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1、第20卷第1期 半 导 体 学 报 Vol.20,No.11999年1月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJan.,1999掺铒富硅氧化硅薄膜的光致发光雷红兵 杨沁清 朱家廉 王红杰 高俊华 王启明(集成光电子国家开放实验室 中国科学院半导体研究所 北京 100083)摘要 本文研究了富硅氧化硅薄膜掺入铒的发光特性.富硅氧化硅薄膜(氧含量为60%)采用PECVD方法生长,室温下离子注入铒,经过800℃,5min的退火,在10～300K
2、温度下得到较强的波长1154Lm光致发光.发光强度随温度升高而下降,其温度猝灭激活能为1413meV.发光谱表明富硅氧化硅中Er2O发光中心仍具有Td对称性.PACC:7855,6170T,71701 引言越来越多的研究工作近来集中到硅基的光电集成上,在芯片间的光互连、并行处理以及硅片的光集成上,硅基光电集成技术都具有重要的意义.前两种应用的前提是需要一个能工作在77K以上的硅基光源和光探测器,而后一种应用要求一种特定波长(如1154Lm)的光源.其波长恰好落在石英光纤的最低损耗区.1983年,En
3、nen等提出了稀土离子在半导体材3+3+料LED和LD上的潜在应用.特别是Er发出的1154Lm光,最具诱人前景.Er自旋2轨44道耦合分裂能级I13ö22I15ö2之间的光跃迁,其波长与基质材料无关.并且由于发光是由于4f层电子内部之间的跃迁,温度对发光波长的影响不大.因此人们自然希望硅掺铒能够做到室[1～5]温发光,达到应用的程度.为增强Er的发光,人们在硅基质中同时掺入了Er和O、N等轻元素杂质,经过热退火[2]处理,O、N等原子聚集到铒离子周围以便于形成Er2O或Er2N复合体发光中心.同时
4、又要避免杂质原子的析出和外扩散.Er离子注入引入了晶格损伤,可成为非辐射复合中心,故热退火处理还可恢复晶体的完整性以提高Er发光的激发效率.文献[6]报道了用离子注入法在硅材料中掺入Er和O,得到了室温的光致发光,并已制备成发光LED.文献[7]报道了用MBE方法生长硅掺铒氧薄膜,并已得到了室温光致发光.本文采用PECVD方法生长富硅氧化硅(氧含量60%),离子注入铒,研究其发光特性.雷红兵 男,1970年出生,博士研究生,从事硅基材料发光研究杨沁清 男,1938年出生,研究员,目前主要从事硅基光电
5、子材料和器件研究1997207223收到,1997212218定稿68 半 导 体 学 报 20卷2 实验在n型直拉单晶Si(111)(Q=3～58·cm)衬底上,采用PE2CVD方法,淀积一层富硅二氧化硅薄膜.生长温度为300℃,反应气体采用SiH4和N2O,调节SiH4的流量可得到富硅的二氧化硅薄膜.淀积后的样品,利用椭偏仪测量了薄膜的厚度和折射率,薄膜厚度约为200nm,折射率为1156.富硅SiO2薄膜经清洁处理后,室温下离子注入铒离子,注入条15-2件为:能量4
6、00keV,剂量1×10cm.样品注入后采用光加热在氮气保护下进行快速热处+理.光致发光测量采用Ar离子激光器的51415nm光为激发光源,样品置于可在10～300K连续变温的样品室中,用液氮冷却的锗探测器检测光信号,信号经锁相放大器放大,由计算机进行数据采集和处理.3 实验结果与分析+图1为SiöSi2SiO2∶Er样品的背散射随机谱图.2MeVHe离子垂直入射到样品表明,在偏离样品表面法线8°方向探测背散射A离子.图中所示,第一个硅散射台阶Sif代表薄膜中硅原子的散射,第二个台阶Sis表示衬底硅
7、散射;铒离子的散射峰较弱,在450通道附近,图中已局部放大了10倍;氧散射离子能量低,其散射峰宽度与Sif散射峰宽度相一致.用背散射方法测量薄膜的厚度时,直接测出的将是薄膜的原子面密度,以每平方厘米的原子数为单位.利用俄歇电子谱测量薄膜中Si与O含量之比约为40%∶60%,我们采用了SiO2的体密度,测得薄膜几何厚度约为200nm,这与采用椭偏仪测量的结果相一致.铒的分布19-3浓度约为10cm量级,深度约在120～230nm.图2为采用TRIM96软件模拟的铒离子注入在SiöSi2SiO2∶Er中
8、的分布结果,铒分布峰值位置约为170nm.图1 掺铒硅基富硅氧化硅薄膜和背散射谱图图2 离子注入掺铒硅基富硅氧化硅Er浓度分布的模拟结果注入条件:400keV,1015cm-2Er+.图3(a)给出了上述样品在三种温度下的光致发光曲线.从图中可以看到无论在10K、3+77K或室温下,发光波长变化不大,约在1154Lm位置,这1154Lm发光来自Er离子4f内层电子的光跃迁,表明由于外层5s5p电子层的屏蔽作用,发光波长受基质温度的影响很小.1期 雷红
