等离子体处理与高能电子辐照相结合激励Si和GaAs中杂质原子室温扩散

Five years ago, in the study of arrayed Si microhole-based radial p-n junction solar cells（SC） and its resistance to gamma ray irradiation, our research group observed an abnormal phenomenon: in the initial stage of gamma ray irradiation, the power transfer efficiencies of the SCs increased, contrary to decrease as considered generally. In the study of the abnormal phenomenon, we found a novel effect of impurity atoms diffuse at room temperature，and the study on this novel effect is persisted to data. In this project, we plan to study the room diffusion of impurity atoms in Si and GaAs, stimulated by the plasma treatment combined with gamma ray irradiation or MeV electron irradiation, mainly focus on the quantitative rules of diffusion of atoms at room temperature and their physical mechenisms. This project will also study when there is a thin film of SiO2 or graphene on a Si wafer, how the SiO2 or graphene will affect the room temperature atom diffusion; how diffusion of atoms at room temperature can partly replace ion implantation or high temoerature diffusion in introducing beneficial impurities into Si and GaAs. In the literature, we have not found any report about "atoms diffuse at room temperature".

约五年前，我们研究组在Si微空柱阵列径向p-n 结太阳电池（SC）及其抗伽玛射线辐照研究中观测到反常现象：在伽玛射线辐照初期，随伽玛射线剂量增加，SC的功率转换效率不是按通常想象那样下降，反倒上升。在探索此反常现象物理本质的过程中，发现了原子室温扩散新效应，引发了持续至今的研究。本项目拟研究 Si和GaAs 中杂质原子在外激励下室温扩散，外激励指等离子体处理在 Si和GaAs 中引入表面缺陷加上随后的伽玛射线或MeV电子辐照。本项目重点研究外激励下Si和GaAs有代表性原子室温扩散的定量规律和物理机制，理论如何预判何种原子在外激励下室温扩散。还研究：Si片上覆有SiO2薄膜或石墨烯时，SiO2薄膜或石墨烯对原子从外部室温扩散进入Si体内的影响；探索如何以外激励下的原子室温扩散部分地取代离子注入或高温扩散在Si和GaAs中引入有益杂质。本项目具有原始创新，未见国内外有原子室温扩散报导。

杂质对Si和GaAs等半导体功能有重要影响。掺杂在半导体科学和技术中都具有重要意义。半导体掺杂方法之一是高温扩散。扩散是自然界普遍存在的物理现象。对半导体等固体而言，只有在高温，例如500-1500OC，杂质扩散才显著。因此对半导体进行扩散掺杂一般须在高温进行。在执行本项目前，我们团队首次发现：在等离子体激励下，Si中一些杂质在室温下就能显著扩散，因而可以利用等离子体激励室温扩散将这些杂质掺进Si去。.执行本项目后，按照研究计划，在大大扩展了研究的杂质种类，系统深入研究等离子体激励室温扩散的物理规律和机制外，还通过大量实验证实，等离子体激励室温扩散能将多种杂质引入GaAs，GaN和SiC等三种半导体。它们都是当今科学和技术上高度重视的半导体材料。GaAs是第二代半导体的代表，而GaN和SiC是第三代半导体的代表。.研究指出等离子体激励室温扩散掺杂有如下不足，它虽能成功将各种杂质掺入半导体， 但是这些杂质原子绝大部分处于半导体晶格的间隙位置。这些杂质原子不能提供电子或空穴。在那些目的在于掺杂后要求杂质原子提供电子或空穴的掺杂中，等离子体激励室温扩散掺杂后还须继之以高温退火。但是，过高的退火温度和过长的退火时间对半导体特别是对GaAs等化合物半导体材料有严重的负面作用。 研究发现，利用电容等离子体极板上约1000伏特的负电压，半导体样品在扩散的同时经受一个约1000伏特的离子注入，后者可明显降低Si和GaAs在等离子体激励室温扩散掺杂后激活杂质所需的温度和时间。.本项研究不仅发展了半导体掺杂工艺， 而且对目前大量应用的等离子体设备和技术都有影响。例如，我们预计在各种等离子体设备工作时都存在杂质扩散，一些有害杂质就可能沾污在等离子体设备中加工的半导体样品。