擴(kuò)硼硅pn結(jié)二極管室溫近紅外電致發(fā)光的研究.pdf

1、隨著集成電路的發(fā)展，芯片集成度越來越高，傳統(tǒng)的金屬互連結(jié)構(gòu)帶來的層間干擾、能量耗散、信號(hào)延遲等問題越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成為制約超大規(guī)模集成電路發(fā)展的瓶頸。用光子作為信息載體的光互連取代傳統(tǒng)的以電子作為信息載體的電互連將大大提高集成電路的性能，是未來芯片技術(shù)重要的發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)光互連的大規(guī)模應(yīng)用，必須發(fā)展與當(dāng)前集成電路制造工藝兼容的高效硅基光源。硅pn結(jié)發(fā)光二極管由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并與傳統(tǒng)集成電路制造技術(shù)高度兼容，受到人們的廣泛關(guān)注。近年來，硅p

2、n結(jié)二極管的發(fā)光效率得到明顯提升，其在近紅外波段的發(fā)光在實(shí)現(xiàn)高效硅基光源上展示了巨大的應(yīng)用前景。
　　本論文分別采用快速熱處理擴(kuò)散硼和管式爐擴(kuò)散硼制備了不同摻雜濃度和結(jié)深的硅pn結(jié)二極管，系統(tǒng)地研究了其室溫近紅外電致發(fā)光性能，并對(duì)其發(fā)光機(jī)理作出了探討。同時(shí)，本論文也從理論模擬和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)利用表面制絨工藝增強(qiáng)硅pn結(jié)發(fā)光效率進(jìn)行了詳細(xì)的研究，取得了如下主要的結(jié)果:
　　(1)實(shí)現(xiàn)了采用熱擴(kuò)散硼的方法制備不同摻雜濃度和結(jié)深的

3、硅pn結(jié)發(fā)光二極管。結(jié)果表明，快速熱處理制備的硅pn結(jié)摻雜濃度范圍可達(dá)1016cm-3～1017cm-3，結(jié)深范圍可達(dá)200nm～500nm;管式爐擴(kuò)散制備的硅pn結(jié)摻雜濃度范圍可達(dá)1017cm-3～1020cm-3，結(jié)深范圍可達(dá)2μm～5μm。制備的硅pn結(jié)表現(xiàn)出良好的整流特性和發(fā)光特性。
　　(2)系統(tǒng)的研究了不同摻雜濃度和結(jié)深的硅pn結(jié)發(fā)光二極管室溫近紅外電致發(fā)光性能。結(jié)果表明，摻雜濃度和結(jié)深對(duì)其發(fā)光性能有重要影響。在結(jié)深差

4、別不大時(shí)，相對(duì)輕摻的硅pn結(jié)二極管室溫近紅外電致發(fā)光譜中只有帶邊發(fā)光峰(BB-line，～1.1eV)，其隨注入功率增大先呈線性增長(zhǎng)后趨向于飽和;相對(duì)重?fù)降墓鑠n結(jié)二極管在低功率注入時(shí)，發(fā)光性能與輕摻硅pn結(jié)二極管一致，在大功率注入時(shí)，室溫近紅外電致發(fā)光譜中出現(xiàn)強(qiáng)烈的0.78eV發(fā)光峰，并且其強(qiáng)度隨著注入功率增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。保持結(jié)深的情況下，提高摻雜濃度可以降低0.78eV發(fā)光峰的開啟功率，增大其隨注入功率增長(zhǎng)速率。
　　(3)

5、得到了硅pn結(jié)二極管在室溫下強(qiáng)烈的0.78eV電致發(fā)光峰，對(duì)其來源進(jìn)行了研究。之前有類似報(bào)道認(rèn)為0.78eV發(fā)光峰與位錯(cuò)缺陷有關(guān)。但本文的研究結(jié)果表明，在對(duì)應(yīng)的硅pn結(jié)發(fā)光二極管低溫光致發(fā)光譜中沒有發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)相關(guān)的缺陷峰，并在橫斷面透射電鏡照片中也沒有發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)，證實(shí)了0.78eV發(fā)光峰與位錯(cuò)沒有直接關(guān)聯(lián)。0.78eV發(fā)光峰可能來自于大量B擴(kuò)散進(jìn)入Si晶格內(nèi)由于晶格失配造成的應(yīng)力區(qū)域俘獲載流子進(jìn)行的輻射復(fù)合。
　　(4)采用熱擴(kuò)散方法

6、制備了含位錯(cuò)的高度重?fù)降墓鑠n結(jié)二極管，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表面，在高度重?fù)降墓鑠n結(jié)橫斷面透射電鏡照片中靠近表面2μm～3μm處發(fā)現(xiàn)了碎片化的、長(zhǎng)度較短的位錯(cuò)，位錯(cuò)是由于大量B原子擴(kuò)散進(jìn)入硅晶格內(nèi)應(yīng)力累積產(chǎn)生的。并在其低溫光致發(fā)光譜中發(fā)現(xiàn)了典型的位錯(cuò)相關(guān)峰(D1～D4)，隨著溫度升高D1～D4峰逐漸淬滅，D1峰峰位發(fā)生紅移。含位錯(cuò)的硅pn結(jié)二極管室溫電致發(fā)光譜中只有強(qiáng)烈的0.78eV發(fā)光峰，帶邊發(fā)光峰很微弱。含有位錯(cuò)

7、和不合位錯(cuò)的硅pn結(jié)發(fā)光二極管都得到室溫0.78eV發(fā)光峰。
　　(5)采用制絨工藝增強(qiáng)硅pn結(jié)發(fā)光，從理論分析和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面系統(tǒng)地研究了金字塔尺寸和間距對(duì)出光率的影響。三維時(shí)域有限差分(FDTD)方法計(jì)算結(jié)果表明，金字塔結(jié)構(gòu)絨面能夠有效提高硅pn結(jié)二極管的出光率，金字塔尺寸較大且排列緊密增強(qiáng)作用更明顯，采用金字塔絨面結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的最大出光率較無絨面結(jié)構(gòu)的硅pn結(jié)出光率提高了2.6倍。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金字塔結(jié)構(gòu)絨面能夠有效增強(qiáng)硅