硅离子自注入改性硅薄膜发光材料的理论和实验研究

硅不仅是微电子技术的芯片材料，还具有储量丰富、成本低廉的优越性。但它是间接带隙，其发光效率较化合物半导体低二至三个数量级。本课题针对各类缺陷对硅发光影响进行理论研究的基础上，实验上采用缺陷工程，通过硅离子自注入及退火改性工艺，人为在硅中引入缺陷作为发光中心，探索高效率的近室温硅发光材料，获得优化的工艺条件。对实现硅的光电子集成具有极其重要的应用价值。

近年来Si缺陷的发光性能取得了突破，使Si材料研究重新成为热点。本课题工作中，理论上采用第一性原理及Monte Carlo方法模拟计算了离子注入后基片中Si+的分布情况、位错数量和分布、以及自填隙缺陷对Si电子结构和光学性质的影响。实验上结合离子注入和热退火改性等工艺制备出了相应性能的Si材料，采用AFM、PL等表征了缺陷Si材料的光学性能，研究了退火温度、注入剂量、测试温度以及刻蚀厚度对样品光学性能的影响，获得了缺陷Si材料发光的较佳工艺条件。课题期间共发表论文22篇；培养研究生12名；获得专利2项，申请专利1项。主要研究成果是：.理论计算得出注入能量为300 keV时离子射程、Si+分布在基片中深度范围和分布剖面及Si+传递给晶格原子的能量。计算表面：只存在间隙原子缺陷时，Si的费米能级进入导带，间隙原子掺入后形成杂质能级，电子可能以较小的光子能量从价带跃迁导带。 .实验工作发现了Si片中发光缺陷的热力学演变过程： W线缺陷的退火温度 ~ 300ºC；S系列和R缺陷分别在500-650 ºC以及700-750ºC的退火温度范围内存在；退火温度高于800 ºC时均能观察到D1缺陷强发光行为。我们优化出分别对应于D1、W、R线缺陷发光的最佳注入剂量和退火热力学条件。借助反应离子束刻蚀技术，获得了主要发光缺陷所处的深度位置：W、R和D1发光缺陷分别处于表面以下800-1200 nm、700 nm以及200-400nm的深度范围。此外测试计算得出W、D1和R缺陷的激子束缚能，与D1线(~1.55 μm)发光能够在近室温附近(280 K)被观测到相吻合，这为室温光纤通讯波段Si材料新型发光器件的研制奠定了基础。对样品进行650ºC和750ºC退火3min的热处理，发现了一系列尚未报道的缺陷发光峰，并初步指派了这些发光峰的起源。对Ge+和C+注入SiO2材料的发光研究表明：其中在C+注入SiO2薄膜中的335 nm附近用光致发光和激发光谱技术证实了一个新的紫外发光峰，该发光结构被指认为SiO2薄膜中的氧空位缺陷导致。.在SOI衬底上研制了基于D1线(1.55 μm)发光原理器件，器件结构设计为p-i-n型，其中Si+注入层是器件有源层。并对200-500ºC温度范围退火3min的样品进行发光实验发现：275ºC和7×1012 cm-2是较佳的退火温度和注入剂量。