發(fā)布時間：2018-05-05 05:28

  本文選題：離子注入 + 硅離子��； 參考：《南昌大學》2011年碩士論文

【摘要】：由于晶體Si的帶間躍遷發(fā)光效率比GaAs等化合物半導體低3-5個數(shù)量級,無法滿足光電子器件的需要,完全的硅基光電子集成網(wǎng)絡也一直未能面市。將富余的硅元素摻雜進Si02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,是實現(xiàn)高效硅基發(fā)光的有效途徑。 通過干、濕兩種熱氧化法在單晶硅表面制備了兩組熱氧化硅薄膜樣品；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、8×1016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℃)及不同的退火時間(1-4h)條件下對SiO2:Si注入層進行退火,制得了三組退火態(tài)富硅氧化硅樣品。 TRIM程序的模擬結果表明：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注入層為非晶結構,并在高溫退火態(tài)的注入層中檢測到少量硅晶體析出相；Raman譜證實了高溫退火態(tài)注入層中硅晶相的存在。XPS譜表明樣品的主要成分是Si元素和O元素,并在樣品表面檢測到缺氧和富氧兩種結構。 各組注入態(tài)樣品的室溫可見光致發(fā)光(PL)譜表明,發(fā)光峰位集中在560-700nm的四個譜帶。不同注入劑量的SiO2：Si注入層的PL譜線積分強度隨注入劑量的增加有先增加后減小的趨勢,這種趨勢可以用注入層內(nèi)總原子位移數(shù)的增加和濃度猝滅效應解釋。不同注入能量的干SiO2：Si注入層的PL譜積分強度隨注入能量增加而增大,濕SiO2：Si注入層則有先增加后減小的趨勢。干注入層的變化趨勢與移位原子總數(shù)隨注入能量的變化趨勢一致。低溫退火后位于560～600nm和650～700nm的兩個PL子譜帶出現(xiàn)不同的溫度變化趨勢,變化趨勢的差異應歸因于不同類型缺陷發(fā)光中心熱誘導機制的差別。不同溫度高溫退火后的樣品發(fā)光強度顯著下降,并未檢測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離子注入以及氫氣氛二次退火是納米硅形核的必要條件。 綜合以往文獻的討論以及XPS譜的測試結果,樣品560～600nm發(fā)光中心起源于氧化硅層中的過氧缺陷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)光強度的相互關系及其隨注入?yún)?shù)的變化與離子注入的電離效應和形成缺陷的擴散限制機制有關。缺陷中心SPR和NBOHC在低溫、高溫范圍內(nèi)具有不同的退火特性,隨著退火溫度的升高,SPR的數(shù)量顯著下降,最終穩(wěn)定在一定濃度無法完全鈍化；NBOHC的發(fā)光強度經(jīng)歷了一個先增加后減小的過程,在1100℃的高溫退火后完全失去發(fā)光活性。
[Abstract]:The interband luminescence efficiency of the crystal Si is 3-5 orders of magnitude lower than that of GaAs and other compounds, which can not meet the needs of the optoelectronic devices. The complete silicon based optoelectronic integrated network has been unable to face the market. It can be introduced into the Si02 matrix by the addition of the rich silicon elements into the luminescent centers of different properties, thus obtaining a variety of spectral ranges. High efficiency luminescence. The ion implantation thermal oxidation silicon layer and the ultra large scale integrated circuit (ULSI) are completely compatible, and can accurately control the distribution of the implanted ions. The concentration and thickness of the doped layer are an effective way to realize high efficiency silicon based luminescence.
Two groups of thermally oxidized silicon thin films were prepared on the surface of monocrystalline silicon by two kinds of hot oxidation methods. By using metal vapor vacuum arc (MEVVA) ion source, different injection doses (2 x 1016,4 x 1016,8 x 1016 and 1 x 1017/cm2) and energy (28,42,56 and 70keV) Si ions were injected into the dry, and the silicon substrate was oxidized by wet heat, and the three groups of SiO2:Si injection were obtained. The layer, marked as sample group G1-G3, annealed at the SiO2:Si injection layer at low temperature (200-500 C), high temperature (800-1100 C) and different annealing time (1-4h), and obtained three groups of annealed silicon rich silicon oxide samples.
The simulation results of the TRIM program show that with the increase of the injection energy, the thickness of the SiO2:Si injection layer and the total number of displaced atoms increase, and the.FTIR spectra of the SiO2:Si injection layer with different injection doses show that the content of the Si-H and the hydroxyl (O-H key) in the wet silica layer is higher than that of the dry silicon oxide layer and the SiO2:Si injection layer. The.XRD spectrum of the Si-H vibration mode and hydroxyl content is significantly higher than that of the original thermal oxidation silicon layer, indicating that the SiO2:Si injection layer is amorphous structure, and a small amount of silicon crystal is detected in the implanted layer at high temperature. The Raman spectrum confirms that the existence of.XPS spectra of silicon crystal in the high temperature annealed injection layer shows that the main component of the sample is the Si element and the O element. The two structures of hypoxia and oxygen enriched were detected on the surface of the sample.
The room temperature photoluminescence (PL) spectra of the injected samples in each group show that the luminescence peak is concentrated in the four bands of 560-700nm. The PL line integral strength of the SiO2:Si injection layer with different injection doses increases first and then decreases with the increase of the injection dose. This trend can be used to increase the total atomic displacement in the injected layer and the concentration of the concentration. The PL spectral integration strength of the dry SiO2:Si injection layer with different injection energy increases with the injection energy, and the wet SiO2:Si injection layer increases first and then decreases. The change trend of the dry injection layer and the total number of displaced atoms coincide with the changing trend of the injected energy. After low temperature annealing, it is located at 560 to 600nm and 650 to 700nm. The variation trend of the two PL subspectral bands is different. The difference in the change trend should be attributed to the difference in the thermal induction mechanism of the luminescent centers of different types of defects. The luminescence intensity of the samples after the annealing at different temperatures is significantly decreased, and the luminescence peak of the nanocrystalline crystals is not detected, indicating that the center of the defect has been passivated after annealing. The samples of high temperature annealed at high temperature have found obvious luminescence peaks of nanosilicon, indicating that high dose, high energy Si ion implantation and two annealing of hydrogen atmosphere are necessary conditions for nano silicon nucleation.
Through the discussion of previous literature and the test results of XPS spectrum, the 560 ~ 600nm luminescence center of the sample originates from the peroxy defect SPR (small peroxy radicle) in the silicon oxide layer. The peaks of 620-700nm are derived from the non bridged oxygen cavity center (non bridge oxygen hole centre). The correlation of all kinds of luminescent intensity and the variation with the injection parameters The ionization effect of ion implantation is related to the diffusion restriction mechanism for the formation of defects. The defect centers SPR and NBOHC have different annealing characteristics at low temperature and high temperature. With the increase of annealing temperature, the number of SPR decreases significantly, and the stability can not be completely obtuse at a certain concentration; the luminescence intensity of NBOHC has experienced an increase first. The later reduction process completely loses its luminous activity at high temperature after annealing at 1100.

【學位授予單位】：南昌大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：O484.41

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