[发明专利]一种掺硼富硅氧化硅薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及硅基光电子领域，具体涉及一种掺硼富硅氧化硅薄膜及其制备方法和应用。 

背景技术

纳米晶硅由于具有量子限域效应，能增强硅的室温发光效率，而且具有与现有半导体器件工艺兼容的优点，被认为是制备硅基光电器件的理想材料。 

近年来，纳米晶硅材料由于其发光受到了广泛关注，有望在生物、照明及太阳电池等领域取得应用。但是纳米晶硅的发光强度较弱，发光波段通常与其尺寸分布相关，无法得到宽光谱的强的白光发光；而且，由于通常制备得到的纳米硅材料都是本征半导体颗粒，其电学、光学等特性在相关应用中存在不足；特别是在电致发光方面，由于本征半导体纳米晶硅导电性差，需要的开启电压较高，从而限制了其应用。 

马丁.格林小组在室温下，通过磁控共溅射硅(Si)靶，石英(SiO₂)靶，硼(B)靶，背底真空6.67×10^-5Pa，引入高纯氩气(Ar)至工作气压为0.2Pa，研究了掺硼量及富硅量对掺硼的富硅氧化硅薄膜的发光性能的影响（Synthesis and characterization of boron-doped Si quantum dots for all-Si quantum dot tandem solar cells；X.J.Hao,E-C.Cho,C.Flynn,Y.S.Shen,S.C.Park,G.Conibeer,M.A.Green；Solar Energy Materials & Solar Cells；93(2009)273–279）：A组实验为调节不同Si/O比率的掺硼的富硅氧化硅薄膜。固定加在SiO₂靶上的射频功率为120W，加在B靶上的功率为30W，变化加在Si靶上的功率来调节Si/O比率；B组实验为相同Si/O比率但不同含B量的富硅氧化硅薄膜，固定加在SiO₂靶上的功率为120W，加在Si靶上的功率为25W，变化加在B靶上的功率：0，9，15，30W。经过高温热 处理后得到的薄膜在532纳米激光激发下，只得到了Si纳米晶相关的激子发光峰（近红外发光)随掺硼量的增加而淬灭的现象，不能得到宽光谱的强的白光发光。 

发明内容

针对现有技术中纳米晶硅在光致发光应用中存在的不足，本发明提供一种掺硼富硅氧化硅薄膜的制备方法，该方法得到的掺硼富硅氧化硅薄膜具有很强的可调宽光谱白光发射，且发光效率较高，可应用于硅集成光源或半导体发光。 

一种掺硼富硅氧化硅薄膜的制备方法，包括如下步骤： 

（1）将电阻率为ρ=0.01～500Ω.cm的硅片清洗后作为衬底，将衬底加热至50-500℃； 

（2）在真空度为8×10^-4～5×10^-3Pa下，通入高纯Ar和高纯O₂混合气体，利用射频溅射对硅靶和硼靶进行反应共溅射，在衬底上沉积薄膜； 

（3）惰性气氛下，对步骤（2）得到的薄膜进行热处理，即得到掺硼富硅氧化硅薄膜。 

本发明采用共溅射制备掺硼富硅氧化硅薄膜，然后通过高温热处理在氧化硅薄膜内生成掺硼的硅纳米晶。由于硼掺杂进入硅纳米晶的同时，还位于氧化硅基体中和基体与硅纳米晶的界面处，引入了发光中心，富硅氧化硅掺硼薄膜在紫外光入射的条件下可呈现强的宽光谱白光发射，可作为发光材料。 

磁控溅射过程中，高纯Ar作为工作气体，高纯O₂作为反应气体，两者的比例需要保持在一定范围内，作为优选，步骤（2）中高纯Ar和高纯O₂混合气体中高纯O₂的质量百分含量为0.1%～1%。 

为保证制膜的纯度及掺硼富硅氧化硅薄膜的发光性能，作为优选，步骤（2）中硅靶和硼靶的纯度均大于或等于99%。 

本发明制备的富硅氧化硅掺硼薄膜中富硅量及掺硼量对最终得到的薄膜的发光性能有着直接影响，富硅量很高（Si/O原子比大于等于1）时，掺硼后薄膜无发光；富硅量低(Si/O原子比约为0.51～0.65)时，掺硼后薄膜 有白光发光；中等富硅量（Si/O原子比约为0.66～0.99）时，掺硼后薄膜白光发光性能最优。而富硅量及掺硼量均通过共溅射时的溅射功率实现，因此作为优选，步骤（2）中共溅射时，硅靶的溅射功率为70～190W，硼靶的溅射功率为5～100W，溅射腔室的压强为1～5Pa。