一种磷掺杂增强硅纳米晶发光强度的方法

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，特别涉及一种磷掺杂增强硅纳米晶发光强度的方法。

背景技术

硅是间接带隙半导体，发光效率低，但纳米晶体硅(Si-nc)由于量子限制效应，使得能带宽度随纳米晶尺寸大小而变化，且发光效率大大增强。由于硅纳米晶的带隙是可靠且又可调的，硅的杂质掺杂被用来调整体硅的光学和电学性能，特别是硅纳米结构在微电子、光电子、光伏、等离子体和热电等领域的应用。

研究表明，磷掺杂对硅纳米晶的光致发光的影响与磷含量息息相关，适当的掺杂会增强硅纳米晶的发光强度，而过量的磷诱导会导致光致发光的猝灭，还有研究表明硅纳米晶薄膜的质量高度依赖于沉积工艺，从硅纳米晶尺寸变化的角度研究中，磷还能促进硅的晶化，这使得确定光致发光的来源变得更加困难，需要进一步研究磷掺杂对沉积薄膜中化学键的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种磷掺杂增强硅纳米晶发光强度的方法，通过在硅纳米晶中引入磷原子，钝化界面悬挂键，减少非辐射复合中心，从而提高硅纳米晶的发光强度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种磷掺杂增强硅纳米晶发光强度的方法：将磷量子点滴涂在衬底上，通过真空干燥除去溶液中的溶剂，通过热蒸发方法将SiO、Si交替沉积到含有磷的衬底上，将制备好的含磷SiO/Si多层薄膜放入退火炉中，在惰性气氛下退火，生成镶嵌在SiO

上述方法具体包括以下步骤：

(1)衬底清洗：选取单面抛光的硅片作为衬底，将衬底置于体积比H

(2)掺杂剂层制备：取磷量子点溶液均匀滴涂到衬底抛光面上，放入真空干燥箱干燥去除溶剂；

(3)镀膜材料的安置：将衬底放于镀膜机真空室中，将镀膜用SiO粉末和硅锭置于清洗后的钨舟和钼坩埚中并平整化，然后将钨舟和钼坩埚夹紧于热蒸镀系统的正负接线柱，关闭样品蒸镀挡板确保衬底与蒸镀材料在降低系统真空度过程中洁净；

(4)磷掺杂的SiO/Si多层薄膜蒸镀过程：让衬底以10～50rpm的转速旋转，封闭镀膜机真空室的腔门并抽真空，当蒸镀腔内气压低于5×10

(5)热退火相分离：蒸镀完成后取出衬底，得到磷掺杂的SiO/Si多层薄膜，将其置于1000～1200℃的退火炉中保持55～65min的持续退火，退火完成后自然降温，退火全程由惰性气体氛围保护，衬底于炉内自然降温至480～520℃后加速冷却至室温，得到镶嵌在SiO

上述方案中：所述SiO蒸镀速率保持在

上述方案中：所述磷量子点溶液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮，磷量子点溶液的浓度为0.1mg/ml。

上述方案中：所述惰性气体为氮气，纯度大于99.999％，气体流速为200～240sccm。

本发明还提出了一种磷掺杂增强硅纳米晶发光强度的方法：通过热蒸发方法将SiO、Si交替沉积到衬底上，得到SiO/Si多层薄膜，将制备好的衬底放入快速退火炉中，在惰性气氛下退火，生成镶嵌在SiO

上述方法具体包括以下步骤：

(1)衬底清洗和放置：选取单面抛光的硅片作为衬底，将衬底置于体积比H

(2)镀膜材料的安置：将镀膜用SiO粉末和硅锭置于清洗后的钨舟和钼坩埚中并平整化，然后将钨舟和钼坩埚夹紧于热蒸镀系统的正负接线柱，关闭样品蒸镀挡板确保衬底与蒸镀材料在降低系统真空度过程中洁净；

(3)SiO/Si多层薄膜蒸镀过程：让衬底以10～50rpm的转速旋转，封闭镀膜机真空室的腔门并抽真空，当蒸镀腔内气压低于5×10

(4)热退火相分离：蒸镀完成后取出衬底，得到磷掺杂的SiO/Si多层薄膜，将其置于1000～1200℃的退火炉中保持55～65min的持续退火，退火完成后自然降温，退火全程由惰性气体氛围保护，衬底于炉内自然降温至480～520℃后加速冷却至室温，得到镶嵌在SiO

(5)磷掺杂的硅纳米晶制备过程：取磷量子点溶液滴涂到硅纳米晶薄膜表面，放入真空干燥箱干燥除去溶剂，随后放入300～1100℃的退火炉中镀膜面朝下持续退火，退火完成后自然降温，退火全程由惰性气体氛围保护，降至室温时取出衬底，得到磷掺杂的硅纳米晶薄膜。

上述方案中：所述SiO蒸镀速率保持在

上述方案中：所述磷量子点溶液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮，磷量子点溶液的浓度为0.1mg/ml。

上述方案中：所述惰性气体为氮气，纯度大于99.999％，气体流速为200～240sccm。

本发明的有益效果是：

1、生产工艺简单、薄膜质量好稳定性高，所用掺杂剂为磷量子点溶液，溶剂可为N-甲基吡咯烷酮，可实现低成本大规模生产。

2、通过在硅纳米晶中引入磷原子，减少了硅纳米晶中的缺陷，极大地增强了硅纳米晶的发光强度；磷掺杂的硅纳米晶发光强度相比纯硅纳米晶提升了近一个数量级，在光电子器件方面具有很大的潜在应用价值；同时由于用热蒸发制备掺杂薄膜工艺简单且沉积薄膜质量相对较好，稳定性强，因而制备得到的磷掺杂硅纳米晶薄膜有望应用于电子器件领域。

附图说明

图1为硅纳米晶合成中磷掺杂光致发光谱。

图2为硅纳米晶合成中磷掺杂XRD图。

图3为硅纳米晶合成后磷掺杂膜面朝下退火光致发光谱。

图4为硅纳米晶合成后磷掺杂膜面朝下退火XRD图。

图5为硅纳米晶合成后磷掺杂膜面朝上退火光致发光谱。

图6为硅纳米晶合成后磷掺杂膜面朝上退火XRD图。

具体实施方式

实施例1

一种磷掺杂增强硅纳米晶发光强度的方法，具体由以下步骤组成：

(1)衬底清洗和放置：选取尺寸为2*2*0.5mm

(2)掺杂剂层制备：用移液枪取30ul浓度为0.1mg/ml的磷量子点溶液均匀滴涂到衬底抛光面上(磷量子点溶液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮)，放入真空干燥箱中以80～120℃烘烤30～60min除去溶剂。

(3)镀膜材料的安置：将衬底放于镀膜机真空室中，将镀膜用SiO粉末和硅锭置于清洗后的钨舟和钼坩埚中并平整化，然后将钨舟和钼坩埚夹紧于热蒸镀系统的正负接线柱，关闭样品蒸镀挡板确保衬底与蒸镀材料在降低系统真空度过程中洁净。SiO蒸镀速率保持在

(4)磷掺杂的SiO/Si多层薄膜蒸镀过程：让衬底以10～50rpm的转速旋转，封闭镀膜机真空室的腔门并抽真空，当蒸镀腔内气压低于5×10

(5)热退火相分离：蒸镀完成后取出衬底，得到磷掺杂的SiO/Si多层薄膜，将其置于1000～1200℃的石英管式退火炉中保持55～65min的持续退火，退火全程由高纯氮气(纯度大于99.999％，气体流速为200～240sccm)氛围保护，退火完成后关闭石英管式退火炉加热档开始自然降温，保持温度监控和高纯氮气氛围保护，衬底于炉内降温至480～520℃后移至石英管口加速冷却10min至室温，得到镶嵌在SiO

图1为硅纳米晶合成中磷掺杂光致发光谱，与未掺杂磷的硅纳米晶的发光强度进行比较，掺杂磷后的硅纳米晶的发光强度增强近一个数量级。

图2为硅纳米晶合成中磷掺杂XRD图，从图中能看出，上述方法成功的制备出了硅纳米晶。

实施例2

一种磷掺杂增强硅纳米晶发光强度的方法，主要由以下步骤组成：

(1)衬底清洗和放置：选取尺寸为2*2*0.5mm

(2)镀膜材料的安置：将镀膜用SiO粉末和硅锭放置于清洗后的钨舟和钼坩埚中并平整化，将钨舟和钼坩埚夹紧于热蒸镀系统的正负接线柱，关闭蒸镀挡板确保样品与蒸镀材料在降低系统真空度过程中洁净。SiO蒸镀速率保持在

(3)SiO/Si多层薄膜蒸镀过程：让衬底以10～50rpm的转速内旋转，封闭镀膜机真空室的腔门并抽真空，当蒸镀腔内气压低于5×10

(4)热退火相分离：蒸镀完成后取出衬底，得到SiO/Si多层薄膜，将其置于1000～1200℃的石英管式退火炉中保持55～65min的持续退火，退火全程由高纯氮气(纯度大于99.999％，气体流速为200～240sccm)氛围保护，退火完成后关闭石英管式退火炉加热档开始自然降温，保持温度监控和高纯氮气氛围保护，衬底于炉内降温至480～520℃后移至石英管口加速冷却10min至室温，得到镶嵌在SiO

(5)磷掺杂的硅纳米晶制备过程：用移液枪取30ul浓度为0.1mg/ml的磷量子点溶液滴涂到硅纳米晶薄膜表面(磷量子点溶液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮)，放入真空干燥箱中以80～120℃烘烤30～60min除去溶剂，随后放入300℃的管式退火炉中镀膜面朝下保持55～65min的持续退火，退火全程由高纯氮气氛围保护，退火完成后关闭管式退火炉加热档开始自然降温，保持温度监控和高纯氮气氛围保护，降至室温时取出衬底，得到磷掺杂的硅纳米晶薄膜。

图3为硅纳米晶合成后磷掺杂膜面朝下退火光致发光谱，与未掺杂磷的硅纳米晶的发光强度进行比较，掺杂磷后的硅纳米晶的发光强度明显增强，原因是在退火过程中，磷升华后进入硅纳米晶，与硅纳米晶发生作用，增强硅纳米晶的发光。

图4为硅纳米晶合成后磷掺杂膜面朝下退火XRD图，从图中可知，上述方法成功的制备出了硅纳米晶。

由图1和图3可知，通过实施例1制得的磷掺杂的硅纳米晶薄膜的发光强度优于通过实施例2制得的磷掺杂的硅纳米晶薄膜的发光强度，即在硅纳米晶合成中掺杂磷原子比在硅纳米晶合成后掺杂磷原子起到的增强发光强度的效果更好。

对比例1

一种磷掺杂增强硅纳米晶发光强度的方法，主要由以下步骤组成：

(1)衬底清洗和放置：选取尺寸为2*2*0.5mm

(2)镀膜材料的安置：将镀膜用SiO粉末和硅锭放置于清洗后的钨舟和钼坩埚中并平整化，将钨舟和钼坩埚夹紧于热蒸镀系统的正负接线柱，关闭蒸镀挡板确保样品与蒸镀材料在降低系统真空度过程中洁净。SiO蒸镀速率保持在

(3)SiO/Si多层薄膜蒸镀过程：让衬底以10～50rpm的转速内旋转，封闭镀膜机真空室的腔门并抽真空，当蒸镀腔内气压低于5×10

(4)热退火相分离：蒸镀完成后取出衬底，得到SiO/Si多层薄膜，将其置于1000～1200℃的石英管式退火炉中保持55～65min的持续退火，退火全程由高纯氮气(纯度大于99.999％，气体流速为200～240sccm)氛围保护，退火完成后关闭石英管式退火炉加热档开始自然降温，保持温度监控和高纯氮气氛围保护，衬底于炉内降温至480～520℃后移至石英管口加速冷却10min至室温，得到镶嵌在SiO

(5)磷掺杂的硅纳米晶制备过程：用移液枪取30ul浓度为0.1mg/ml的磷量子点溶液滴涂到硅纳米晶薄膜表面(磷量子点溶液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮)，放入真空干燥箱中以80～120℃烘烤30～60min除去溶剂，随后放入300℃的管式退火炉中镀膜面朝上保持55～65min的持续退火，退火全程由高纯氮气氛围保护，退火完成后关闭管式退火炉加热档开始自然降温，保持温度监控和高纯氮气氛围保护，降至室温时取出衬底，得到磷掺杂的硅纳米晶薄膜。

对比例1与实施例2的不同点在于：在最后的磷掺杂的硅纳米晶制备过程，一个为放入300℃的管式退火炉中镀膜面朝上保持55～65min的持续退火；另一个为放入300℃的管式退火炉中镀膜面朝下保持55～65min的持续退火。

图5为硅纳米晶合成后磷掺杂膜面朝上退火光致发光谱，与未掺杂磷的硅纳米晶的发光强度进行对比，发光强度没有增强，因为膜面朝上退火的过程中，磷量子点升华后没有进入到硅纳米晶中。

图6为硅纳米晶合成后磷掺杂膜面朝上退火XRD图，从图中能看出，上述方法成功的制备出了硅纳米晶。