论文部分内容阅读
晶体硅(c-Si)是当今电子和光伏行业最重要的半导体材料之一,但是由于其间接带隙的特性使得在这种能带结构下电子和空穴要复合发射光子,则必须借助声子的参与,这导致了Si的光发射效率较低。而通过离子注入的方式在Si内部引入光学缺陷,已经获得从通信波段至可见光波段的电致发光(EL)和光致发光(PL),且对其内部发光中心发光机理、分布和发光性能的研究对未来全硅基微电子-光电子产业有着重要的意义。本论文围绕Si+/Ni+复合注入SOI顶层Si薄膜诱导的缺陷PL性能的研究。结合热退火和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺研究了材料发光中心的起源、发光中心浓度分布以及注入剂量和退火温度对其发光性能的影响。论文的主要研究内容和结果如下:1.利用离子注入设备将Si+/Ni+注入SOI基片顶层Si薄膜中,结合快速热退火技术在Si薄膜中引入辐射复合中心,探究了样品从可见波段至近红外波段的光致发光。对不同退火温度、注入剂量、测试温度下表征样品的光致发光光谱。研究了各发光中心形成机制和起源,分析了退火温度、测试温度和注入剂量对样品结晶性和发光性能的影响。在可见光波段发现了中心峰位分别位于2.85和3.03eV处的发光峰,其分别源于样品种中性氧空位缺陷和弱氧键缺陷,并随着退火温度的升高而发生蓝移。在近红外波段观察到了中心峰位位于0.813和0.928eV处的缺陷发光,其分别源于应变区域中所导致的点缺陷和Si基体中链状结构的缺陷,并拥有良好的温度稳定性。2.为了精化电感耦合等离子体(ICP)刻蚀机刻蚀单晶Si片的速度,首先对其刻蚀速度进行标定,再使用ICP刻蚀设备对经离子注入和热退火处理后的样品进行分步刻蚀,然后对分步刻蚀的样品进行光致发光和X射线光电子能谱分析(XPS)等表征测试,研究其光致发光强度与刻蚀深度的依赖关系,从而探究发光中心和注入元素的浓度分布。通过比较分步刻蚀后0.813和0.928 eV处的缺陷发光峰的PL光谱、PL强度与刻蚀深度的依赖性和PL差分光谱,确定了这两个缺陷发光中心在Si薄膜中的浓度分布情况。其中0.813 eV处发光峰的发光中心主要位于50-100nm范围内,而0.928 eV处发光峰的发光中心主要位于50-150 nm范围内,占发光中心总数83.20%。