電子束誘生硅中位錯的發(fā)光性質(zhì)及其物理結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、硅作為最重要的半導(dǎo)體材料被廣泛地用于微電子器件的制造，而基于硅集成電路工藝的硅基光電子，不僅能夠為微電子器件提供大帶寬的光互連，還可以降低光電子器件的制造成本，從而成為國際上半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的熱點之一。但是，與集成電路制造工藝兼容的硅基光源一直沒有實現(xiàn)，是制約硅基光電子發(fā)展的首要問題。而硅中缺陷發(fā)光，尤其是基于硅中位錯在紅外波段的發(fā)光，已經(jīng)成為實現(xiàn)硅基光源的重要路徑之一。
　　本文創(chuàng)新地提出并成功地運用了電子束輻照的方法，在硅晶體中

2、誘生可控位錯，系統(tǒng)研究了其生成機理及其物理結(jié)構(gòu)性能，同時還對不同硅晶體（直拉單晶硅、區(qū)熔單晶硅和鑄造準單晶硅）等樣品中的誘生位錯的光致發(fā)光及相應(yīng)器件的電致發(fā)光性能進行了詳細研究，取得了如下主要的創(chuàng)新結(jié)果:
　　(1)提出電子束輻照在硅片上引入可控位錯的方法，位錯密度可達107Cm-2量級。該方法具有良好的可控性，通過控制電子束照射位置與角度，可以選擇性地在硅片特定區(qū)域局域產(chǎn)生位錯。研究指出，其顯微結(jié)構(gòu)為碎片化、局域化的位錯結(jié)構(gòu);隨

3、著輻照時間的延長，宏觀和微觀的應(yīng)變均會增大，使得位錯與其他缺陷相互反應(yīng)形成了較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。研究認為，電子束輻照所帶來熱應(yīng)力所引起的硅晶格膨脹收縮是誘生位錯的主要原因。電子束誘生位錯的方法是一種新型的硅中引入位錯的工具，為硅中缺陷研究提供了新方法，也為硅基位錯提供了新的技術(shù)途徑。
　　(2)通過調(diào)節(jié)溫度與退火時間，實驗發(fā)現(xiàn)，1050℃12h單步高溫長時間熱處理可以得到較好的電子束輻照硅中的位錯發(fā)光，成功地增強并穩(wěn)定了D1發(fā)光中心，

4、大幅度提高了其淬滅溫度，獲得了室溫D1發(fā)光。研究指出，D1發(fā)光中心的激活能在熱處理前后幾乎一致，為～86meV;另外，光致發(fā)光譜中的D1峰在170K-210K溫度區(qū)間存在峰位反常移動現(xiàn)象，說明D1發(fā)光中心存在重構(gòu)現(xiàn)象。研究表明，硅中點缺陷在高溫長時間熱處理中參與了位錯結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，從而形成了復(fù)雜的位錯-點缺陷結(jié)構(gòu);而經(jīng)重構(gòu)的D1發(fā)光中心，能夠大幅提高并穩(wěn)定室溫的D1發(fā)光。
　　(3)利用區(qū)熔單晶硅和直拉單晶硅誘生位錯光致發(fā)光對比，對

5、硅中位錯發(fā)光譜線中的0.78eV峰來源做了系統(tǒng)深入的研究。其激活能為～13meV，遠小于D1/D2峰的激活能。0.78eV峰獨特的強度-溫度衰減規(guī)律，說明它與D1/D2峰的來源是不同的。分析表明，0.78eV發(fā)光中心與硅中氧原子團簇，不論是熱施主亦或是氧沉淀均沒有關(guān)系。研究推測，該峰源自特定的經(jīng)重構(gòu)的位錯結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)容易受點缺陷和溫度的影響。
　　(4)通過電子束輻照硅晶體制備的硅基發(fā)光二極管，系統(tǒng)研究了電子束誘生位錯在低溫和室

6、溫變功率、變溫度的電致發(fā)光譜，成功獲得了1.6μm處的D1室溫電致發(fā)光。研究表明，在15K時，D1發(fā)光中心容易被激活，而帶邊峰需要更高的注入水平才能出現(xiàn)，證明帶邊峰與D1峰存在相互競爭的關(guān)系。實驗還發(fā)現(xiàn)，電致發(fā)光譜中D1峰相關(guān)的～0.86eV副峰僅在較大的注入功率下才會產(chǎn)生。變功率的電致發(fā)光譜研究表明，D1中心是由特定的位錯引入的能級所組成。相比較于帶邊輻射復(fù)合，注入的電子和空穴更傾向于優(yōu)先在D1發(fā)光中心附近復(fù)合發(fā)光。
　　(5)

7、通過在鑄造準單晶中運用電子束輻照的方法引入誘生位錯，分別研究了鑄造準單晶的原生位錯、誘生位錯、原生位錯與誘生位錯共存光致發(fā)光譜。研究發(fā)現(xiàn):同一片準單晶上原生位錯分布差異很大，不同區(qū)域光譜性質(zhì)有顯著差別，原生位錯同樣存在硅中位錯發(fā)光的特征的D1～D4峰，D1/D2峰位隨溫度變化性質(zhì)與單晶硅不一致;高溫長時間熱處理后，D1與D2合為大峰包，出現(xiàn)峰位先藍移后紅移的現(xiàn)象，這是因為在準單晶中，原生位錯、輻照位錯與雜質(zhì)和點缺陷存在復(fù)雜反應(yīng)，對D1發(fā)