專利名稱：一種多層全硅發(fā)光材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米光子材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多層全硅發(fā)光材料及其制備 方法。
背景技術(shù)：
目前，我們正處于后信息時代，其特點是由電子信息階段過渡到光子信息階段，現(xiàn) 在已經(jīng)完成以光子為信息載體的轉(zhuǎn)換過程，如已經(jīng)實現(xiàn)全光的光纖通信和光通信。當(dāng)今的 發(fā)展進入芯片上的光電子集成與芯片級的全光化，這是實現(xiàn)光量子信息處理和光量子信息 計算的關(guān)鍵，而作出硅芯片上的用于光互聯(lián)的光源與傳播節(jié)點是一項瓶頸性的工作。眾所周知，建立在硅基上的微電子信息產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達，但是受尺寸與功耗的限制， 摩爾定律已經(jīng)到了適用范圍的極限?？茖W(xué)家們試圖在硅基上建立起全新的光量子信息處理 系統(tǒng)，取代現(xiàn)在的微電子信息系統(tǒng)，實現(xiàn)信息時代革命性的跨越。這里，我們要解決幾個關(guān) 鍵性的問題，一是在什么材料上建立光量子信息處理系統(tǒng)，有些材料特別是半導(dǎo)體材料的 光學(xué)性質(zhì)很好(例如砷化鎵半導(dǎo)體材料)，但是硅材料有很好的基礎(chǔ)且屬于環(huán)保材料，所以 最終選擇在硅基上建立光量子信息處理系統(tǒng)。二是需要改進硅材料的光學(xué)性質(zhì)，我們知道 單晶硅的間接帶隙結(jié)構(gòu)致使硅材料的發(fā)光效率很低，而改進硅材料的光學(xué)性質(zhì)的途徑主要 是采用能帶工程，制備硅的低維納米結(jié)構(gòu)獲取準直接帶隙結(jié)構(gòu)，如納米硅、多孔硅、鍺硅應(yīng) 變層和納米氧化硅等材料。令人振奮的是2000年L. Pavesi研究小組的工作實現(xiàn)了氧化硅中鑲嵌納米硅結(jié)構(gòu) 的光致發(fā)光的光學(xué)增益，這奠定了電泵浦和光泵浦全硅基相干光源的基礎(chǔ)。但是，歸納起 來，國內(nèi)外近十年的研究工作仍存在問題在上述材料的制備中存在諸多的不足，如多孔硅 不易保存、發(fā)光不穩(wěn)定，納米硅和鍺硅應(yīng)變層的制備成本高(傳統(tǒng)的分子束外延(MBE)方法 和化學(xué)氣相沉積(CVD)方法)、不易產(chǎn)業(yè)化等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種易于保存、發(fā)光穩(wěn) 定、成本低并易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的多層全硅發(fā)光材料及其制備方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
本發(fā)明多層全硅發(fā)光材料是以單晶硅為墊層，在墊層表面依次覆蓋有納晶硅層 (nc — Si)、非晶硅層(a — Si)和氧化硅層(Si02)。上述發(fā)光材料的納晶硅層和非晶硅層的厚度分別為40 60nm，所述氧化硅層的 厚度為20 80nm。前述方法材料的制備方法取單晶硅片，去除硅片上的氧化硅層，清洗，獲取 1064nm、脈寬60 100納秒、重復(fù)率800 1200次/秒的脈沖激光束，調(diào)節(jié)脈沖激光束功 率密度至產(chǎn)生白色等離子體輝光，在氮氣氛圍中用調(diào)節(jié)好的60 80納秒脈寬的脈沖激光 束照射樣品3 5秒，再在氧氣氛圍中用調(diào)節(jié)好的80 100納秒脈寬的脈沖激光束照射樣品6 9秒，然后置于氮氣氛圍中在1000°C高溫下退火10 30秒，自然冷卻至室溫后置于 氧氣氛圍中在1000°C高溫下退火20 60秒，即得。具體的，上述制備方法為
(1)預(yù)處理對單晶硅片進行摻雜，形成電阻率2 20歐·厘米的硅片，用氫氟酸除去 硅表面在空氣中形成的氧化硅層，并用酒精和去離子水清潔表面；
(2)獲取脈沖激光束獲取納秒脈沖激光，倍頻鏡倍頻后在532nm波長激光束斑下調(diào)節(jié) 基模出射，調(diào)激光重復(fù)率至800 1200次/秒、脈寬60 100納秒，除掉倍頻鏡，在1064nm 波長激光束下調(diào)節(jié)匯聚到硅表面上的功率密度至產(chǎn)生白色等離子體輝光；
(3)硅片加工在氮氣氛圍中，用調(diào)整好的60納秒脈寬的脈沖激光束照射(2)所獲得的 單晶硅片3秒鐘，再在氧氣氛圍中用100納秒脈寬的脈沖激光束照射單晶硅片6秒鐘；在氮 氣氛圍條件下，用較短納秒脈寬的脈沖激光加工單晶硅片，在表面形成納晶結(jié)構(gòu)，在充氮氣 的條件下形成的納晶缺陷較少；在氧氣氛圍條件下，用較長納秒脈寬的脈沖激光加工單晶 硅片，在納晶結(jié)構(gòu)上形成非晶硅納米薄膜及氧化層，構(gòu)建界面缺陷態(tài)，在充氧氣的條件下形 成的納晶缺陷較多。(4)高溫退火將加工好的單晶硅片放入高溫退火爐，在氮氣氛圍中，保持 1000°C高溫退火30秒，自然冷卻至室溫后再次放入高溫退火爐，在氧氣氛圍條件下，保持 1000°C高溫退火60秒，即得。樣品在氮氣氛圍條件下進行高溫快速退火以控制缺陷態(tài)的分 布數(shù)量，在氧氣氛圍條件下進行高溫快速退火，控制納晶粒尺寸和氧化程度。上述技術(shù)方案用紅外波長的納秒脈沖激光束在硅表面上制備穩(wěn)定的氧化硅、非晶 硅與含缺陷晶硅(納晶硅)多層納米結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)方案中，用紅外波長的納秒脈沖激光束 作用在單晶硅片上產(chǎn)生等離子波，控制脈沖激光重復(fù)率在800 1200次/秒，形成相干的 等離子體波，在單晶硅表面上形成穩(wěn)定的氧化硅、非晶硅與納晶硅層(如圖1所示)，電子被 約束在納米尺寸的晶粒中，由于QC效應(yīng)而使能帶變?yōu)闇手苯訋督Y(jié)構(gòu)，帶隙展寬后導(dǎo)帶底 能級升高成為泵浦能級；氧化硅、非晶硅與納晶硅之間的界面形成缺陷，在禁帶中會形成電 子的局域態(tài)而構(gòu)建發(fā)光中心。由該結(jié)構(gòu)可獲取可見光區(qū)很強的光致發(fā)光，其發(fā)光效率比傳 統(tǒng)的多孔硅要提高兩個數(shù)量級，可用于光電子集成硅芯片上的光互聯(lián)的光源與傳播元件。 利用量子尺寸效應(yīng)改變納米結(jié)構(gòu)尺寸和表面與界面的性狀可以實現(xiàn)出光頻率的調(diào)節(jié)?？梢?通過光子晶體(平面點陣或Percell腔)選模，組裝硅芯片上的LED。由于該結(jié)構(gòu)已實現(xiàn)短 波激光泵浦下的光增益，其對應(yīng)的多能級系統(tǒng)(圖2)有希望實現(xiàn)電泵浦下的光增益，從而為 硅基上的納米激光奠定基礎(chǔ)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明用納秒激光制備穩(wěn)定的多層全硅型發(fā)光材料，所用的激 光束斑以基模為主，可通過光學(xué)匯聚系統(tǒng)控制激光束斑線徑從一微米到一百微米，加工范 圍寬；激光脈沖的脈寬控制在60 100納秒，通過三維微動定位系統(tǒng)可對硅樣品實施精確 到IOOnm的定位和掃描加工；用每秒上千個納秒激光脈沖相干在單晶硅上加工，制備的多 層全硅型納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和重復(fù)性好，發(fā)光性質(zhì)在發(fā)光強度以及短波激光泵浦下的光增益 方面有很大的改進，且制備樣品的成本低并易于實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明多層全硅發(fā)光材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是多層納米結(jié)構(gòu)對應(yīng)的多能級圖； 圖3是多層全硅發(fā)光材料的電鏡照片； 圖4是發(fā)光材料的X-射線結(jié)構(gòu)衍射分析； 圖5是發(fā)光材料的X-射線能譜成份分析； 圖6是光互聯(lián)芯片正面出光組裝方式示意圖； 圖7是光互聯(lián)芯片側(cè)面波導(dǎo)出光組裝方式示意圖； 圖8是P型硅上的多層結(jié)構(gòu)電泵浦側(cè)面出光結(jié)構(gòu)圖； 圖9(a)是發(fā)光材料的帶譜結(jié)構(gòu)光致發(fā)光譜圖； 圖9(b)是發(fā)光材料的尖峰結(jié)構(gòu)光致發(fā)光譜圖； 圖10是514nm波長激光泵浦下的光增益。
具體實施方式
實施例1 用1064nm波長的納秒脈沖激光束在硅表面上制備穩(wěn)定的氧化硅、非晶 硅與納晶硅多層納米結(jié)構(gòu)
(1)預(yù)處理對單晶硅片進行P型摻雜或N型摻雜，形成電阻率2 20歐·厘米的硅 片，用氫氟酸除去硅表面在空氣中形成的氧化硅層，并用酒精和去離子水清潔表面；
(2)獲取脈沖激光束用LD泵浦的Nd:YAG固體激光器，采用聲光調(diào)Q獲取納秒脈沖激 光；用KTP晶體實現(xiàn)角度匹配倍頻，在532nm波長激光束斑下調(diào)節(jié)基模出射；將匯聚透鏡放 至合適位置，匯聚激光束斑到需要的線徑；調(diào)整脈沖激光重復(fù)率調(diào)到800 1200次/秒，激 光脈沖的脈寬按需要調(diào)到60 100納秒；除掉倍頻鏡，在1064nm波長激光束下調(diào)節(jié)匯聚到 硅表面上的功率密度至恰好產(chǎn)生白色等離子體輝光；
(3)硅片加工將單晶硅片固定于樣品臺上，通過三維微動定位系統(tǒng)對單晶硅片實施精 確到100納米的定位和掃描加工，在氮氣氛圍條件下，用60納秒脈寬的脈沖激光加工單晶 硅片3秒鐘，再在氧氣氛圍中用100納秒脈寬的脈沖激光束照射單晶硅片6秒鐘；
(4)高溫退火將用脈沖激光加工好的單晶硅片放入高溫退火爐，在氮氣氛圍中，保持 1000°C高溫退火30秒，自然冷卻至室溫后再次放入高溫退火爐，在氧氣氛圍條件下，保持 1000°C高溫退火60秒，即得。由圖3、圖4和圖5可知，用上述方法制備的全硅發(fā)光材料具有三層結(jié)構(gòu)納晶硅 層、非晶硅層和氧化硅層，納晶硅層和非晶硅層的厚度在80 120nm，氧化硅層的厚度在 40 80nm。該發(fā)光材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)光效率比傳統(tǒng)多孔硅提高兩個數(shù)量級。實施例2 多層全硅發(fā)光材料的應(yīng)用
用于光互聯(lián)芯片的組裝方式有兩種方案一是直接從平面點陣或Purcell腔選模后 由正面出光，如圖6所示，在激發(fā)光作用下，由二維光子晶體選模后從正面出光；二是由條 形波導(dǎo)從側(cè)面出光，如圖7所示，在激發(fā)光作用下，由Purcell腔選模后通過條形波導(dǎo)從側(cè) 面出光。用于芯片上電泵浦出光的組裝方案為P型硅多層結(jié)構(gòu)電泵浦側(cè)面出光，如圖8所 示，在P區(qū)鍍金膜加負極、在多層結(jié)構(gòu)處鍍鋁膜加正極分別注入載流子，多層結(jié)構(gòu)增益區(qū)側(cè) 面出光。作為在硅芯片上的光互聯(lián)應(yīng)用，短波激光泵浦下可獲取可見光區(qū)的很強的光致發(fā)光(如圖9所示)，可用于光電子集成硅芯片上的光互聯(lián)的光源與傳播元件。改變納米結(jié)構(gòu)尺 寸和表面與界面的性狀可以實現(xiàn)出光頻率的調(diào)節(jié)?？梢酝ㄟ^光子晶體(平面點陣或Percell 腔)選模，組裝硅芯片上的LED。該結(jié)構(gòu)已實現(xiàn)短波激光泵浦下的光增益(圖10 )，可以組裝 硅芯片上的LD。
權(quán)利要求
1.一種多層全硅發(fā)光材料，其特征在于該發(fā)光材料是以單晶硅為墊層，在墊層表面 依次覆蓋有納晶硅層、非晶硅層和氧化硅層。
2.按照權(quán)利要求1所述多層全硅發(fā)光材料，其特征在于所述納晶硅層和非晶硅層的 厚度分別為40 60nm，所述氧化硅層的厚度為20 80nm。
3.權(quán)利要求1或2所述多層全硅發(fā)光材料的制備方法，其特征在于取單晶硅片，去除 硅片上的氧化硅層；獲取1064nm、脈寬60 100納秒、重復(fù)率800 1200次/秒的脈沖激 光束，調(diào)節(jié)脈沖激光束功率密度至產(chǎn)生白色等離子體輝光，在氮氣氛圍中用調(diào)節(jié)好的60 80納秒脈寬的脈沖激光束照射樣品3 5秒，再在氧氣氛圍中用調(diào)節(jié)好的80 100納秒 脈寬的脈沖激光束照射樣品6 9秒，然后置于氮氣氛圍中在1000°C高溫下退火10 30 秒，自然冷卻至室溫后置于氧氣氛圍中在1000°C高溫下退火20 60秒，即得。
4.按照權(quán)利要求3所述多層全硅發(fā)光材料的制備方法，其特征在于(1)預(yù)處理對單晶硅片進行摻雜，形成電阻率2 20歐·厘米的硅片，用氫氟酸除去 硅表面在空氣中形成的氧化硅層，并用酒精和去離子水清潔表面；(2)調(diào)整脈沖激光束獲取納秒脈沖激光，倍頻后在532nm波長激光束斑下調(diào)節(jié)基模出 射，調(diào)激光重復(fù)率至800 1200次/秒、脈寬60 100納秒，除掉倍頻鏡，在1064nm波長 激光束下調(diào)節(jié)匯聚到硅表面上的功率密度至產(chǎn)生白色等離子體輝光；(3)硅片加工在氮氣氛圍中，用調(diào)整好的60納秒脈寬的脈沖激光束照射所獲得的單 晶硅片3秒鐘，再在氧氣氛圍中用100納秒脈寬的脈沖激光束照射單晶硅片6秒鐘；(4)高溫退火將加工好的單晶硅片放入高溫退火爐，在氮氣氛圍中，保持1000°C高 溫退火30秒，自然冷卻至室溫后再次放入高溫退火爐，在氧氣氛圍條件下，保持1000°C高 溫退火60秒，即得。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層全硅發(fā)光材料，該發(fā)光材料是以單晶硅為墊層，在墊層表面依次覆蓋有納晶硅層、非晶硅層和氧化硅層，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明用納秒激光制備穩(wěn)定的多層全硅型發(fā)光材料，所用的激光束斑以基模為主，可通過光學(xué)匯聚系統(tǒng)控制激光束斑線徑從一微米到一百微米，加工范圍寬；激光脈沖的脈寬控制在60～100納秒，通過三維微動定位系統(tǒng)可對硅樣品實施精確到100nm的定位和掃描加工；用每秒上千個納秒激光脈沖相干在單晶硅上加工，制備的多層全硅型納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和重復(fù)性好，發(fā)光性質(zhì)有很大的改進，且制備樣品的成本低并易于實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號B82Y40/00GK102051169SQ20101057417
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者黃偉其 申請人:貴州大學(xué)