一种提高非晶碳化硅薄膜红光发光效率的方法

本发明涉及发光材料技术领域，尤其涉及一种利用n掺杂提高非晶碳化硅薄膜红光发光效率的方法。

背景技术：

基于半导体硅基材料的光电子集成是21世纪新一代半导体器件的核心，而硅基光源是实现si单片光电集成的关键。高效硅基光源是当前材料科学和微电子学领域中的重大研究课题，具有重要的基础和应用研究意义。

非晶碳化硅(a-sicx)薄膜是一种宽带隙的半导体材料，具有优越的物理和化学特性，比如高的掺杂效率、可见光区透明等，在硅基光电集成、光伏电池以及探测器等领域具有广泛的应用前景。a-sicx薄膜的性能与薄膜中的c和si原子的含量以及原子间的结合方式密切相关。提高薄膜的si含量，会降低薄膜的带隙；相反，提高薄膜的c含量，能有效增大薄膜的带隙。通过调节a-sicx薄膜的si、c含量，还能获得从红光到绿光波段的光发射。然而薄膜的光发射强度较弱，其中红光发射效率更低，这主要源于薄膜缺陷态多。研究表明，在a-sicx薄膜中掺入h能在一定程度上降低缺陷态密度，但薄膜的发光只是略微增强。在a-sicx薄膜掺入o能获强白光发射，并且在紫外光泵浦下在630nm波长处获得净增益系数53cm^-1，但随着o的掺入，薄膜带隙变大，无法获得增强的红光发射。同样，在薄膜掺入n，能获得较强的光发射，但随着n的加入，薄膜的发射波段主要集中在蓝绿光波段。到目前为止，未见n掺杂对增强a-sicx薄膜红光发射的研究。

技术实现要素：

针对上述提出的技术问题，本发明的目的在于提供一种提高非晶碳化硅薄膜红光发光效率的方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种提高非晶碳化硅薄膜红光发光效率的方法，包括以下步骤：

a)在平行板电容型射频等离子体增强化学气相沉积系统中，将衬底固定在电容极板的下极板的上表面；所述衬底为单晶硅片、石英片或光学玻璃；

b)调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.5cm，并将电容极板的下极板接地，同时对其加热，使衬底温度达到250-300℃；

c)将硅烷和甲烷的混合气体按一定的流量比通入反应腔；优选地，硅烷和甲烷的流量比为3.5sccm：5sccm；

d)在所述反应腔内通入微小流量的氨气气体，氨气的流量范围为0.3-2.2sccm；反应腔内的气压保持在20pa；

e)将射频功率为20-40w的射频信号加到电容极板的上极板上，控制生长时间30分钟。

本发明的方法具有以下优点：

(1)本发明的掺n非晶碳化硅薄膜的制备方法，无需昂贵的设备技术，制备过程简单，成本低，并且与当前微电子工艺相兼容，易于实用化。

(2)本发明掺n非晶碳化硅薄膜的制备工艺参数可精确调节，有很好的可控性和重复性，可靠性高，能实现大面积生产。

(3)通过在非晶碳化硅薄膜中掺入n，能在一定程度上降低薄膜缺陷态密度，提高非晶碳化硅薄膜红光发射效率，可将薄膜红光发射提高达3倍以上。

附图说明

图1是nh3流量为0.5sccm制备的掺n的非晶碳化硅薄膜和不掺n的非晶碳化硅薄膜在氙灯350nm波长激发下的光致发光图。

图2是nh3流量为1.0sccm制备的掺n的非晶碳化硅薄膜和不掺n的非晶碳化硅薄膜在氙灯350nm波长激发下的光致发光图。

图3是nh3流量为1.5sccm制备的掺n的非晶碳化硅薄膜和不掺n的非晶碳化硅薄膜在氙灯350nm波长激发下的光致发光图。

图4是nh3流量为2.0sccm制备的掺n的非晶碳化硅薄膜和不掺n的非晶碳化硅薄膜在氙灯350nm波长激发下的光致发光图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方法作进一步地详细描述。

制备前先对衬底进行清洗预处理：先用去离子水对衬底进行冲洗，再用由hcl、h2o2、h2o组成的配比为1：2：5酸性清洗液沸煮5分钟，之后用去离子水冲洗，最后用由nh4oh、h2o2、h2o组成的配比为1：2：6的碱性清洗液沸煮5分钟，并用去离子水冲洗。冲洗完毕对衬底进行烘干。

实施例1

a)在平板电容型射频等离子体增强化学气相沉积设备中，调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.5cm，并将电容极板的下极板接地。

b)将sih4和ch4气体通入反应腔，sih4和ch4气体流量比为3.5sccm:5sccm。

c)将氨气气体(纯度均为99.9999％)通入反应腔，调节氨气流量的大小为0.5sccm，同时调制反应室的抽气口，使反应室气压保持在20pa不变。

d)将射频功率为30w，射频频率为40.68mhz的射频信号加到上极板上，控制生长时间30分钟，生长温度250℃。

e)利用氙灯350nm紫外光对步骤d)制备的薄膜进行辐照，其光致红光发射谱与未掺n的薄膜的红光发射谱关系如图1所示。

结果表明本发明制备的掺n的非晶碳化硅薄膜的红光发射效率提高了0.5倍以上。

实施例2

a)在平板电容型射频等离子体增强化学气相沉积设备中，调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.5cm，并将电容极板的下极板接地。

b)将sih4和ch4气体通入反应腔，sih4和ch4气体流量比为3.5sccm:5sccm。

c)将氨气气体(纯度均为99.9999％)通入反应腔，调节氨气流量的大小为1.0sccm，同时调制反应室的抽气口，使反应室气压保持在20pa不变。

d)将射频功率为30w，射频频率为40.68mhz的射频信号加到上极板上，控制生长时间30分钟，生长温度250℃。

e)利用氙灯350nm紫外光对步骤d)制备的薄膜进行辐照，其光致红光发射谱与未掺n的薄膜的红光发射谱关系如图2所示。

结果表明本发明制备的掺n的非晶碳化硅薄膜的红光发射效率提高了1倍以上。

实施例3

a)在平板电容型射频等离子体增强化学气相沉积设备中，调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.5cm，并将电容极板的下极板接地。

b)将sih4和ch4气体通入反应腔，sih4和ch4气体流量比为3.5sccm:5sccm。

c)将氨气气体(纯度均为99.9999％)通入反应腔，调节氨气流量的大小为1.5sccm，同时调制反应室的抽气口，使反应室气压保持在20pa不变。

d)将射频功率为30w，射频频率为40.68mhz的射频信号加到上极板上，控制生长时间30分钟，生长温度250℃。

e)利用氙灯350nm紫外光对步骤d)制备的薄膜进行辐照，其光致红光发射谱与未掺n的薄膜的红光发射谱关系如图3所示。

结果表明本发明制备的掺n的非晶碳化硅薄膜的红光发射效率提高了1.5倍以上。

实施例4

a)在平板电容型射频等离子体增强化学气相沉积设备中，调节电容极板的上、下极板之间的距离至2.5cm，并将电容极板的下极板接地。

b)将sih4和ch4气体通入反应腔，sih4和ch4气体流量比为3.5sccm:5sccm。

c)将氨气气体(纯度均为99.9999％)通入反应腔，调节氨气流量的大小为2.0sccm，同时调制反应室的抽气口，使反应室气压保持在20pa不变。

d)将射频功率为30w，射频频率为40.68mhz的射频信号加到上极板上，控制生长时间30分钟，生长温度250℃。

e)利用氙灯350nm紫外光对步骤d)制备的薄膜进行辐照，其光致红光发射谱与未掺n的薄膜的红光发射谱关系如图4所示。

结果表明本发明制备的掺n的非晶碳化硅薄膜的红光发射效率提高了3倍以上。