[发明专利]一种掺铒氧化镓薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种掺铒氧化镓薄膜及其制备方法和在发光领域的应用。该制备方法包括步骤：(1)在真空下，通入氩气和氧气混合气，利用磁控溅射方法对掺铒氧化镓靶材进行溅射或者对铒靶材和氧化镓靶材进行共溅射，在预溅射至挡板至少5min后再开始在加热的衬底上溅射沉积薄膜；(2)在氧气或氮气气氛下，对步骤(1)得到的薄膜进行300℃以上的高温热处理，在激活铒的同时使氧化镓晶化，之后自然降温，得到所述掺铒氧化镓薄膜。本发明制备工艺简单，工业兼容性好，在硅基集成光源或半导体发光、光通信等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，具体涉及一种掺铒氧化镓薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着微电子产业、摩尔定律高速发展，单个芯片上的晶体管越来越多，传统的金属导线互连造成的信号延迟，热量释放和信号干扰的问题暴露的越来越明显，光互连由于其信号传输速度快、损耗小、不受干扰的优势成为集成电路发展的必然趋势。

目前，硅基光互连在光波导、光信号调制器、光信号放大器以及光信号探测器都有了长足的进步，唯有高效的光源，特别是适用于成熟的CMOS工艺的电致发光光源没有突破。掺铒硅基光源由于Er的1535nm特征发光峰位于光纤损耗最低窗口以及与现有CMOS工艺适配，一直以来是人们研究热点。

科研工作者为了提高铒的掺杂浓度和开启电压，先后将铒掺入硅的pn结，硅的绝缘性化合物如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及硅酸铒，窄带隙的半导体如砷化镓、磷化铟等。但硅、砷化镓、磷化铟等窄带隙半导体固溶度低且铒对于基体由于俄歇效应产生强的能量背传递极大削弱了铒的发光效率；氧化硅和硅酸铒的高绝缘性又造成器件的开启电压高于70V；氮化硅、氮氧化硅本身存在的以及富硅引入的缺陷造成器件的效率大幅降低。

为解决掺铒电致发光器件开启电压高和能量背传递导致的效率降低问题，科研工作者将铒掺入宽带隙的半导体诸如氮化镓、氧化锌，氧化钛等等。比如Yang,Y.,et al.,Low-voltage driven visible and infrared electroluminescence from light-emitting device based on Er-doped TiO₂/p+-Si heterostructure.Applied PhysicsLetters,2012.100(3):p.031103：完成了铒在氧化钛基体的的掺杂，在保持铒的浓度为10²⁰cm^-3的同时，让器件的开启电压低于10V。每种半导体基体有其特有的缺点和优点，比如，氮化镓的镓离子和铒离子原子半径比较接近，化合价相等，在完成替位掺杂时会造成较小的晶格畸变和电学缺陷，但是N的存在会和Er形成没有光学活性的氮化铒化合物，造成器件的效率降低；氧化钛和氧化锌存在的氧可以和铒形成据有光学活性的ErO复合体避免铒离子团簇，同时基体存在的氧缺陷可以敏化铒离子，但是锌离子和钛离子的化合价和铒有不同，会造成替位掺杂后存在电学缺陷不利于铒的发光。

基于这些掺铒薄膜制备的电致发光器件，已有工作对器件结构进行研究，如(马向阳,杨扬,杨德仁.一种无机电致发光器件及其制备方法[P].浙江：CN104124316A,2014-10-29.)，其第一和第二势垒层的加入加强了载流子在发光层的限域效应，让载流子更多的集中在发光层，但是目前研究，对器件发光机制缺乏探究和调控，究竟载流子是如何激发铒离子，是电子或者空穴对铒离子完成激发机理仍没有探究，更没有对应的调控。

所以，掺铒硅基电致发光器件目前的瓶颈在于缺少一种优秀的掺铒基体，可以实现铒离子的高效低开启电压的红外电致发光，同时，缺少对器件发光机理的研究和器件宏观结构的设计。