量傳遞效率可以實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管獲得強(qiáng)的通信波段1.53μm的電致發(fā)光。
文檔編號(hào)H01L33/02GK101950786SQ20101028101
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者周治平, 王興軍, 王冰, 王磊, 郭瑞民 申請(qǐng)人:北京大學(xué)