專利名稱：一種Si/SiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬發(fā)光半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)為Si/SiO2/Si的雙向發(fā)光材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于將III-V族有源器件與大規(guī)模集成電路集成在一起同時(shí)實(shí)現(xiàn)光功能是非常困難的。因此對(duì)全硅基的發(fā)光材料的研究越來(lái)越得到關(guān)注。已有文獻(xiàn)報(bào)道了多孔硅和含有硅的納米微晶的氧化層可以電致發(fā)光。這些現(xiàn)象普遍被認(rèn)為是量子禁錮的結(jié)果[4，5]。但從另外一些實(shí)驗(yàn)中可以得出結(jié)論即有些發(fā)光中心也能產(chǎn)生電致發(fā)光。這些試驗(yàn)包括各種Au(Ag)/SiO2/Si結(jié)構(gòu)[6-8]。在這些SiO2/Si的系統(tǒng)中，SiO2可以是CVD，熱氧或是本征二氧化硅，而襯底硅可以是P型或N型。目前還沒(méi)有人對(duì)Si/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的作深入研究。這個(gè)結(jié)構(gòu)有兩點(diǎn)引人之處。第一由于SiO2/Si界面處存在能產(chǎn)生發(fā)光復(fù)合的缺陷能級(jí)。因此這個(gè)結(jié)構(gòu)有可能在兩個(gè)SiO2/Si界面處都存在發(fā)光復(fù)合。第二和MOS結(jié)構(gòu)相比，兩邊的硅既是電子源也是空穴源，因此可能會(huì)突破單向發(fā)光的局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有雙向發(fā)光性能的半導(dǎo)體材料及其制備方法。
本發(fā)明提出的具有雙向發(fā)光性能的半導(dǎo)體材料具有Si/SiO2/Si的結(jié)構(gòu)，也即兩邊是硅中間是一層二氧化硅的sandwich結(jié)構(gòu)。形成該結(jié)構(gòu)有多種較為成熟的工藝，我們采用的氧離子注入的方式。最后得到的材料較薄的一層硅的厚度為500埃-2000埃，二氧化硅的厚度為1500埃-4000埃，另一層硅較厚可達(dá)200微米-250微米，以下較薄的硅稱頂層硅，較厚的硅層稱襯底硅。
觀察材料發(fā)光的實(shí)驗(yàn)裝置可見(jiàn)示意圖1。襯底硅用導(dǎo)電膠粘在銅金屬基片上，并用導(dǎo)線引出，頂層硅和銅電極直接接觸。引出線和可改變極型的穩(wěn)壓直流電源相連。探測(cè)裝置用的日本HAMAMASTU的發(fā)光顯微鏡，可以觀察的發(fā)光范圍在300納米-1000納米，系統(tǒng)檢測(cè)到的發(fā)光可以在顯示器上直觀的看到。
該材料有如下的發(fā)光特點(diǎn)(1)只有施加的偏壓達(dá)到一個(gè)閾值時(shí)才出現(xiàn)發(fā)光，在正偏壓和負(fù)偏壓下發(fā)光的閾值不同。
(2)發(fā)光點(diǎn)的數(shù)目和強(qiáng)度隨外加偏壓的增加而增加。
(3)正反向偏壓下發(fā)光點(diǎn)在相同的位置，在相同偏壓下，正向偏壓時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度比反向偏壓時(shí)強(qiáng)。
(4)外加高電壓將材料擊穿后，發(fā)光點(diǎn)全部消失對(duì)于這種材料的發(fā)光我們作如下的解釋。通過(guò)離子注入形成的Si/SiO2/Si材料兩個(gè)界面處高密度的固定氧化物電荷陷阱，這是首先需要關(guān)注。我們假定頂層硅和襯底硅都是N型硅。當(dāng)在頂層硅上加足夠高的正偏壓以后，襯底硅中的電子開(kāi)始隧穿到頂層硅的導(dǎo)帶，一小部分則被埋氧捕獲。同時(shí)在頂層硅靠近界面處形成反型層。反型層提供的空穴和隧穿的電子在這個(gè)界面附近的缺陷能級(jí)上復(fù)合。從理論上來(lái)說(shuō)，空穴也可以隧穿到埋層和襯底硅的界面，然后和界面附近的電子復(fù)合。但由于作為少數(shù)載流子的空穴的隧穿幾率比電子小，所以這個(gè)復(fù)合過(guò)程比頂層硅和埋層的界面的復(fù)合要弱很多。用相似的方法可以解釋頂層硅加反向偏壓的情形。頂層硅中的電子隧穿到埋層和襯底硅的界面和襯底硅附近的空穴復(fù)合。因此可以認(rèn)為在不同的偏壓極性下，電子和空穴的主要復(fù)合傾向于在不同的界面處發(fā)生。這是造成正反向偏壓下發(fā)光差異的原因之一。另一個(gè)原因是Si/SiO2/Si材料兩個(gè)界面處勢(shì)壘高度不同造成的電學(xué)性質(zhì)的差異。襯底硅和二氧化硅的界面比頂層硅和二氧化硅的界面勢(shì)壘低，所以正向偏壓時(shí)隧穿電子更多。只要把電子隧穿改為空穴隧穿，對(duì)頂層硅和襯底硅都是P型的情形也能做出類似的解釋。
這種材料做成發(fā)光器件，和現(xiàn)有的硅工藝可以實(shí)現(xiàn)很好的集成。雙向發(fā)光為整體工藝提供了更多的選擇。由于我們離子注入形成的BOX較厚(1000-4000)，因此隧穿電流受到了限制。因此可以考慮減小BOX厚度來(lái)提高發(fā)光效率(emission efficiency)。
下面來(lái)介紹該材料的制備方法。具體步驟如下(1)區(qū)別于許多其他的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，本發(fā)明采用氧離子注入的方法，在硅片上注入氧離子，注入的能量在150kev-190kev，注入的劑量為0.7×1018-1.8×1018cm-2。采用氧離子注入而不是CVD和熱氧化的方法得到中間的氧化層是制備的一大特點(diǎn)。注入后殘留的結(jié)構(gòu)缺陷可以提供為發(fā)光提供大量的復(fù)合中心。其中，采用的硅片可以是(100)方向生長(zhǎng)的N型或P型硅片，厚度0.3-0.5mm，電阻率大于5歐姆·厘米。
(2)離子注入后在高溫下退火，退火在氬氣和氧氣的混合氣氛中進(jìn)行，氧氣所占的體積比率可以在1％-10％間變化，退火溫度控制在1300℃-1400℃，退火時(shí)間6-8小時(shí)。


圖1為檢測(cè)發(fā)光的裝置示意圖。
圖2為發(fā)光顯微鏡拍到的照片，其中(a)加較低正向偏壓(b)加較高正向偏壓(c)正向電壓(某個(gè)確定值)(d)反向電壓(與(c)相同值)。
圖3為解釋該材料發(fā)光原理的能帶示意圖，(a)不加偏壓(b)加反向偏壓(c)加正向偏壓。
圖中標(biāo)號(hào)1為頂層硅，2為二氧化硅層，3為襯底硅，4為高靈敏CCD相機(jī)，5為電極與導(dǎo)線，6為雙向直流電源。
具體實(shí)施例方式
(1)硅片采用(100)方向生長(zhǎng)的N型硅片，厚度為0.3mm，電阻率大于5歐姆·厘米，氧離子注入的能量為150kev，注入劑量為0.7×1018cm-2，氧離子注入后在高溫下退火，退火氣氛為10％O2+90％Ar2，退火溫度是1400℃，退火時(shí)間為8小時(shí)完全退火。退火后得到的該材料頂層硅厚500，二氧化硅厚度為1500。對(duì)材料進(jìn)行發(fā)光測(cè)試，加正偏壓時(shí)30V出現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)，加負(fù)偏壓時(shí)50V出現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)。
(2))硅片采用(100)方向生長(zhǎng)的N型硅片，厚度為0.3mm，電阻率大于5歐姆·厘米，氧離子注入的能量為190kev，注入劑量為0.7×1018cm-2，退火氣氛為1％O2+99％Ar2，退火溫度是1300℃，退火時(shí)間為6小時(shí)完全退火。退火后得到的該材料頂層硅厚1000，二氧化硅厚度為1500。對(duì)得到的材料進(jìn)行發(fā)光測(cè)試，加正偏壓時(shí)20V出現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)，加負(fù)偏壓時(shí)30V出現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)。
(3)硅片采用(100)方向生長(zhǎng)的N型硅片，厚度為0.5mm，電阻率大于5歐姆·厘米，氧離子注入的能量為190kev，注入劑量為1.8×1018cm-2，退火氣氛為1％O2+99％Ar2，退火溫度是1400℃，退火時(shí)間為6小時(shí)完全退火。退火后得到的該材料頂層硅厚2000，二氧化硅厚度為3750。對(duì)得到的材料進(jìn)行發(fā)光測(cè)試，加正偏壓時(shí)20V出現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)，加負(fù)偏壓時(shí)50V出現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)。
(4)硅片采用(100)方向生長(zhǎng)的P型硅片，厚度為0.5mm，電阻率大于5歐姆·厘米，氧離子注入的能量為190kev，注入劑量為1.8×1018cm-2，退火氣氛為1％O2+99％Ar2，退火溫度是1400℃，退火時(shí)間為8小時(shí)完全退火。退火后得到的該材料頂層硅厚2500，二氧化硅厚度為3750。對(duì)得到的材料進(jìn)行發(fā)光測(cè)試，加正偏壓時(shí)30V出現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)，加負(fù)偏壓時(shí)40V出現(xiàn)發(fā)光點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種Si/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的雙向發(fā)光材料，其特征在于具有Si/SiO2/Si的結(jié)構(gòu)，采用氧離子注入方法獲得，其中，頂層硅的厚度為500埃-2000埃，二氧化硅的厚度為1500埃-4000埃，襯底硅厚度為200微米-250微米。
2.一種如權(quán)利要求1所述的Si/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的雙向發(fā)光材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)在硅片上注入氧離子，氧離子注入能量為150kev-190kev，注入的劑量為0.7×1018-1.8×1018cm-2；(2)離子注入后在高溫下退火，退火在氬氣和氧氣的混合氣氛中進(jìn)行，氧氣所占的體積比率占混合氣體的1％-10％，退火溫度為1300℃-1400℃，退火時(shí)間6-8小時(shí)，即得Si/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的雙向發(fā)光材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述硅片為(100)方向生長(zhǎng)的N型或P型硅片，厚度為0.3-0.5mm，電阻率大于5歐姆·厘米。
全文摘要
本發(fā)明屬發(fā)光半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)為Si/SiO
文檔編號(hào)C09K11/59GK1775901SQ20051011106
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者沈仲漢, 吳長(zhǎng)亮, 張昕, 吳曉京 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)