擴硼硅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散硼和管式爐擴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，并對其發(fā)光機理作出了探討。同時，本論文也從理論模擬和實驗兩個方面對利用表面制絨工藝增強硅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)實現(xiàn)了采用熱擴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)深對其發(fā)光性能有重要影響。在結(jié)深差

4、別不大時，相對輕摻的硅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后趨向于飽和;相對重?fù)降墓鑠n結(jié)二極管在低功率注入時，發(fā)光性能與輕摻硅pn結(jié)二極管一致，在大功率注入時，室溫近紅外電致發(fā)光譜中出現(xiàn)強烈的0.78eV發(fā)光峰，并且其強度隨著注入功率增加而呈指數(shù)增長。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速率。
　　(3)

5、得到了硅pn結(jié)二極管在室溫下強烈的0.78eV電致發(fā)光峰，對其來源進(jìn)行了研究。之前有類似報道認(rèn)為0.78eV發(fā)光峰與位錯缺陷有關(guān)。但本文的研究結(jié)果表明，在對應(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，證實了0.78eV發(fā)光峰與位錯沒有直接關(guān)聯(lián)。0.78eV發(fā)光峰可能來自于大量B擴散進(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)采用熱擴散方法

6、制備了含位錯的高度重?fù)降墓鑠n結(jié)二極管，對其微觀結(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、長度較短的位錯，位錯是由于大量B原子擴散進(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。含位錯的硅pn結(jié)二極管室溫電致發(fā)光譜中只有強烈的0.78eV發(fā)光峰，帶邊發(fā)光峰很微弱。含有位錯

7、和不合位錯的硅pn結(jié)發(fā)光二極管都得到室溫0.78eV發(fā)光峰。
　　(5)采用制絨工藝增強硅pn結(jié)發(fā)光，從理論分析和實驗兩個方面系統(tǒng)地研究了金字塔尺寸和間距對出光率的影響。三維時域有限差分(FDTD)方法計算結(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作用更明顯，采用金字塔絨面結(jié)構(gòu)計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。同時實驗結(jié)果表明，金字塔結(jié)構(gòu)絨面能夠有效增強硅