電子束誘生硅中位錯(cuò)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?yàn)槲㈦娮悠骷峁┐髱挼墓饣ミB，還可以降低光電子器件的制造成本，從而成為國(guó)際上半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。但是，與集成電路制造工藝兼容的硅基光源一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，是制約硅基光電子發(fā)展的首要問(wèn)題。而硅中缺陷發(fā)光，尤其是基于硅中位錯(cuò)在紅外波段的發(fā)光，已經(jīng)成為實(shí)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(yùn)用了電子束輻照的方法，在硅晶體中

2、誘生可控位錯(cuò)，系統(tǒng)研究了其生成機(jī)理及其物理結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)還對(duì)不同硅晶體（直拉單晶硅、區(qū)熔單晶硅和鑄造準(zhǔn)單晶硅）等樣品中的誘生位錯(cuò)的光致發(fā)光及相應(yīng)器件的電致發(fā)光性能進(jìn)行了詳細(xì)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(cuò)的方法，位錯(cuò)密度可達(dá)107Cm-2量級(jí)。該方法具有良好的可控性，通過(guò)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(cuò)。研究指出，其顯微結(jié)構(gòu)為碎片化、局域化的位錯(cuò)結(jié)構(gòu);隨

3、著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，宏觀和微觀的應(yīng)變均會(huì)增大，使得位錯(cuò)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(rèn)為，電子束輻照所帶來(lái)熱應(yīng)力所引起的硅晶格膨脹收縮是誘生位錯(cuò)的主要原因。電子束誘生位錯(cuò)的方法是一種新型的硅中引入位錯(cuò)的工具，為硅中缺陷研究提供了新方法，也為硅基位錯(cuò)提供了新的技術(shù)途徑。
　　(2)通過(guò)調(diào)節(jié)溫度與退火時(shí)間，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1050℃12h單步高溫長(zhǎng)時(shí)間熱處理可以得到較好的電子束輻照硅中的位錯(cuò)發(fā)光，成功地增強(qiáng)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(dòng)現(xiàn)象，說(shuō)明D1發(fā)光中心存在重構(gòu)現(xiàn)象。研究表明，硅中點(diǎn)缺陷在高溫長(zhǎng)時(shí)間熱處理中參與了位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，從而形成了復(fù)雜的位錯(cuò)-點(diǎn)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(cuò)光致發(fā)光對(duì)比，對(duì)

5、硅中位錯(cuò)發(fā)光譜線中的0.78eV峰來(lái)源做了系統(tǒng)深入的研究。其激活能為～13meV，遠(yuǎn)小于D1/D2峰的激活能。0.78eV峰獨(dú)特的強(qiáng)度-溫度衰減規(guī)律，說(shuō)明它與D1/D2峰的來(lái)源是不同的。分析表明，0.78eV發(fā)光中心與硅中氧原子團(tuán)簇，不論是熱施主亦或是氧沉淀均沒(méi)有關(guān)系。研究推測(cè)，該峰源自特定的經(jīng)重構(gòu)的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)容易受點(diǎn)缺陷和溫度的影響。
　　(4)通過(guò)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(cuò)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(shí)，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(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)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(huì)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(cuò)引入的能級(jí)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(guò)在鑄造準(zhǔn)單晶中運(yùn)用電子束輻照的方法引入誘生位錯(cuò)，分別研究了鑄造準(zhǔn)單晶的原生位錯(cuò)、誘生位錯(cuò)、原生位錯(cuò)與誘生位錯(cuò)共存光致發(fā)光譜。研究發(fā)現(xiàn):同一片準(zhǔn)單晶上原生位錯(cuò)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(cuò)同樣存在硅中位錯(cuò)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(zhǎng)時(shí)間熱處理后，D1與D2合為大峰包，出現(xiàn)峰位先藍(lán)移后紅移的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵跍?zhǔn)單晶中，原生位錯(cuò)、輻照位錯(cuò)與雜質(zhì)和點(diǎn)缺陷存在復(fù)雜反應(yīng)，對(duì)D1發(fā)