專利名稱：硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件及制作方 法，特別涉及一種硫族元素(硫、硒、碲)和過渡金屬元素(銅、 銀、金)共摻的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件及其制作方法。
背景技術(shù)：
隨著超大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，芯片的集成度越來越 高。人們的生活、生產(chǎn)和國防等方方面面要求越來越快的集成電路芯片運(yùn)算速度。但是由于最近2 O年來集成電路工藝線寬 的急劇減小，單個(gè)M0S (金屬-氧化物-半導(dǎo)體)晶體管的運(yùn)算 速度越來越快，靠改善單個(gè)晶體管的運(yùn)算速度來提高集成電路 芯片的運(yùn)算速度卻由于物理效應(yīng)的因素馬上就要達(dá)到極限；而 且隨著芯片集成度的提高，制約芯片運(yùn)算速度的往往不是單個(gè) 晶體管的運(yùn)算速度，更多地來自于晶體管之間信號傳遞的延 遲。這種延遲是由于充當(dāng)晶體管之間的連線的金屬材料導(dǎo)致的 布線電容所造成的。隨著集成度的增加，金屬連線的長度越來 越長。現(xiàn)在的英特爾奔四(Pentium IV) CPU (中央處理單元) 芯片上金屬連線的長度己經(jīng)達(dá)到5千米，在將來還會(huì)進(jìn)一步增 加。連線的長度越長，信號在傳輸線上的延遲也就越大。所以 要增加芯片的運(yùn)算速度，必須想辦法改善芯片的晶體管之間的 信號傳遞的效率。相對于利用電子來實(shí)現(xiàn)信號傳輸上不可避免的延遲效 應(yīng)，如果采用光子作為信號傳輸?shù)妮d體，則可以避免信號延遲 的問題。由于硅集成電路工藝已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，采用與硅基材料兼容度很差的ni-v族材料作為光子信號產(chǎn)生的有源 層從工藝上和集成度上來說是不現(xiàn)實(shí)的。所以要解決將來的集 成電路工藝發(fā)展的瓶頸問題，出路只能是實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有硅集成電 路工藝完全兼容的硅基高效發(fā)光器件。但是眾所周知的是硅作為間接帶隙半導(dǎo)體材料，光躍遷不 僅需要電子、空穴的參與，還需要第三方聲子的參與，這是一 個(gè)二級過程，相比于直接帶隙半導(dǎo)體材料如砷化鎵等，光躍遷 無需第三方參與，躍遷的概率要小的多，熒光壽命大致在毫秒 量級，約為直接帶隙半導(dǎo)體材料的一萬倍以上，也就是說，發(fā) 光效率為直接帶隙半導(dǎo)體材料的萬分之一以下。為解決發(fā)光效率低的困難，人們在過去提出了各種解決辦 法，以期解決這個(gè)困難。在硅基高效發(fā)光材料的制備工藝中， 雜質(zhì)摻雜一直是最重要的幾種手段之一。要提高硅基薄膜的發(fā) 光強(qiáng)度， 一般都是通過引入外來雜質(zhì)元素來實(shí)現(xiàn)。在各種摻雜方法中，等電子摻雜實(shí)現(xiàn)高效的間接帶隙半導(dǎo) 體發(fā)光而受到了特別的重視。美國羅徹斯特大學(xué)Hall和Brown 于l 9 8 6年報(bào)道(美國Applied Physics Letters 1 9 8 6 Vol 4 9 ， Page 2 4 5 ) 了摻硫的單晶硅在經(jīng)過快速淬 火之后在液氮溫度下實(shí)現(xiàn)了5%外量子效率的光致發(fā)光并申請 了美國專利(US patent 4,8 2 7，318)。但是，由于等 電子發(fā)光往往與幾個(gè)不同的雜質(zhì)原子相關(guān)，要實(shí)現(xiàn)更高效、更 高溫區(qū)的硅基等電子發(fā)光，明確的等電子成分的判別或發(fā)現(xiàn)是 至關(guān)重要的，這也是進(jìn)一步改善硅基等電子發(fā)光效率的基礎(chǔ)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件 及制作方法，該器件是在硅襯底(包括SOI晶片，也就是絕緣 體上硅一silicon on insulator,也可以為絕緣體上單晶硅、 鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)，以及硅、 鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量子點(diǎn))上制備的， 與現(xiàn)有硅微電子工藝兼容。采用硫族元素(硫、硒、碲)和過 渡金屬元素(銅、銀、金)共摻形成高效的等電子發(fā)光中心作 為發(fā)光器件的硅基摻雜層2 0有源區(qū)，在硅基摻雜層2 0有源區(qū)的上下兩側(cè)形成重?fù)降腜型區(qū)和N型區(qū)。此高效發(fā)光材料可應(yīng)用制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管、各種不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器 (包括F-P腔邊發(fā)射激光器、面發(fā)射激光器、DFB和DBR激光器)、半導(dǎo)體光放大器等發(fā)光器件(光泵浦、電泵浦和電子束
激發(fā)等)，并應(yīng)用到半導(dǎo)體光電子單片集成。本發(fā)明一種硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件，其特征在于， 其中包括一 n-型或p-型硅基襯底；一硅基摻雜層，該硅基摻雜層制作在n-型或p-型硅基襯 底上面，該硅基摻雜層是發(fā)光器件的有源區(qū)；一 p-型或n-型重?fù)焦鑼樱揚(yáng)-型或n-型重?fù)焦鑼又谱髟?硅基摻雜層上面；一 n-型或p-型重?fù)焦鑼?，該n-型或p-型重?fù)焦鑼又谱髟?n-型或p-型硅襯底下面；一第一金屬電極，該第一金屬電極制作在P-型或ri-型重 摻硅層上面；二第二金屬電極，該二第二金屬電極分別制作在n-型或 p-型重?fù)焦鑼酉旅娴膬蓚?cè)，其中間為出光口。其中n-型或p-型硅基襯底的晶向?yàn)?hkl)， h、 k、 1為 整數(shù)。其中n-型或p-型硅基襯底為單晶體硅，或?yàn)镾OI，即絕 緣體上硅一silicon on insulator, 或?yàn)榻^緣體上單晶硅、 鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)，或?yàn)閱尉?硅、鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)。其中該硅基摻雜層形成的發(fā)光器件的有源區(qū)的摻雜物為
硫族元素硫、硒、碲中至少一種和過渡金屬元素銅、銀、金中 至少一種。其中第一金屬電極和第二金屬電極與n-型或p-型重?fù)焦?層和P-型或n-型重?fù)焦鑼又g形成的接觸為肖特基結(jié)，或?yàn)?歐姆接觸。其中該硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件的激發(fā)方式為光泵 浦或電泵浦或電子束激發(fā)。其中硅基摻雜層為利用硫族元素硫、硒、碲和過渡金屬元 素銅、銀、金共摻形成高效的等電子發(fā)光中心，采用離子注入、 熱擴(kuò)散、磁控濺射、激光燒蝕、分子束外延、超高真空化學(xué)氣 相淀積或金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積的方法制備。其中硫、硒、碲、銅、銀、金在p-型或n-型硅基襯底有 源區(qū)中的濃度范圍分別為l XI 0 1 Vcm3到1 X 1 0 2 2 /cm3 之間。本發(fā)明一種硅基高效等電子慘雜發(fā)光器件的制作方法，其 特征在于，包括如下步驟取一 n-型或p-型硅基襯底；在該n-型或P-型硅基襯底的上面制作一硅基摻雜層，該 硅基摻雜層是發(fā)光器件的有源區(qū)；退火；在該硅基摻雜層的上面制作一 P-型或n-型重?fù)焦鑼樱?在該n-型或p-型硅襯底的下面制作一 n-型或p-型重?fù)焦鑼樱辉谠損-型或n-型重?fù)焦鑼拥纳厦嬷谱饕坏谝唤饘匐姌O；在該n-型或p-型重?fù)焦鑼酉旅娴膬蓚?cè)制作二第二金屬電 極，該二第二金屬電極的中間為出光口 。其中n-型或p-型硅基襯底的晶向?yàn)?hkl)， h、 k、 1為 整數(shù)。其中n-型或p-型硅基襯底為單晶體硅，或?yàn)镾OI，即絕 緣體上硅一silicon on insulator, 或?yàn)榻^緣體上單晶硅、 鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)，或?yàn)閱尉?硅、鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)。其中該硅基摻雜層形成的發(fā)光器件的有源區(qū)的摻雜物為 硫族元素硫、硒、碲中至少一種和過渡金屬元素銅、銀、金中 至少 一 種。其中第一金屬電極和第二金屬電極與n-型或p-型重?fù)焦?層和p-型或n-型重?fù)焦鑼又g形成的接觸為肖特基結(jié)，或?yàn)?歐姆接觸。其中該硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件的激發(fā)方式為光泵 浦或電泵浦或電子束激發(fā)。其中硅基摻雜層為利用硫族元素硫、硒、碲和過渡金屬元 素銅、銀、金共摻形成高效的等電子發(fā)光中心，采用離子注入、 熱擴(kuò)散、磁控濺射、激光燒蝕、分子束外延、超高真空化學(xué)氣
相淀積或金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積的方法制備。其中硫、硒、碲、銅、銀、金在p-型或n-型硅基襯底有 源區(qū)中的濃度范圍分別為l XI 0 1 3/cm3到1 X 1 0 2 2 /cm3 之間。其中退火溫度范圍為3 0 0 °C到1 3 0 0 °C之間。其中退火采用的氣氛為真空環(huán)境或?yàn)榈獨(dú)饣驓鍤獾榷栊?氣體或氫氣或氧氣或大氣以及它們之間的混合物。本發(fā)明在多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出一種硅基高效等電子摻 雜發(fā)光器件及制作方法。該方法具有工藝簡單，重復(fù)性好，硅 基發(fā)光器件效率高等優(yōu)點(diǎn)，易于與現(xiàn)有超大規(guī)模集成電路工藝 集成的優(yōu)點(diǎn)。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖 對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中圖1為采用硫族元素(硫、硒、碲)和過渡金屬元素(銅、 銀、金)共摻的硅基高效發(fā)光材料基礎(chǔ)上制備的硅基高效等電 子摻雜發(fā)光器件的示意圖；圖2是常溫下采用硫銅共注入到單晶硅中經(jīng)在大氣氣氛 下退火然后快速淬火后測得的低溫(8 0 K)光致發(fā)光譜，并 與沒有共注銅的樣品的信號進(jìn)行了對比；
圖3是常溫下采用硫銀共注入到單晶硅中經(jīng)在大氣氣氛 下退火然快速淬火后測得的低溫(8 0 K)光致發(fā)光譜，并 與沒有共注銀的樣品的信號進(jìn)行了對比；圖4是常溫下采用碲注入到單晶硅中經(jīng)在大氣氣氛下退 火然后快速淬火后測得的低溫光致發(fā)光譜圖；圖5是常溫下采用硫銅共注入到單晶硅上外延的15對 G e / S i量子阱超晶格材料中經(jīng)在大氣氣氛下退火然后快速淬 火后測得的低溫(8 0 K)光致發(fā)光譜圖；圖6為通過離子注入實(shí)現(xiàn)硅基硫族元素(硫、硒、碲)和 過渡金屬元素(銅、銀、金)共摻實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光的等電子摻雜 開始直到最后發(fā)光器件的制備流程圖。
具體實(shí)施方式
請參閱圖l，圖l為最終制備的硅基高效等電子摻雜發(fā)光 器件的結(jié)構(gòu)示意圖，包括一 n-型或p-型硅基襯底1 0、一硅 基摻雜層2 0 、 一 p-型或n-型重?fù)焦鑼? 0 、 一 n-型或p-型重?fù)焦鑼? 0以及第一金屬電極5 0和第二金屬電極6 0 及出光口 。本發(fā)明一種硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件，其中包括 一 n-型或p-型硅基襯底1 0 ，該n-型或p-型硅基襯底1 0的晶向?yàn)?hkl)， h、 k、 1為整數(shù)，該n-型或p-型硅基襯 底l 0為單晶體硅，或?yàn)镾OI，即絕緣體上硅一silicon oninsulator,或?yàn)榻^緣體上單晶硅、鍺、碳、錫之間的合金、 量子阱、量子線、量子點(diǎn)，或?yàn)閱尉Ч琛㈡N、碳、錫之間的合 金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)；所述的硫、硒、碲、銅、銀、 金在n-型或p-型硅基襯底1 0有源區(qū)硅基摻雜層2 0中的濃 度范圍分別為1 X 1 0 1 Vcm3到1 X 1 0 2 2 /cm3之間；一硅基摻雜層2 0 ，該硅基摻雜層2 0制作在n-型或p-型硅基襯底l 0上面，該硅基摻雜層2 O是發(fā)光器件的有源 區(qū)，該硅基摻雜層2 0包括硫族元素硫、硒、碲中至少一種和 過渡金屬元素銅、銀、金中至少一種，該硅基摻雜層2 0形成 的發(fā)光器件的有源區(qū)的摻雜物為硫族元素硫、硒、碲中至少一 種和過渡金屬元素銅、銀、金中至少一種；該硅基摻雜層2 0 為利用硫族元素硫、硒、碲和過渡金屬元素銅、銀、金共摻形 成高效的等電子發(fā)光中心，采用離子注入、熱擴(kuò)散、磁控濺射、 激光燒蝕、分子束外延、超高真空化學(xué)氣相淀積或金屬有機(jī)化 學(xué)氣相淀積的方法制備；一 p-型或n-型重?fù)焦鑼? 0 ，該p-型或n-型重?fù)焦鑼? 0制作在硅基摻雜層2 0上面；一 n-型或p-型重?fù)焦鑼? 0，該n-型或p-型重?fù)焦鑼? 0制作在n-型或p-型硅襯底1 0下面；一第一金屬電極5 0 ,該第一電極5 0制作在p-型或n-型重?fù)焦鑼? 0上面；二第二金屬電極6 0 ，該二第二金屬電極6 0分別制作在 n-型或p-型重?fù)焦鑼? 0下面的兩側(cè)，其中間為出光口。該第一金屬電極5 0和第二金屬電極6 0與n-型或p-型重?fù)焦鑼? 0和p-型或n-型重?fù)焦鑼? 0之間形成的接觸為肖特基結(jié)，或?yàn)闅W姆接觸。所述的該硅基高效發(fā)光器件的激發(fā)方式為光泵浦或電泵浦或電子束激發(fā)。請結(jié)合參閱圖1和圖6 ，本發(fā)明一種硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件的制作方法，其特征在于，包括如下步驟取一 n-型或p-型硅基襯底1 0 ，該n-型或p-型硅基襯底1 0的晶向?yàn)?hkl)， h、 k、 1為整數(shù)；該n-型或p-型硅基 襯底1 0為單晶體硅，或?yàn)镾OI，即絕緣體上硅一silicon on insulator,或?yàn)榻^緣體上單晶硅、鍺、碳、錫之間的合金、 量子阱、量子線、量子點(diǎn)，或?yàn)閱尉Ч?、鍺、碳、錫之間的合 金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)；在該n-型或p-型硅基襯底1 0的上面制作一硅基摻雜層2 0，該硅基摻雜層2 O是發(fā)光器件的有源區(qū)，該硅基摻雜層 2 0包括硫族元素硫、硒、碲中至少一種和過渡金屬元素銅、 銀、金中至少一種；該硅基摻雜層2 0形成的發(fā)光器件的有源 區(qū)的摻雜物為硫族元素硫、硒、碲中至少一種和過渡金屬元素 銅、銀、金中至少一種；該硅基摻雜層2 0為利用硫族元素硫、硒、碲和過渡金屬元素銅、銀、金共摻形成高效的等電子發(fā)光 中心，采用離子注入、熱擴(kuò)散、磁控濺射、激光燒蝕、分子束
外延、超高真空化學(xué)氣相淀積或金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積的方法制備；退火，該退火溫度范圍為3 0 0 'C到1 3 0 0 °。之間，該 退火采用的氣氛為真空環(huán)境或?yàn)榈獨(dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w或氫 氣或氧氣或大氣以及它們之間的混合物；在該硅基摻雜層2 0的上面制作一 p-型或n-型重?fù)焦鑼?3 0 ;在該n-型或p-型硅襯底1 0的下面制作一 n-型或p-型重 摻硅層4 0 ;在該P(yáng)-型或n-型重?fù)焦鑼? 0的上面制作一第一金屬電 極5 0 ;在該n-型或p-型重?fù)焦鑼? 0下面的兩側(cè)制作二第金屬 二電極6 0，該二第二電極6 0的中間為出光口。該第一金屬電極5 0和第二金屬電極6 0與n-型或p-型 重?fù)焦鑼? 0和p-型或n-型重?fù)焦鑼? 0之間形成的接觸為 肖特基結(jié)，或?yàn)闅W姆接觸。其中該硅基高效發(fā)光器件的激發(fā)方式為光泵浦或電泵浦 或電子束激發(fā)。具體工藝流程請參閱圖6所示，其核心是在利用離子注入 進(jìn)行硫族元素(硫、硒、碲)和過渡金屬元素(銅、銀、金) 共摻，在此基礎(chǔ)上制備的硅基高效發(fā)光器件。該器件是在硅襯 底(包括SOI晶片，也就是絕緣體上硅一silicon oninsulator,也可以為絕緣體上單晶硅、鍺、碳、錫之間的合 金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)，以及硅、鍺、碳、錫之間的合 金、量子阱、量子線、量子點(diǎn))上制備的，與現(xiàn)有硅微電子工 藝兼容。采用硫族元素(硫、硒、碲)和過渡金屬元素(銅、 銀、金)共摻形成高效的等電子發(fā)光中心作為發(fā)光器件的有源 區(qū)，在有源區(qū)的上下兩側(cè)形成重?fù)降腜型區(qū)和N型區(qū)。此高效 發(fā)光材料可應(yīng)用制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管、各種不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo) 體激光器(包括F-P腔邊發(fā)射激光器、面發(fā)射激光器、DFB和 DBR激光器)、半導(dǎo)體光放大器等發(fā)光器件(光泵浦、電泵浦 和電子束激發(fā)等)，并應(yīng)用到半導(dǎo)體光電子單片集成。其中包 括一 n-型或p-型硅基襯底1 0 ;一硅基摻雜層2 0 ，該硅基摻雜層2 0制作在n-型或p-型硅基襯底l 0上面，該硅基摻雜層2 0是發(fā)光器件的有源 區(qū)；硅基摻雜層2 0包括硫族元素硫、硒、碲中至少一種和過 渡金屬元素銅、銀、金中至少一種；一 p-型或n-型重?fù)焦鑼? 0 ，該p-型或n-型重?fù)焦鑼? 0制作在硅基摻雜層2 0上面；一 n-型或p-型重?fù)焦鑼? 0，該n-型或p-型重?fù)焦鑼? 0制作在n-型或p-型硅襯底1 0下面；一電極5 0 ，該第一電極5 0制作在p-型或n-型重?fù)焦?br>
層3 0上面；二第二電極6 0 ，該二第二電極6 0分別制作在n-型或 p-型重?fù)焦鑼? 0下面的兩側(cè)，其中間為出光口。n-型或p-型硅基襯底1 0的晶向?yàn)?hkl) ,h， k， 1為整數(shù)。p-型或n-型硅基襯底l O可以為單晶體硅，也可以為 SOI， 艮卩絕緣體上硅一silicon on insulator, 也可以為絕 緣體上單晶硅、鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量 子點(diǎn)，也可以為單晶硅、鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量 子線、量子點(diǎn)。此高效發(fā)光材料可應(yīng)用制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管、各種不同 結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體光放大器等發(fā)光器件并應(yīng)用到半 導(dǎo)體光電子單片集成。發(fā)光器件的有源區(qū)硅基摻雜層2 O的摻雜物為硫族元素 硫、硒、碲中至少一種和過渡金屬元素銅、銀、金中至少一種。第一金屬電極5 0和第二金屬電極6 0與n-型或p-型重 摻硅層4 0和p-型或n-型重慘硅層3 0之間形成的接觸既可 以為肖特基結(jié)，也可以為歐姆接觸。此硅基高效發(fā)光器件的激發(fā)方式可以為光泵浦、電泵浦和 電子束激發(fā)。在硅基摻雜層2 0中利用硫族元素硫、硒、碲和過渡金屬 元素銅、銀、金共摻形成高效的等電子發(fā)光中心可以采用離子注入、熱擴(kuò)散、磁控濺射、激光燒蝕、分子束外延、超高真空 化學(xué)氣相淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積等方法制備。在n-型或p-型硅基襯底1 0中，硫、硒、碲、銅、銀、 金在硅襯底有源區(qū)硅基摻雜層2 0中的濃度范圍分別為1 X 1 0 1 Vcm3到1 X 1 0 2 Vcm3之間。制備等電子發(fā)光中心所采用的原位生長溫度或后續(xù)退火 溫度范圍為3 0 0 °C到1 3 0 0 °C之間。后續(xù)退火采用的氣氛可以為真空環(huán)境、也可以為氮?dú)?、?氣等惰性氣體、氫氣、氧氣、大氣以及它們之間的混合物。圖2是常溫下采用硫銅共注入到單晶硅中經(jīng)在大氣氣氛 下退火然后快速淬火后(10 5 0度，3分鐘，乙二醇和水 的1 : 1溶液快速冷卻)測得的低溫(8 0 K)光致發(fā)光譜，并與沒有共注銅的樣品的信號進(jìn)行了對比。離子注入的參數(shù)為 注硫能量為2 6 5 keV，劑量為2 x 1 0 1 6/cm2 ;注銅能量為 4 5 0 keV，劑量為6 . 3 7 x 1 0 1 4/cm2 。激發(fā)光源采用氬離 子激光器，光源波長為4 8 8納米，激發(fā)功率為6 O毫瓦，斬 波器頻率為2 7 3赫茲；圖3是常溫下采用硫銀共注入到單晶硅中經(jīng)在大氣氣氛 下退火然快速淬火后(1 0 5 0度，3分鐘，乙二醇和水的1 : 1溶液快速冷卻)測得的低溫(8 0K)光致發(fā)光譜，并與 沒有共注銀的樣品的信號進(jìn)行了對比。離子注入的參數(shù)為注 硫能量為1 7 5 keV，劑量為1 . 5 x 1 0 1 5/cm2 ;注銀能量為4 8 0 keV，劑量為9.0xl 014/cm2。激發(fā)光源采用氬離子 激光器，光源波長為4 8 8納米，激發(fā)功率為6 O毫瓦，斬波 器頻率為2 7 3赫茲；圖4是常溫下采用碲注入到單晶硅中經(jīng)在大氣氣氛下退 火然后快速淬火后(1 0 5 0度，3分鐘，乙二醇和水的1 : 1溶液快速冷卻)測得的低溫光致發(fā)光譜。離子注入的參數(shù)為 注碲能量為5 5 0 keV，劑量為1 . 2 x 1 0 1 5/cm2 。激發(fā)光源 采用氬離子激光器，光源波長為4 8 8納米，激發(fā)功率為6 0 毫瓦，斬波器頻率為2 7 3赫茲；圖5是常溫下采用硫銅共注入到單晶硅上外延的15對 Ge/Si量子阱超晶格材料中經(jīng)在大氣氣氛下退火然后快速淬 火后(9 0 0度，3分鐘，乙二醇和水的1 : 1溶液快速冷卻) 測得的低溫(8 OK)光致發(fā)光譜，離子注入的參數(shù)為注硫 能量為2 6 5 keV，劑量為2 x 1 0 1 5/cm2;注銅能量為4 5 0 keV，劑量為6 . 3 7 x 1 0 1 4/cm2。激發(fā)光源采用氬離子激 光器，光源波長為4 8 8納米，激發(fā)功率為6 O毫瓦，斬波器 頻率為2 7 3赫茲。
權(quán)利要求
1、一種硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件，其特征在于，其中包括一n-型或p-型硅基襯底；一硅基摻雜層，該硅基摻雜層制作在n-型或p-型硅基襯底上面，該硅基摻雜層是發(fā)光器件的有源區(qū)；一p-型或n-型重?fù)焦鑼?，該p-型或n-型重?fù)焦鑼又谱髟诠杌鶕诫s層上面；一n-型或p-型重?fù)焦鑼樱搉-型或p-型重?fù)焦鑼又谱髟趎-型或p-型硅襯底下面；一第一金屬電極，該第一金屬電極制作在p-型或n-型重?fù)焦鑼由厦?；二第二金屬電極，該二第二金屬電極分別制作在n-型或p-型重?fù)焦鑼酉旅娴膬蓚?cè)，其中間為出光口。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其特征在于，其中n-型或p-型硅基襯底的晶向?yàn)?hkl)， h、 k、 1為整數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其特征在于，其中n-型或p-型硅基襯底為單晶體硅，或 為SOI，即絕緣體上硅一silicon on insulator,或?yàn)榻^緣體 上單晶硅、鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)， 或?yàn)閱尉Ч?、鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、量子點(diǎn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其中該硅基摻雜層形成的發(fā)光器件的有源區(qū)的摻雜物為硫 族元素硫、硒、碲中至少一種和過渡金屬元素銅、銀、金中至 少 一 種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其特征在于，其中第一金屬電極和第二金屬電極與n-型 或p-型重?fù)焦鑼雍蚉-型或n-型重?fù)焦鑼又g形成的接觸為肖 特基結(jié)，或?yàn)闅W姆接觸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其特征在于，其中該硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件的激發(fā) 方式為光泵浦或電泵浦或電子束激發(fā)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其特征在于，其中硅基摻雜層為利用硫族元素硫、硒、碲 和過渡金屬元素銅、銀、金共摻形成高效的等電子發(fā)光中心， 采用離子注入、熱擴(kuò)散、磁控濺射、激光燒蝕、分子束外延、 超高真空化學(xué)氣相淀積或金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積的方法制備。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其特征在于，其中硫、硒、碲、銅、銀、金在p-型或n- 型硅基襯底有源區(qū)中的濃度范圍分別為1X1 01 3/cm3到1 X 1 0 2 Vcm3之間。
9 、 一種硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件的制作方法，其特 征在于，包括如下步驟取一 n-型或p-型硅基襯底；在該n-型或p-型硅基襯底的上面制作一硅基摻雜層，該 硅基摻雜層是發(fā)光器件的有源區(qū)； 退火；在該硅基摻雜層的上面制作一 p-型或n-型重?fù)焦鑼樱?在該n-型或p-型硅襯底的下面制作一 n-型或p-型重?fù)焦鑼?；在該P(yáng)-型或n-型重?fù)焦鑼拥纳厦嬷谱饕坏谝?金屬電極；在該n-型或p-型重?fù)焦鑼酉旅娴膬蓚?cè)制作二第二金屬電 極，該二第二金屬電極的中間為出光口。
10 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件的制作方法，其特征在于，其中n-型或p-型硅基襯底的晶 向?yàn)?hkl)， h、 k、 1為整數(shù)。
11、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件的制作方法，其特征在于，其中n-型或p-型硅基襯底為單 晶體硅，或?yàn)镾OI，即絕緣體上硅一 silicon on insulator,或 為絕緣體上單晶硅、鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子線、 量子點(diǎn)，或?yàn)閱尉Ч?、鍺、碳、錫之間的合金、量子阱、量子 線、量子點(diǎn)。
12 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件的制作方法，其特征在于，其中該硅基摻雜層形成的發(fā)光器 件的有源區(qū)的摻雜物為硫族元素硫、硒、碲中至少一種和過渡 金屬元素銅、銀、金中至少一種。
13、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其特征在于，其中第一金屬電極和第二金屬電極與n-型 或P-型重?fù)焦鑼雍蚿-型或n-型重?fù)焦鑼又g形成的接觸為肖 特基結(jié)，或?yàn)闅W姆接觸。
14、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件的制作方法，其特征在于，其中該硅基高效等電子摻雜發(fā)光 器件的激發(fā)方式為光泵浦或電泵浦或電子束激發(fā)。
15 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件的制作方法，其特征在于，其中硅基摻雜層為利用硫族元素 硫、硒、碲和過渡金屬元素銅、銀、金共摻形成高效的等電子 發(fā)光中心，采用離子注入、熱擴(kuò)散、磁控濺射、激光燒蝕、分 子束外延、超高真空化學(xué)氣相淀積或金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積的 方法制備。
16 、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件的制作方法，其特征在于，其中硫、硒、碲、銅、銀、金在 P-型或n-型硅基襯底有源區(qū)中的濃度范圍分別為1 X 1 0 1 3/cm3到1 X 1 0 2 2 /cn]3之間。
17、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件的制作方法，其特征在于，其中退火溫度范圍為3 0 0 C到 1 3 0 0 °C之間。
18、根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基高效等電子摻雜發(fā)光器 件，其特征在于，其中退火采用的氣氛為真空環(huán)境或?yàn)榈獨(dú)饣?氬氣等惰性氣體或氫氣或氧氣或大氣以及它們之間的混合物。
全文摘要
一種硅基高效等電子摻雜發(fā)光器件，其中包括一n-型或p-型硅基襯底；一硅基摻雜層，該硅基摻雜層制作在n-型或p-型硅基襯底上面，該硅基摻雜層是發(fā)光器件的有源區(qū)；一p-型或n-型重?fù)焦鑼樱損-型或n-型重?fù)焦鑼又谱髟诠杌鶕诫s層上面；一n-型或p-型重?fù)焦鑼?，該n-型或p-型重?fù)焦鑼又谱髟趎-型或p-型硅襯底下面；一第一金屬電極，該第一金屬電極制作在p-型或n-型重?fù)焦鑼由厦?；二第二金屬電極，該二第二金屬電極分別制作在n-型或p-型重?fù)焦鑼酉旅娴膬蓚?cè)，其中間為出光口。
文檔編號H01L33/00GK101150154SQ200610126998
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者余金中, 張建國, 成步文, 王啟明, 王曉欣 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所