離子注入法制備富硅氧化硅薄膜的發(fā)光特性研究.pdf

1、由于晶體Si的帶間躍遷發(fā)光效率比GaAs等化合物半導(dǎo)體低3-5個(gè)數(shù)量級(jí),無(wú)法滿足光電子器件的需要,完全的硅基光電子集成網(wǎng)絡(luò)也一直未能面市。將富余的硅元素?fù)诫s進(jìn)SiO2基體中可以引入不同特性的發(fā)光中心,從而獲得多種光譜范圍的高效發(fā)光。離子注入熱氧化硅層和超大規(guī)模集成電路(ULSI)的半導(dǎo)體工藝完全兼容,并可精確控制注入離子的分布、濃度和摻雜層厚度,是實(shí)現(xiàn)高效硅基發(fā)光的有效途徑。
　　 通過(guò)干、濕兩種熱氧化法在單晶硅表面制備了兩組熱

2、氧化硅薄膜樣品；采用金屬蒸氣真空弧(MEVVA)離子源將不同注入劑量(2×1016、4×1016、6×1016、8×1026和1×1017／cm2)和能量(28、42、56和70keV)的Si離子注入干、濕熱氧化硅基體,制得三組SiO2:Si注入層,標(biāo)記為樣品組G1～G3；分別在低溫(200～500℃)、高溫(800～1100℃)及不同的退火時(shí)間(1～4h)條件下對(duì)SiO2:Si注入層進(jìn)行退火,制得了三組退火態(tài)富硅氧化硅樣品。
　

3、　 TRIM程序的模擬結(jié)果表明:隨著注入能量的增加,SiO2:Si注入層的厚度、移位原子總數(shù)均隨之增大；不同注入劑量的SiO2:Si注入層具有不同的平均化學(xué)配比。FTIR譜表明濕氧化硅層內(nèi)Si-H鍵和羥基(O-H鍵)的含量比干氧化硅層高,SiO2:Si注入層的Si-H振動(dòng)模和羥基含量較原始熱氧化硅層顯著提高。XRD譜表明SiO2:Si注入層為非晶結(jié)構(gòu),并在高溫退火態(tài)的注入層中檢測(cè)到少量硅晶體析出相；Raman譜證實(shí)了高溫退火態(tài)注入層中

4、硅晶相的存在。XPS譜表明樣品的主要成分是Si元素和O元素,并在樣品表面檢測(cè)到缺氧和富氧兩種結(jié)構(gòu)。
　　 各組注入態(tài)樣品的室溫可見(jiàn)光致發(fā)光(PL)譜表明,發(fā)光峰位集中在560～700nm的四個(gè)譜帶。不同注入劑量的SiO2:Si注入層的PL譜線積分強(qiáng)度隨注入劑量的增加有先增加后減小的趨勢(shì),這種趨勢(shì)可以用注入層內(nèi)總原子位移數(shù)的增加和濃度猝滅效應(yīng)解釋。不同注入能量的干SiO2:Si注入層的PL譜積分強(qiáng)度隨注入能量增加而增大,濕SiO2

5、:Si注入層則有先增加后減小的趨勢(shì)。干注入層的變化趨勢(shì)與移位原子總數(shù)隨注入能量的變化趨勢(shì)一致。低溫退火后位于560～600nm和650～700nm的兩個(gè)PL子譜帶出現(xiàn)不同的溫度變化趨勢(shì),變化趨勢(shì)的差異應(yīng)歸因于不同類(lèi)型缺陷發(fā)光中心熱誘導(dǎo)機(jī)制的差別。不同溫度高溫退火后的樣品發(fā)光強(qiáng)度顯著下降,并未檢測(cè)到源于納米硅晶的發(fā)光峰位,表明經(jīng)退火后缺陷中心已被鈍化。不同時(shí)間高溫退火的樣品發(fā)現(xiàn)了明顯的納米硅發(fā)光峰位,表明大劑量、高能量的Si離子注入以及氫

6、氣氛二次退火是納米硅形核的必要條件。
　　 綜合以往文獻(xiàn)的討論以及XPS譜的測(cè)試結(jié)果,樣品560～600nm發(fā)光中心起源于氧化硅層中的過(guò)氧缺陷SPR(small peroxy radicle),620～700nm的譜峰均源自非橋氧空穴中心(non bridge oxygen hole centre NBOHC)。各樣品發(fā)光強(qiáng)度的相互關(guān)系及其隨注入?yún)?shù)的變化與離子注入的電離效應(yīng)和形成缺陷的擴(kuò)散限制機(jī)制有關(guān)。缺陷中心SPR和NBOH