扩硼硅pn结二极管室温近红外电致发光的研究

摘要

随着集成电路的发展，芯片集成度越来越高，传统的金属互连结构带来的层间干扰、能量耗散、信号延迟等问题越来越严重，已经成为制约超大规模集成电路发展的瓶颈。用光子作为信息载体的光互连取代传统的以电子作为信息载体的电互连将大大提高集成电路的性能，是未来芯片技术重要的发展方向。实现光互连的大规模应用，必须发展与当前集成电路制造工艺兼容的高效硅基光源。硅pn结发光二极管由于结构简单，并与传统集成电路制造技术高度兼容，受到人们的广泛关注。近年来，硅pn结二极管的发光效率得到明显提升，其在近红外波段的发光在实现高效硅基光源上展示了巨大的应用前景。
　　本论文分别采用快速热处理扩散硼和管式炉扩散硼制备了不同掺杂浓度和结深的硅pn结二极管，系统地研究了其室温近红外电致发光性能，并对其发光机理作出了探讨。同时，本论文也从理论模拟和实验两个方面对利用表面制绒工艺增强硅pn结发光效率进行了详细的研究，取得了如下主要的结果:
　　(1)实现了采用热扩散硼的方法制备不同掺杂浓度和结深的硅pn结发光二极管。结果表明，快速热处理制备的硅pn结掺杂浓度范围可达1016cm-3～1017cm-3，结深范围可达200nm～500nm;管式炉扩散制备的硅pn结掺杂浓度范围可达1017cm-3～1020cm-3，结深范围可达2μm～5μm。制备的硅pn结表现出良好的整流特性和发光特性。
　　(2)系统的研究了不同掺杂浓度和结深的硅pn结发光二极管室温近红外电致发光性能。结果表明，掺杂浓度和结深对其发光性能有重要影响。在结深差别不大时，相对轻掺的硅pn结二极管室温近红外电致发光谱中只有带边发光峰(BB-line，～1.1eV)，其随注入功率增大先呈线性增长后趋向于饱和;相对重掺的硅pn结二极管在低功率注入时，发光性能与轻掺硅pn结二极管一致，在大功率注入时，室温近红外电致发光谱中出现强烈的0.78eV发光峰，并且其强度随着注入功率增加而呈指数增长。保持结深的情况下，提高掺杂浓度可以降低0.78eV发光峰的开启功率，增大其随注入功率增长速率。
　　(3)得到了硅pn结二极管在室温下强烈的0.78eV电致发光峰，对其来源进行了研究。之前有类似报道认为0.78eV发光峰与位错缺陷有关。但本文的研究结果表明，在对应的硅pn结发光二极管低温光致发光谱中没有发现位错相关的缺陷峰，并在横断面透射电镜照片中也没有发现位错，证实了0.78eV发光峰与位错没有直接关联。0.78eV发光峰可能来自于大量B扩散进入Si晶格内由于晶格失配造成的应力区域俘获载流子进行的辐射复合。
　　(4)采用热扩散方法制备了含位错的高度重掺的硅pn结二极管，对其微观结构和发光性能进行了研究。结果表面，在高度重掺的硅pn结横断面透射电镜照片中靠近表面2μm～3μm处发现了碎片化的、长度较短的位错，位错是由于大量B原子扩散进入硅晶格内应力累积产生的。并在其低温光致发光谱中发现了典型的位错相关峰(D1～D4)，随着温度升高D1～D4峰逐渐淬灭，D1峰峰位发生红移。含位错的硅pn结二极管室温电致发光谱中只有强烈的0.78eV发光峰，带边发光峰很微弱。含有位错和不合位错的硅pn结发光二极管都得到室温0.78eV发光峰。
　　(5)采用制绒工艺增强硅pn结发光，从理论分析和实验两个方面系统地研究了金字塔尺寸和间距对出光率的影响。三维时域有限差分(FDTD)方法计算结果表明，金字塔结构绒面能够有效提高硅pn结二极管的出光率，金字塔尺寸较大且排列紧密增强作用更明显，采用金字塔绒面结构计算得到的最大出光率较无绒面结构的硅pn结出光率提高了2.6倍。同时实验结果表明，金字塔结构绒面能够有效增强硅pn结的室温电致发光，金字塔尺寸越大、排列越紧密，增强作用越明显。实验中得到具有金字塔结构绒面的硅pn结最大室温能量转换效率为5.4×10-6，是无金字塔结构硅pn结二极管的1.7倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第二章 文献综述

2．1 硅基光电子学的提出与意义

2．1．1 微电子工业与摩尔定律

2．1．2 硅基光电子学

2．2 硅基光源的研究进展

2．2．1 晶体硅的光学性质

2．2．2 硅基发光的主要研究方向

2．3 硅pn结发光二极管在近红外波段电致发光的研究进展

2．3．1 硅pn结发光二极管的带边电致发光研究

2．3．2 硅pn结发光二极管在近红外其他波段的电致发光研究

2．4 本论文研究的目的与意义

第三章 材料制备与测试设备

3．1 样品制备工艺及设备

3．1．1 硼源配制

3．1．2 硅衬底片清洗

3．1．3 旋涂工艺及设备

3．1．4 扩散工艺及设备

3．1．5 电极制备工艺及设备

3．2 样品测试表征及设备

3．2．1 高分辨率透射电镜

3．2．2 电学性能表征

3．2．3 光学性能表征

3．2．4 时域有限差分(FDTD)模拟计算

第四章 快速热处理扩硼制备硅pn结二极管的室温近红外电致发光性能

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 器件的结深与载流子浓度分布

4．3．2 器件的I-V特性

4．3．3 扩硼硅pn结室温近红外电致发光性能

4．3．4 扩硼硅pn结室温电致发光谱中0．78eV发光峰的来源分析

4．4 本章小结

第五章 管式炉扩硼制备硅pn结二极管的室温近红外电致发光性能

5．1 引言

5．2 实验

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 器件的结深与载流子分布情况

5．3．2 器件的I-V特性

5．3．3 管式炉扩硼硅pn结二极管的室温近红外电致发光性能

5．3．4 管式炉扩散制备含位错的硅pn结二极管的发光性能

5．4 本章小结

第六章 表面织构增强硅pn结二极管发光的研究

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 制绒

6．2．2 硅pn结发光二极管制备

6．3 实验结果与讨论

6．3．1 表面织构增强硅pn结二极管发光的理论分析与模拟计算

6．3．1 不同制绒时间绒面SEM图片

6．3．3 不同尺寸金字塔绒面硅pn结二极管的发光性能

6．4 本章小结

第七章 全文总结

参考文献

致谢

个人简介

攻读硕士期间发表的学术论文与取得的其他研究成果