《矽離子自注入改性矽薄膜發光材料的理論和實驗研究》是楊宇為項目負責人，雲南大學為依託單位的地區科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：矽離子自注入改性矽薄膜發光材料的理論和實驗研究
- 項目類別：地區科學基金項目
- 項目負責人：楊宇
- 依託單位：雲南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
矽不僅是微電子技術的晶片材料，還具有儲量豐富、成本低廉的優越性。但它是間接帶隙，其發光效率較化合物半導體低二至三個數量級。本課題針對各類缺陷對矽發光影響進行理論研究的基礎上，實驗上採用缺陷工程，通過矽離子自注入及退火改性工藝，人為在矽中引入缺陷作為發光中心，探索高效率的近室溫矽發光材料，獲得最佳化的工藝條件。對實現矽的光電子集成具有極其重要的套用價值。
結題摘要
近年來Si缺陷的發光性能取得了突破，使Si材料研究重新成為熱點。本課題工作中，理論上採用第一性原理及Monte Carlo方法模擬計算了離子注入後基片中Si+的分布情況、位錯數量和分布、以及自填隙缺陷對Si電子結構和光學性質的影響。實驗上結合離子注入和熱退火改性等工藝製備出了相應性能的Si材料，採用AFM、PL等表征了缺陷Si材料的光學性能，研究了退火溫度、注入劑量、測試溫度以及刻蝕厚度對樣品光學性能的影響，獲得了缺陷Si材料發光的較佳工藝條件。課題期間共發表論文22篇；培養研究生12名；獲得專利2項，申請專利1項。主要研究成果是： 理論計算得出注入能量為300 keV時離子射程、Si+分布在基片中深度範圍和分布剖面及Si+傳遞給晶格原子的能量。計算表面：只存在間隙原子缺陷時，Si的費米能級進入導帶，間隙原子摻入後形成雜質能級，電子可能以較小的光子能量從價帶躍遷導帶。 實驗工作發現了Si片中發光缺陷的熱力學演變過程： W線缺陷的退火溫度 ~ 300ºC；S系列和R缺陷分別在500-650 ºC以及700-750ºC的退火溫度範圍記憶體在；退火溫度高於800 ºC時均能觀察到D1缺陷強發光行為。我們最佳化出分別對應於D1、W、R線缺陷發光的最佳注入劑量和退火熱力學條件。藉助反應離子束刻蝕技術，獲得了主要發光缺陷所處的深度位置：W、R和D1發光缺陷分別處於表面以下800-1200 nm、700 nm以及200-400nm的深度範圍。此外測試計算得出W、D1和R缺陷的激子束縛能，與D1線(~1.55 μm)發光能夠在近室溫附近(280 K)被觀測到相吻合，這為室溫光纖通訊波段Si材料新型發光器件的研製奠定了基礎。對樣品進行650ºC和750ºC退火3min的熱處理，發現了一系列尚未報導的缺陷發光峰，並初步指派了這些發光峰的起源。對Ge+和C+注入SiO2材料的發光研究表明：其中在C+注入SiO2薄膜中的335 nm附近用光致發光和激發光譜技術證實了一個新的紫外發光峰，該發光結構被指認為SiO2薄膜中的氧空位缺陷導致。 在SOI襯底上研製了基於D1線(1.55 μm)發光原理器件，器件結構設計為p-i-n型，其中Si+注入層是器件有源層。並對200-500ºC溫度範圍退火3min的樣品進行發光實驗發現：275ºC和7×1012 cm-2是較佳的退火溫度和注入劑量。
