離子注入SOI及SOI基準三維光子晶體的研究.pdf

1、SOI(silicon-on-insulator)是在體硅材料與硅集成電路巨大成功的基礎上出現(xiàn)的一種新型材料，是一種具有獨特優(yōu)勢、能突破體硅材料與硅集成電路限制的新技術。SOI材料具有高速、低壓、低功耗、耐高溫等優(yōu)點，是解決超大規(guī)模集成電路功耗危機的關鍵技術。集SOI技術、微電子技術和功率電子技術于一體的SOI功率集成電路，在顯示驅動、電源管理、汽車電子、武器裝備和航空航天等領域有著極為廣泛的應用前景。SOI技術被稱為“二十一世紀的硅集

2、成電路技術”。
　　 光子晶體是近二十年來發(fā)展起來的一個新興領域，它為有效的控制光的傳播以及光通信展示了廣闊的應用前景。利用光子晶體可以實現(xiàn)新型的集成光學系統(tǒng)，它具有超小型化、高集成度等優(yōu)點，為集成光學的未來發(fā)展和應用帶來了新的希望。準三維平板光子晶體是未來實現(xiàn)超小型化平面光子回路的平臺。對近紅外和可見光波段的準三維平板光子晶體的研究，已越來越受到人們的重視。隨著現(xiàn)代微加工技術的發(fā)展和提高，人們對準三維平板光子晶體的研究已經(jīng)從最

3、初的注重理論研究轉移到光子晶體器件的設計和制備上來。
　　 離子注入是制作半導體器件和集成電路的重要工藝之一。離子注入技術作為一種重要的材料改性手段，由于具有可控性好、對材料的選擇性好及注入溫度可調等優(yōu)點，在摻雜、絕緣隔離層的形成、超晶格界面等方面的特殊用途，已經(jīng)被廣泛應用于半導體、絕緣體和金屬等各個領域以及許多器件制造工藝中。尤其是在半導體工藝中的應用，使集成電路的生產(chǎn)進入了超大規(guī)模集成電路的新時代。
　　 本論文的主

4、要工作是利用盧瑟福背散射/溝道(RBS/C)技術研究稀土族元素Er、Nd和Yb等稀土離子注入SOI的射程分布和離子注入引起的晶體損傷及其退火行為以及Er離子注入SOI的光致發(fā)光特性，還對SOI基準三維平板光子晶體的帶隙和波導傳輸特性進行了研究。
　　 我們利用盧瑟福背散射(RBS)技術研究了不同能量、不同劑量的Er、Nd和Yb等稀土離子注入SOI的射程分布。用表面能量近似法計算出平均投影射程Rp和射程離散⊿Rp的實驗值和基于Mo

5、nte-Karlo的SRIM(theStopping and Range of Ions in Matter)2010軟件得到的理論值進行了比較，結果表明實驗得到的平均投影射程與SRIM2010計算的理論值較好的符合，但平均投影射程離散的實驗測量結果和SRIM2010計算的理論值相差較大。我們分析認為，SRIM計算程序能較好地模擬稀土離子注入SOI晶體的投影射程分布，但模擬射程離散時偏差大一些。由于離子注入過程中的輻射增強擴散以及離子在

6、貫穿靶材料時的電荷態(tài)起伏可能增大射程分布的寬度，而SRIM程序沒有考慮這兩種效應，這一偏差可能是由離子注入過程中輻射增強擴散和電荷態(tài)起伏造成的。
　　 根據(jù)Seijiro Furukawa等人提出的實驗原理，我們利用RBS技術研究了Er、Nd等稀土離子以不同傾角注入SOI的投影射程離散，由此計算出了Er、Nd等稀土離子注入SOI的橫向離散。計算出的實驗值和SRIM2010得到的理論值進行了比較，實驗測出的橫向射程離散值與SRIM

7、2010模擬計算的理論值符合較好。
　　 我們利用盧瑟福背散射/溝道(RBS/C)技術，研究了不同能量、不同劑量的Er離子注入SOI在表面Si晶體中產(chǎn)生的損傷分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，離子注入劑量的不同主要影響晶格損傷的程度，注入劑量越大，晶格損傷越嚴重，而對晶格損傷的范圍影響較小;而離子注入能量的不同對晶格損傷的程度和晶格損傷的范圍都產(chǎn)生直接影響。
　　 我們利用RBS/C技術研究了Er離子注入SOI的退火行為。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)

8、過900℃的N2氣氛中退火后，Er離子注入的SOI樣品中的晶格損傷都得到了較好的恢復，同時產(chǎn)生了大量Er原子向SOI表面的偏析。還發(fā)現(xiàn)由于Er的高化學、物理活性和Er對O的親和性，造成了SOI中SiO2層的O元素向Er所處位置遷移，而遷移的O原子又阻止了部分Er原子向SOI表面的偏析。根據(jù)這一現(xiàn)象，我們把Er和O離子共注入到SOI中，利用RBS/C技術研究其退火行為，實驗結果表明，高溫退火產(chǎn)生的大量Er原子向SOI表面外溢出的現(xiàn)象得到了

9、抑制。我們還把Er離子注入SOI的樣品先后在O2和N2氣氛中進行了退火，同樣抑制了高溫退火產(chǎn)生的大量Er原子向SOI表面外溢出的現(xiàn)象。
　　 我們對高溫退火后的Er和O離子共注入的SOI樣品進行了光致發(fā)光測量，測到了低溫下的三價Er離子在波長為1.54μm的4f-4f特征發(fā)光，但溫度淬滅效應明顯，溫度為100 K時，光致發(fā)光已經(jīng)非常微弱，室溫下已經(jīng)測不到發(fā)光了。對先后在O2和N2氣氛中高溫退火的SOI樣品的光致發(fā)光測量發(fā)現(xiàn)，在近

10、紅外波段（810 nm-925 nm）出現(xiàn)了高光強的連續(xù)發(fā)光譜，且溫度淬滅效應減弱，室溫下仍然有較強的發(fā)光。
　　 我們利用光學曝光和電子束曝光光刻技術結合高密度等離子體(ICP)刻蝕技術制備了SOI基準三維平板光子晶體和W1、W3波導，搭建了光子晶體透射譜測量系統(tǒng)，并對SOI基準三維平板光子晶體和W1、W3波導的透射譜進行了實驗測量，測量結果和3D-FDTD理論計算模擬的結果進行了比較。為將來制作實用性光子晶體器件提供了實驗基