專利名稱：光致發(fā)光薄膜及其輻照改性的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電集成領(lǐng)域中的發(fā)光材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在硅材料上發(fā)展起來(lái)的集成電路已成為發(fā)展電子計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制等信息技術(shù)的關(guān)鍵。隨著信息技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)信息的傳遞速度、儲(chǔ)存能力、處理功能提出更高要求。但硅集成電路受到器件尺寸和硅中電子運(yùn)動(dòng)速度的限制。如果能在硅芯片中引入光電子技術(shù)，用光波代替電子作為信息載體，則可大大地提高信息傳輸速度和處理能力，使電子計(jì)算機(jī)、通信和顯示等信息技術(shù)發(fā)展到一個(gè)全新的階段。硅是間接帶隙的半導(dǎo)體，電子不能直接由導(dǎo)帶底躍遷到價(jià)帶頂發(fā)出光子。為了滿足動(dòng)量守恒原理，它只能通過(guò)發(fā)射或吸收一個(gè)聲子，間接躍遷到價(jià)帶頂，這種間接躍遷的幾率非常小，所以硅的發(fā)光效率很低。在硅集成電路中SiO2薄膜作為介質(zhì)膜和掩蔽膜已得到廣泛應(yīng)用，因此SiO2薄膜有可能成為一種有效的發(fā)光材料。目前制備的發(fā)光SiO2薄膜光致發(fā)光范圍約為410-775nm(3.0-1.6eV)，它不具有全色顯示的條件；并且以目前有些技術(shù)制備的SiO2薄膜發(fā)光不穩(wěn)定，室溫下發(fā)生淬滅現(xiàn)象，并且存在發(fā)光強(qiáng)度不高的問(wèn)題，在實(shí)際工作中很難有效的應(yīng)用。
離子注入是現(xiàn)階段制備SiO2薄膜發(fā)光材料的主要方法，目前的制備工藝為在硅表面上直接熱氧化生成SiO2薄膜，進(jìn)而采用離子注入在SiO2薄膜中引入Ge+、C+等離子，以產(chǎn)生光致發(fā)光，它存在的問(wèn)題是，這些離子的不恰當(dāng)引入極容易改變硅基體和SiO2薄膜性質(zhì)，從而影響集成電路的性能。采用分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)等其它工藝制備的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)同時(shí)存在所需時(shí)間和周期較長(zhǎng)的弊端。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對(duì)目前有些的SiO2薄膜存在發(fā)光不穩(wěn)定、室溫下發(fā)生淬滅現(xiàn)象、發(fā)光強(qiáng)度不高、硅基體和SiO2薄膜性質(zhì)容易改變、不具有全色顯示條件的問(wèn)題，從而提供一種性能優(yōu)良的光致發(fā)光薄膜；針對(duì)現(xiàn)有的離子注入方法制備的SiO2薄膜發(fā)光材料容易改變硅基體性質(zhì)而影響集成電路性能的弊端，從而提供一種制備工藝簡(jiǎn)單、所用時(shí)間較短并且可以得到性能優(yōu)良的光致發(fā)光薄膜的輻照改性的制備方法。一種光致發(fā)光薄膜，它包括硅基片、SiO2薄膜，在硅基片表面鍍制鋁膜，在鋁膜表面鍍制SiO2薄膜，所述鋁膜厚度為150～600nm，SiO2膜層厚度為100～250nm，通過(guò)質(zhì)子輻射方法誘導(dǎo)改變SiO2薄膜結(jié)構(gòu)以獲得光致發(fā)光首先采用通用的SRIM程序計(jì)算質(zhì)子射程分布，選擇質(zhì)子輻照能量，使入射質(zhì)子主要分布于鋁膜層中；質(zhì)子輻照劑量為5×1014～5×1017cm-2，輻照劑量率為1×1012～1×1013cm-2·s-1，輻照過(guò)程在低溫77-150K下進(jìn)行。一種光致發(fā)光薄膜輻照改性的制備方法，它的制備過(guò)程依次為(1)在硅基片表面間接制備SiO2薄膜首先在硅基片表面鍍制鋁膜，然后在鋁膜上再鍍制一層SiO2薄膜，硅基片上鍍制的鋁膜厚度為150～600nm，SiO2膜層厚度為100～250nm，鍍制薄膜時(shí)真空度為1×10-3～1×10-6Pa，硅基片溫度范圍為70～120℃，膜層沉積速率為15～25/s；(2)采用質(zhì)子輻射誘導(dǎo)改變SiO2薄膜結(jié)構(gòu)以獲得光致發(fā)光首先采用通用的SRIM程序計(jì)算質(zhì)子射程分布，選擇質(zhì)子輻照能量，使入射質(zhì)子主要分布于鋁膜層中；質(zhì)子輻照劑量為5×1014～5×1017cm-2，輻照劑量率為1×1012～1×1013cm-2·s-1，輻照過(guò)程在低溫77-150K下進(jìn)行?，F(xiàn)在通過(guò)離子注入方法在SiO2薄膜中引入Ge+、C+等離子以產(chǎn)生光致發(fā)光，由于這些離子的不恰當(dāng)引入極容易改變硅基體性質(zhì)，從而影響集成電路的性能，本發(fā)明克服了上述缺陷，不再向SiO2薄膜中引入Ge+、C+等離子，而是采用了金屬鋁膜作為硅基片和SiO2薄膜的過(guò)渡層，由于鋁材料具有良好的塑性變形性能，且對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)能量1MeV以下的質(zhì)子輻照，主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)，一般不會(huì)帶來(lái)金屬材料結(jié)構(gòu)的變化，因此選擇鋁材料作為過(guò)渡層可以起到阻隔質(zhì)子注入對(duì)硅基片性能影響的作用，所以本發(fā)明選用金屬鋁膜可以產(chǎn)生對(duì)硅基體性質(zhì)的保護(hù)作用，從而使得集成電路的性能保持穩(wěn)定。本發(fā)明在硅表面上間接制備SiO2薄膜，并采用能量適當(dāng)?shù)馁|(zhì)子輻射SiO2薄膜，最終實(shí)現(xiàn)了SiO2薄膜的光致發(fā)光，采用這種制備方法制備光致發(fā)光薄膜，所需時(shí)間較短，制備工藝相對(duì)于現(xiàn)有的制備方法簡(jiǎn)單、容易操作，并且所得的SiO2薄膜光致發(fā)光在室溫下十分穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)淬滅現(xiàn)象，而且發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)較高，經(jīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，用本發(fā)明的制備方法制備的SiO2薄膜可獲得波長(zhǎng)約為375nm(3.3eV)的光致發(fā)光，從而為全色顯示提供了必要條件。


圖1是具體實(shí)施方式
三中質(zhì)子射程分布曲線圖，圖2是具體實(shí)施方式
三中質(zhì)子輻照前后及不同輻照劑量時(shí)的光致發(fā)光譜圖，圖3是采用原子力顯微鏡對(duì)1×1017cm-2輻照后原子島形貌觀察照片。圖4是具體實(shí)施方式
四中質(zhì)子射程分布曲線圖，圖5是具體實(shí)施方式
四中質(zhì)子輻照前后的光致發(fā)光譜圖，圖6是采用原子力顯微鏡對(duì)輻照后原子島形貌觀察照片。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的光致發(fā)光薄膜，它包括硅基片、SiO2薄膜，通過(guò)鍍制方法在硅基片表面鍍制鋁膜，在鋁膜表面鍍制SiO2薄膜，所述鋁膜厚度為150～600nm，SiO2膜層厚度為100～250nm，通過(guò)質(zhì)子輻射方法誘導(dǎo)改變SiO2薄膜結(jié)構(gòu)以獲得光致發(fā)光首先采用通用的SRIM程序計(jì)算質(zhì)子射程分布，選擇質(zhì)子輻照能量，使入射質(zhì)子主要分布于鋁膜層中；質(zhì)子輻照劑量為5×1014～5×1017cm-2，輻照劑量率為1×1012～1×1013cm-2·s-1，輻照過(guò)程在低溫77-150K下進(jìn)行。
光致發(fā)光薄膜輻照改性的制備方法，它的制備過(guò)程依次為(1)在硅基片表面間接制備SiO2薄膜首先在硅基片表面鍍制鋁膜，然后在鋁膜上再鍍制一層SiO2薄膜，硅基片上鍍制的鋁膜厚度為150～600nm，SiO2膜層厚度為100～250nm，鍍制薄膜時(shí)真空度為1×10-3～1×10-6Pa，硅基片溫度范圍為70～120℃，膜層沉積速率為15～25/s；(2)采用質(zhì)子輻射誘導(dǎo)改變SiO2薄膜結(jié)構(gòu)以獲得光致發(fā)光首先采用通用的SRIM程序計(jì)算質(zhì)子射程分布，選擇質(zhì)子輻照能量，使入射質(zhì)子主要分布于鋁膜層中，增加質(zhì)子輻照時(shí)鋁膜層中能量的沉積；質(zhì)子輻照劑量為5×1014～5×1017cm-2，輻照劑量率為1×1012～1×1013cm-2·s-1，由于硅基片較金屬鋁膜熱膨脹系數(shù)要小，使表面膜層中產(chǎn)生壓應(yīng)力的作用，從而進(jìn)一步誘導(dǎo)SiO2薄膜表面自組織原子島結(jié)構(gòu)的形成。在輻照作用下，SiO2薄膜表層原子具有較強(qiáng)的擴(kuò)散性，隨著輻照的進(jìn)行SiO2薄膜原子島結(jié)構(gòu)的形成。為維持三維島狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，輻照過(guò)程需在低溫77-150K下進(jìn)行，以增強(qiáng)表面系統(tǒng)的Ehrlich-Schwoebel勢(shì)壘效應(yīng)。輻照誘導(dǎo)所形成的SiO2薄膜原子島結(jié)構(gòu)具有量子效應(yīng)，能夠引起SiO2薄膜在波長(zhǎng)約為375nm處的光致發(fā)光。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式中鋁和二氧化硅的純度分別為97～99.999％和98～99.9999％，將鋁的純度進(jìn)行限定，可以更好的使鋁膜對(duì)硅基體性質(zhì)起到保護(hù)作用，從而使得集成電路的性能更好的保持穩(wěn)定。將二氧化硅的純度進(jìn)行限定，可以使得SiO2薄膜光致發(fā)光效果更好，使得SiO2薄膜發(fā)光更穩(wěn)定，發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)更高。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式采用純度為99.9％的鋁材，在真空度為5×10-4Pa條件下采用真空蒸鍍方法在硅基片表面上蒸鍍制厚度約為500nm的鋁膜；然后再采用純度為99.999％的二氧化硅材料，在真空度為6.67×10-4Pa條件下，采用真空蒸鍍方法再蒸鍍一層厚度為100～150nm的SiO2薄膜。鍍制膜層時(shí)基片溫度為80℃，膜層沉積速率為18/s。所得到的樣品為硅基片/鋁膜/二氧化硅三層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)所鍍制的樣品膜層厚度，經(jīng)SRIM程序模擬計(jì)算表明當(dāng)輻照能量為60keV時(shí)，質(zhì)子主要分布于鋁膜中，如圖1所示。質(zhì)子輻照劑量率為1.25×1012cm-2·s-1，分別采用1×1015cm-2、1×1016cm-2、1×1017cm-2三種輻照劑量分別驗(yàn)證光致發(fā)光效果。經(jīng)質(zhì)子輻照后SiO2薄膜光致發(fā)光效應(yīng)分別采用光致發(fā)光譜進(jìn)行表征，如圖2所示，并采用原子力顯微鏡對(duì)1×1017cm-2輻照后原子島形貌觀察，具體圖片如圖3所示。輻照誘導(dǎo)所形成的SiO2薄膜原子島結(jié)構(gòu)具有量子效應(yīng)，室溫中可觀測(cè)到波長(zhǎng)約為375nm(3.3eV)的發(fā)光峰。
具體實(shí)施方式
四采用純度為99.9％的鋁材料，在真空度為5×10-4Pa條件下采用真空蒸鍍方法在硅基片表面上蒸鍍制厚度約為400nm的鋁膜；然后再采用純度為99.999％的二氧化硅材料，在真空度為3×10-4Pa條件下，采用真空蒸鍍方法再蒸鍍一層厚度為180～220nm的SiO2薄膜。鍍制膜層時(shí)基片溫度為100℃，膜層沉積速率為20/s。所得到的樣品為硅基片/鋁膜/二氧化硅三層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)所鍍制的樣品膜層厚度，經(jīng)SRIM程序模擬計(jì)算表明當(dāng)輻照能量為45keV時(shí)，質(zhì)子主要分布于鋁膜中，如圖4所示。質(zhì)子輻照劑量率為6.25×1012cm-2·s-1，采用輻照劑量為2×1016cm-2驗(yàn)證光致發(fā)光效果。經(jīng)質(zhì)子輻照后SiO2薄膜光致發(fā)光效應(yīng)采用光致發(fā)光譜進(jìn)行表征，如圖5所示，并采用原子力顯微鏡對(duì)輻照后原子島形貌觀察，具體圖片如圖6所示。輻照誘導(dǎo)所形成的SiO2薄膜原子島結(jié)構(gòu)具有量子效應(yīng)，室溫中可觀測(cè)到波長(zhǎng)約為375nm(3.3eV)的發(fā)光峰。
權(quán)利要求
1.一種光致發(fā)光薄膜，它包括硅基片、SiO2薄膜，其特征在于在硅基片表面鍍制鋁膜，在鋁膜表面鍍制SiO2薄膜，所述鋁膜厚度為150～600nm，SiO2膜層厚度為100～250nm，通過(guò)質(zhì)子輻射方法誘導(dǎo)改變SiO2薄膜結(jié)構(gòu)以獲得光致發(fā)光首先采用通用的SRIM程序計(jì)算質(zhì)子射程分布，選擇質(zhì)子輻照能量，使入射質(zhì)子主要分布于鋁膜層中；質(zhì)子輻照劑量為5×1014～5×1017cm-2，輻照劑量率為1×1012～1×1013cm-2·s-1，輻照過(guò)程在低溫77-150K下進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致發(fā)光薄膜，其特征在于所述鋁和二氧化硅的純度分別為97～99.999％和98～99.9999％。
3.一種光致發(fā)光薄膜輻照改性的制備方法，其特征在于它的制備過(guò)程依次為(1)在硅基片表面間接制備SiO2薄膜首先在硅基片表面鍍制鋁膜，然后在鋁膜上再鍍制一層SiO2薄膜，硅基片上鍍制的鋁膜厚度為150～600nm，SiO2膜層厚度為100～250nm，鍍制薄膜時(shí)真空度為1×10-3～1×10-6Pa，硅基片溫度范圍為70～120℃，膜層沉積速率為15～25/s；(2)采用質(zhì)子輻射誘導(dǎo)改變SiO2薄膜結(jié)構(gòu)以獲得光致發(fā)光首先采用通用的SRIM程序計(jì)算質(zhì)子射程分布，選擇質(zhì)子輻照能量，使入射質(zhì)子主要分布于鋁膜層中；質(zhì)子輻照劑量為5×1014～5×1017cm-2，輻照劑量率為1×1012～1×1013cm-2·s-1，輻照過(guò)程在低溫77-150K下進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光致發(fā)光薄膜輻照改性的制備方法，其特征在于在“(2)采用質(zhì)子輻射誘導(dǎo)改變SiO2薄膜結(jié)構(gòu)以獲得光致發(fā)光”步驟中，質(zhì)子輻照劑量為1×1017cm-2。
全文摘要
光致發(fā)光薄膜及其輻照改性的制備方法，涉及一種光電集成領(lǐng)域中的發(fā)光材料及其制備方法。目前制備的發(fā)光SiO
文檔編號(hào)C09K11/00GK1696242SQ20051001005
公開(kāi)日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月31日
發(fā)明者何世禹, 魏強(qiáng), 劉海, 楊德莊 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)