不同注入及退火条件下硅自离子注入SOI材料的发光特性与机理

发布时间：2020-03-22 10:16

【摘要】：光电子-微电子集成是目前半导体行业研究的一个重点方向,然而Si的间接带隙性质使得其辐射复合效率低下,极大地限制了 Si在光电产业方面的应用。离子注入由其工艺成熟,产生的缺陷种类繁多,缺陷发光稳定等原因逐渐成为改善Si发光性能的主要研究方法。Si自离子注入硅基材料不会引入异种离子,只产生缺陷发光中心(填隙或空位团簇),易于调控。绝缘层上氧化硅(Silicon on Insulator,SOI)材料由于其独特的结构以及优异的电学特性,在半导体行业备受青睐。因此,向SOI材料引入缺陷发光中心,实现芯片内光互连,并匹配现有CMOS生产工艺,对于未来半导体行业发展将带来巨大的促进。本论文通过不同离子注入方案设计,控制后退火工艺参数,对自离子注入SOI发光材料的发光特性及机理进行了讨论和研究,确认了从可见波段至红外波段一些发光峰的起源,并比较确认了不同温度下发光行为变化的原因,阐明了不同剂量注入SOI材料填隙缺陷的演变机理。论文主要内容如下:1.Si自离子注入SOI基片发光性能及机理探究研究了 130 KeV注入能量的Si自离子注入SOI基片配合退火工艺得到光致发光(Photoluminescence,PL)图谱。讨论了自离子注入SOI试样中W线的发光行为的变化。I1和 I2峰相近的PL谱变化趋势和相同的温度与强度相关性变化规律表明,这两个峰的发光中心源自相同的填隙团簇。而在可见光波段,位于1.762 eV附近的峰可被归结为硅纳米晶发光。通过ESR分析知,2.123 eV的P2峰发光起源是弱氧键中心,而2.174 eV的则是由于中性氧空位中心和E'中心共同作用下形成的发光。2.能量递减多次Si自离子注入SOI材料顶层硅的发光现象探究利用多次能量递减向SOI材料中注入Si离子,再经不同参数后退火过程,得到了红外波段丰富的发光峰。单次能量注入SOI试样中的填隙离子在退火过程中的扩散不发生填隙离子层间的交叠,能够获得较多种类的发光中心。而多次能量注入试样在较高退火温度下由于不同的注入层之间填隙离子扩散交叠,得到了更大密度的缺陷,在“扩散-熟化”机制下,这些缺陷聚集形成分布平均但尺寸较大的填隙团簇,并且由于量子尺寸效应,发光峰位向红外方向移动。
【图文】：

曲线,注入能量,剂量,试样

第一章绪论逡逑１．４．２填隙原子团簇发光逡逑从图１中可以观察到，位于光致发光图谱１２１８邋ｎｍ出的是Ｗ线，基于多年的逡逑实验研究结果，研宄人员们发现无论是在不同元素离子注入或是电子辐照Ｓｉ试样逡逑中都会出现Ｗ线［２５］。因此，一些报道称Ｗ线源于初级级联损伤中的扩散点缺陷，逡逑在热退火处理后，这些点缺陷聚集成为填隙团簇［２６＿３Ｇ］。通过第一性原理局域密度逡逑泛函计算，Ｂ．Ｊ．邋Ｃｏｏｍｅｒ等发现Ｗ线可能起源于三填隙原子团簇［３１＿３３］。逡逑＾邋Ｄｏｓｅ：邋３ｘ１０１３邋ｃｍ－２逦Ｄ１逡逑ＧＯ逡逑日邋逦逦逦逦——一0Ｃ逡逑＾逦ｎｒ逡逑Ｘ）逦逦逦逦逦逡逑运邋逦逦一厂逦＾—逦逦邋７００邋０Ｃ逡逑含逦Ｗ逡逑Ｉ逡逑ｇ邋逦逦邋Ｗ逦—３００邋°Ｃ逡逑？二逡逑ａｓ逡逑？逦蠢逦＝逦Yn逦？逦Ｉ逦■逦Ｉ逦■值逦？逦ｉ逡逑１１００逦１２００逦１３００逦１４００逦１５００逦１６００逦１７００逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（ｎｍ）逡逑图１－２注入能量３００邋ＫｅＶ的Ｓｉ试样在３００－９００邋°Ｃ保温３０邋ｍｉｎ退火的ＰＬ谱，Ｓｒｆｔ入剂量为逡逑３ｘｌ0ｉ５ｃｍ－２，底部的曲线是未退火试样ＰＬ谱，记录温度７Ｋ逡逑然而Ｍ．邋Ｎａｋａｍｕｒａ等使用电子福照Ｓｉ试样的ＰＬ计算结果得出，，［１１１］晶面分逡逑裂单填隙原子和［１１１］晶面分裂三重态双填隙原子可能才是Ｗ线的起源［２９］。并且

缺陷,填隙,位错环,光致发光谱

１．４．３棒状缺陷发光中心逡逑Ｒ发光带处于离子注入娃基材料光致发光光谱１３７６邋ｎｍ处，其发光中心是［１］１］逡逑棒状缺陷及［３１１］延展缺陷，如图１－３所示。Ｓ．邋Ｌｉｂｅｒｔｉｎｏ等发现从点缺陷到填隙团逡逑簇再到［３１１］缺陷，其聚集过程并不是简单的按照奥斯瓦尔德熟化机制进行的［４６］。逡逑低ｈ下（３００－５００邋°Ｃ）引起填隙点缺陷的形成，中ｈ下（５５０－６５０邋°Ｃ）产生填隙团逡逑簇，高Ｘ４邋（６００邋°Ｃ）下将引发填隙团簇向［３１１］延展缺陷的转变，并且，只有在注入逡逑剂量大于ｌｘｌ0Ｂｃｍ』以及乃高于６００°Ｃ的时候Ｒ线才会出现ｔ４７ｌ通过深能级瞬逡逑态谱（ＤＬＴＳ）的测试，Ｊ．Ｐ．邋Ｇｏｓｓ等发现［３１１］缺陷的产生也遵循此规则［４８］，认为［３１１］逡逑８逡逑
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;O613.72

【参考文献】