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硼离子注入微晶金刚石薄膜的微结构及光学性能研究

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硼离子注入微晶金刚石薄膜的微结构及光学性能研究

作者：王家乐浙江工业大学

学位级别：硕士

金刚石的光谱透过范围宽,折射率高(2.4),光交换性能好,在中红外区域波长范围内的光衰减低于1 dB/cm其禁带宽度远大于同族元素硅和锗,在蛋白质等特征光谱范围(1500-1800 cm)表现出较低的光学吸收率,不易吸收光信号激发载流子而导致信号... 详细信息

金刚石的光谱透过范围宽,折射率高(2.4),光交换性能好,在中红外区域波长范围内的光衰减低于1 dB/cm其禁带宽度远大于同族元素硅和锗,在蛋白质等特征光谱范围(1500-1800 cm)表现出较低的光学吸收率,不易吸收光信号激发载流子而导致信号损失。同时,金刚石的质量轻,生物相容好,耐腐蚀性极强,宽禁带可使其在极端温度下正常工作,高热导系数能及时传导出光电器件工作时产生的高热量。基于以上优异的性能,基于金刚石波导器件的马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI),可望应用于高灵敏或制成食品液相检测传感器件。本文采用热丝化学气相沉积(HFCVD)法制备出了一系列不同晶粒尺寸的微晶金刚石薄膜(MCD),研究了晶粒尺寸对薄膜光学性能的影响;并通过不同剂量的硼离子注入和不同温度的退火处理,调控薄膜微结构及光学性能,研究了薄膜微结构与光学性能的关系。本文研究的具体结果如下:通过HFCVD系统制备了晶粒尺寸在160-2200 nm的微晶金刚石薄膜,并测试不同薄膜的光学性能,分析其微结构,获得晶粒尺寸、表面粗糙度、金刚石含量等因素对薄膜折射率、消光系数的影响。椭偏光学测试仪(SE)结果表明,晶粒尺寸在160-310 nm范围内的薄膜具有较高的折射率(2.77-2.92)。随着晶粒尺寸增加到620±100 nm,折射率值为2.39-2.47,接近天然金刚石数值(2.37-2.55),并且消光系数值达到最低0.08-0.77。当晶粒尺寸增至2200 nm时,折射率增至2.66-2.81,消光系数增至0.22-1.28。Raman结果表明,所有样品位于1331-1333cm处都有明显的金刚石峰,随着晶粒尺寸的增加,金刚石相的含量逐渐增加,反式聚乙炔(TPA)含量减少。同时,粒径为620 nm的MCD薄膜中sp碳含量显著降低,从而改善了薄膜的光学性能。研究了硼离子注入微晶金刚石(B-MCD)薄膜的微观结构与光学性质之间的关系,以了解不同退火温度对其复折射率的影响。通过SE在380-1000 nm的波长范围内研究B-MCD膜的光学性质。物理模型和拟合结果表明,薄膜的平均厚度约为515 nm。在退火温度较低(～700℃)时,与未退火样品相比,晶界中的TPA含量开始减少,石墨相无序度增加。800℃退火是薄膜光学性能的转折点,薄膜具有较高的折射率(2.29-2.30)和低消光系数(0.04-0.10);在此退火温度下,石墨相更有序,Raman中的金刚石峰更靠近1332 cm,其半高宽(FWHM)值减少为7.08,表明金刚石具有更好的晶格结构。随着退火温度升高到900℃时,金刚石峰从7.08增加到9.01 cm,表明晶格结构在较高的退火温度下被破坏。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,随着退火温度从700℃升至800℃时,sp的含量从36.7%增加到52.7%,当退火温度进一步升至900℃时,sp碳的含量下降至43.9%,这表明薄膜表面的非金刚石相在800℃退火的情况下达到最低,这对光学性能的提高有明显的作用。在MCD薄膜中注入不同剂量的硼离子,系统研究了硼离子注入剂量对薄膜微结构和光学性能的影响。结果表明,未退火状态下,随着表面离子注入剂量的升高,薄膜表面杂质相含量增加。在较高剂量的离子注入过程中,离子注入对金刚石晶粒结构的破坏作用较严重,退火处理后,样品中TPA含量降低,金刚石晶格中的部分缺陷被修复,薄膜中金刚石相含量有所增加。当掺杂浓度为10cm样品的折射率在2.28-2.30之间,与其他掺杂浓度样品相比,更接近天然金刚石折射率2.45,霍尔系数为-4.18×10 cm·C,Hall迁移率为61 cm·V·s,表现出较好的n型电导能力。基于以上结果,我们通过调控金刚石薄膜的注入剂量对光学性能的影响,为制备金刚石基波导器件的研究有十分重要的意义。

关键词：热丝化学气相沉积微晶金刚石薄膜微结构硼离子注入光学性能

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硅中硼离子注入的带电缺陷动力学模拟

计算物理 2021年第3期38卷 361-370页

作者：李鹏迪刘俊郑淇蓉张传国李永钢张永胜赵高峰曾雉河南大学物理与电子学院计算材料研究所河南开封475004 中国科学院固体物理研究所材料物理重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学科学岛分院安徽合肥230031

为准确描述硼离子注入硅后缺陷/杂质的动力学物理过程,获得硼浓度空间分布及其演化行为,构建一个跨尺度带电缺陷动力学模型,考虑离子注入缺陷的产生及其演化的多种微观过程,包括缺陷电荷态和带电缺陷间的反应、硼—自间隙团簇(BICs)演... 详细信息

为准确描述硼离子注入硅后缺陷/杂质的动力学物理过程,获得硼浓度空间分布及其演化行为,构建一个跨尺度带电缺陷动力学模型,考虑离子注入缺陷的产生及其演化的多种微观过程,包括缺陷电荷态和带电缺陷间的反应、硼—自间隙团簇(BICs)演化以及缺陷与载流子相互作用等物理过程。模拟得到与实验一致的硼浓度深度分布。结果表明:BICs对硼浓度的深度分布起主要作用,而间隙硼(BI)导致硼浓度分布向深处扩展;计及缺陷的不同电荷态修正自间隙(I)和硼间隙(BI)的扩散系数,从而更准确地描述硼浓度分布。模型揭示了硼离子注入硅发生的物理过程和微观机理,证明BICs和缺陷真实的电荷态是描述硼浓度分布的重要因素,为半导体器件制造与研发提供理论指导。

关键词：硅硼离子注入带电缺陷动力学模型

穿越碲镉汞上PC-SiO_2膜的硼离子注入

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航空兵器 1997年第1期4卷 40-43页

作者： R.C.Bowman Jr. R.E.Robertson. J.F.Knudsen. 吴名权 ○一四中心

变温霍耳测量和电阻率测量,已被用于监测硼元素穿透p型碲镉汞材料上光化学生成的SiO_2薄膜后对其载流子行为的影响,证明形成了n型层。借助于新的中子深度分布测量法已经定量地、非破坏性地测得B^(10)的绝对浓度和分布情况。正如所预期... 详细信息

变温霍耳测量和电阻率测量,已被用于监测硼元素穿透p型碲镉汞材料上光化学生成的SiO_2薄膜后对其载流子行为的影响,证明形成了n型层。借助于新的中子深度分布测量法已经定量地、非破坏性地测得B^(10)的绝对浓度和分布情况。正如所预期的那样,硼元素在SiO_2和Hg_(1-x)Cd_xTe中的分布强烈地依赖于离子注入的能量。然而,人们发现经200℃退火后硼元素分布的改变是很小的。本文简要地谈到采用通常离子注入方法所制成的中红外(MWIR)探测器的性能。

关键词： HgCdTe 硼离子注入红外光电器件

MBE生长的HgCdTe材料B离子注入特性研究

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红外与毫米波学报 1999年第1期18卷 19-22页

作者：黄根生姬荣斌方维政杨建荣陈新强何力中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室半导体薄膜材料研究中心

用剥层霍耳测量分析了ＭＢＥ生长ＨｇＣｄＴｅ薄膜的Ｂ离子注入的电学特性，测量了薄膜材料的载流子浓度和迁移率分布．当剥层腐蚀到结区，结区增透引起红外透射光谱的峰值提高．

关键词： MBE 剥层霍耳测量硼离子注入汞镉碲

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同轴型HpGe探测器离子注入工艺仿真

核电子学与探测技术 2020年第2期40卷 239-243页

作者：阙子昂郝晓勇何高魁中国原子能科学研究院北京102413 中核集团核探测技术重点实验室北京102413

为了进--步优化同轴型高纯锗探测器离子注入工艺参数,利用Silvaco半导体仿真软件和SRIM离子注入仿真软件对离子注入过程进行模拟,研究不同注入角度、能量、剂量对注入的均匀性、深度、杂质浓度分布及损伤的影响,并根据模拟结果选择合适... 详细信息

为了进--步优化同轴型高纯锗探测器离子注入工艺参数,利用Silvaco半导体仿真软件和SRIM离子注入仿真软件对离子注入过程进行模拟,研究不同注入角度、能量、剂量对注入的均匀性、深度、杂质浓度分布及损伤的影响,并根据模拟结果选择合适的工艺参数,为HpGe探测器的制备提供一定的指导。此外,研究了离子注入后退火的温度及时间对晶格损伤恢复和杂质激活的影响情况。

关键词：同轴型HpGe探测器硼离子注入退火温度退火时间

用二次离子质谱和扩展电阻探针技术测量硅中注入硼的深度分布及扩展电阻探针技术分辨率的估算

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Journal of Semiconductors 2003年第3期24卷 290-297页

作者：杨恒青颜佳骅陈俭曹永明复旦大学材料科学系上海200433 上海贝岭微电子制造有限公司上海200233

利用二次离子质谱和扩展电阻探针技术测量了硅中注入硼的深度分布 .在适当的测量深度 ,用扩展电阻探针技术测得的结果对二次离子质谱技术测量的结果进行了标定 ,从而得到硅片中硼原子的深度分布 .用近似模型估算了扩展电阻探针针尖半径... 详细信息

利用二次离子质谱和扩展电阻探针技术测量了硅中注入硼的深度分布 .在适当的测量深度 ,用扩展电阻探针技术测得的结果对二次离子质谱技术测量的结果进行了标定 ,从而得到硅片中硼原子的深度分布 .用近似模型估算了扩展电阻探针针尖半径对测试分辨率的影响 .若探针针尖半径为r0 ,测量斜面的角度为 ξ ,在用扩展电阻探针技术测量载流子浓度的深度分布时 ,可以近似认为深度分辨率为 7 86r0 sinξ.还定性讨论了样品表面耗尽层对扩展电阻探针技术的影响 .

关键词：扩展电阻探针技术硅深度分布分辨率二次离子质谱硼离子注入

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硅半导体离子/中子辐照效应的多尺度模拟

硅半导体离子/中子辐照效应的多尺度模拟

作者：李鹏迪河南大学

学位级别：硕士

硅基半导体器件被广泛应用于国防所需的高性能微电子和光电子器件等领域。在这些应用场景中,载能粒子辐射不可避免。尤其在高能离子/中子辐照下,硅基半导体器件将发生严重的电离和位移损伤,导致器件光电性能退化甚至失效,对整个电子系... 详细信息

硅基半导体器件被广泛应用于国防所需的高性能微电子和光电子器件等领域。在这些应用场景中,载能粒子辐射不可避免。尤其在高能离子/中子辐照下,硅基半导体器件将发生严重的电离和位移损伤,导致器件光电性能退化甚至失效,对整个电子系统造成难以估量的损坏。因此,有必要弄清离子/中子辐照下器件中杂质/缺陷发生的微观动力学物理行为,以揭示辐照后缺陷演化机理和器件失效机制。然而,辐照缺陷演化是一个跨越多个时间和空间尺度的复杂的动力学行为,目前仍然缺乏表征半导体离子注入/辐照效应的手段和方法,该过程的实验测量和表征也非常复杂且不能揭示其微观物理机理。因此,发展半导体离子注入/中子辐照的理论模拟方法迫在眉睫。为此,本文提出了一套跨越原子-介观-宏观的多尺度理论模型,包含蒙特卡洛（MC）、实体动力学蒙特卡洛（OKMC）和速率理论连续模型（RTCM）三种方法的顺序耦合。基于此理论框架,我们研究了硼离子注入、硅离子自辐照和中子辐照下硅基半导体材料中缺陷和载流子的动力学演化过程,实现了对半导体材料辐照缺陷演化这一复杂微观物理过程的完整描述。主要内容如下:1.为了准确描述硼离子注入硅后缺陷/杂质的动力学物理过程,定量获得硼浓度空间分布及其演化行为,我们耦合了蒙特卡洛（MC,IM3D程序）和速率理论连续模型（RTCM,IRad Mat程序）,构建了一个跨越原子尺度（埃）到宏观尺度（米）的带电缺陷动力学模型,更加全面地考虑了离子注入缺陷的产生及其演化的多种微观过程,特别是包括了缺陷电荷态和带电缺陷间的反应、硼—自间隙团簇（BICs）演化以及缺陷与载流子相互作用等物理过程。模拟得到了与实验一致的硼浓度深度分布。结果表明,BICs对硼浓度的深度分布起主要作用,而间隙硼（BI）导致硼浓度分布向深处扩展;计及缺陷的不同电荷态修正了自间隙（I）和硼间隙（BI）的扩散系数,从而更准确地描述了硼浓度分布行为。我们的模型揭示了缺陷发生的真实物理过程和微观机理,证明了BICs和缺陷真实的电荷态是准确描述硼浓度分布的重要因素,可为半导体器件制造与研发提供理论指导。2.我们耦合MC和实体动力学蒙特卡洛（OKMC,MMon Ca程序）,构建了跨越原子尺度（埃）到介观尺度（微米）的模型,通过在MMon Ca程序中包含电势的泊松方程求解,实现了硅材料中带电缺陷与载流子协同作用的动力学模拟。计算模拟中采用定温退火方法描述硅自离子辐照硅材料内部缺陷的演化和电荷态的变化,模拟结果与实验瞬态增强扩散结果一致。该模型准确地描述了实验中发现地{311}缺陷在不同温度下的溶解与过饱和造成的瞬态增强现象。此外,模型中更为全面地考虑了多种不同类型缺陷相互反应事件,得以准确地描述不同电荷态的缺陷团簇对硅中电荷分布以及载流子分布和输运行为的影响,为后续中子辐照模拟研究奠定基础。3.在统一框架下耦合MC-OKMC-RTCM这三种方法,构建了中子辐照下半导体材料辐照损伤的顺序多尺度模型框架,实现了包含多种微观介观过程的从原子尺度到宏观尺度的半导体带电缺陷动力学的跨尺度模拟研究。计算模拟给出了中子辐照硅中深能级缺陷的种类、分布及其演化,载流子俘获和辐照失效等微观机制。研究结果指出杂质氧和硅空位的复合团簇（VO）和硅双空位（V2）双缺陷捕获机制,即深能级瞬态光谱（DLTS）的第二峰位不仅与V2（2-/-）的俘获中心有关,还与VO（-/0）的捕获效应有关,从而修正了理论模拟与实验之间存在的误差,使得深能级缺陷充电的模拟结果与实验测量结果更加一致,并且给出了载流子演化与VO/VP（掺杂磷和硅空位的复合团簇）缺陷产生过程的对应关系,进一步解释了器件宏观电学性能退化的原因。最后,通过耦合缺陷动力学和平衡态电荷模型,成功实现了对DLTS的定量模拟。相关结果直接为理解中子辐照下材料带电缺陷动力学行为、半导体材料辐照失效机理及服役性能预测提供理论指导。本论文研究工作通过建立半导体材料辐照损伤的跨尺度耦合方法,探索了微观/介观过程对宏观性能的影响,阐明了影响半导体空间电荷和载流子分布与输运的关键深能级缺陷种类及其电荷态转变过程,为半导体辐照损伤和性能失效提供了理论指导。

关键词：中子辐照硼离子注入硅基半导体多尺度模型带电缺陷

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垂直结构氮化稼肖特基二极管的研究

垂直结构氮化稼肖特基二极管的研究

作者：王伟凡中国科学技术大学

学位级别：硕士

随着科技的不断发展,电源开关、智能手机、电动汽车、再生能源发电等新型科技产品对功率半导体器件提出了新的要求,随着全球能源问题的严重化,人们希望用各种方式来节约能源,这就对功率器件性能的要求越来越高,以致于传统的Si基功率器... 详细信息

随着科技的不断发展,电源开关、智能手机、电动汽车、再生能源发电等新型科技产品对功率半导体器件提出了新的要求,随着全球能源问题的严重化,人们希望用各种方式来节约能源,这就对功率器件性能的要求越来越高,以致于传统的Si基功率器件已经无法满足人们的需求,以高性能著称的第三代半导体GaN和SiC进入人们的视野。相比于Si和SiC,GaN具有宽禁带（3.43 eV）、高电子迁移率（1245 cm2/V·s）、高电子饱和速率（2.5 × 107 cm/s）等特点,理论上可以实现更高的击穿电压和更低的导通电阻,更适合制造功率器件。从器件结构上看,相比于水平结构的二极管,垂直结构的二极管具有器件尺寸小的特点,且能够很大程度缓解电流阻塞效应,更利于实现高击穿电压、低导通电阻和高度集成化的效果。此外,相比于异质外延,同质外延的GaN具有更低的位错密度及界面应力,从而实现更高的晶体质量。近年来随着GaN生长技术的发展,在市场上已经可以实现位错密度在1 06 cm-2的高质量GaN单晶衬底,这为发展垂直型自支撑GaN基肖特基二极管提供了结实的材料基础。目前,肖特基二极管正向着高击穿电压、高开关比、低导通电阻的方向发展。高的击穿电压可以保证高电压下器件的稳定性;高的开关比可以保证器件能够实现更好的开关作用;低的导通电阻可以实现低的开启损耗。在本论文中,我们首先通过TCAD（Technology Computer Aided Design）技术设计并模拟了垂直结构GaN基肖特基二极管器件性能。之后,利用紫外光刻技术、电感耦合等离子体刻蚀技术、离子注入技术等微纳加工技术在高质量的GaN基片上制造了垂直结构的肖特基二极管,并取得了以下成果:1.对利用金属有机物化学气相沉积方法（MOCVD）同质外延生长的GaN基片进行了基础的表征分析。主要有原子力显微镜（AFM）、阴极荧光（CL）、高分辨X射线衍射（HRXRD）和二次离子质谱（SIMS）等方式,分别表征了 GaN材料的表面形貌、位错密度及背底掺杂浓度。结果表明,所用的GaN材料表面平整、位错密度低、结晶质量好且背底掺杂浓度低,满足制备垂直结构GaN基肖特基二极管的要求。2.利用TCAD技术对垂直结构的GaN基肖特基二极管进行了结构设计及模拟计算,主要用于分析在一定反向偏压下,不同结构的电场强度分布情况。此外,还利用SRIM软件对离子注入的能量和注入计量参数进行模拟分析,我们通过设计场板的长度以及离子注入的能量和剂量,来实现高性能的垂直型GaN基肖特基二极管。3.利用紫外光刻、电感耦合等离子体刻蚀、硼离子注入和电子束蒸发等微纳加工工艺制造垂直结构GaN基肖特基二极管。我们对比了场板结构的肖特基二极管与场板结构和硼离子注入工艺相结合的肖特基二极管的性能,发现经硼离子注入的肖特基二极管的反向击穿电压提升到了 585 V,反向漏电流降低了 5个数量级,开关比提升至108。此外,硼离子注入技术将二极管的肖特基势垒从0.68 eV提升到0.82 eV。这表明硼离子注入技术能有效的提高反向击穿电压、抑制漏电流。

关键词：肖特基二极管氮化镓垂直结构 TCAD模拟硼离子注入击穿电压

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掺杂、扩散、离子注入工艺

电子科技文摘 2001年第10期 37-37页

Y2001-62791-18 0116695硅上硼离子注入扩散与活性化的第一原理预测模拟=First-principles-based predictive simulations of B diffusionand activation in ion implanted Si[会,英]/Theiss,S.&Caturla,M.///2000 IEEE International Conference onSimulation of Semiconductor Processes and Devices.—18～22(EC)Y2001-62791-163 0116696硼激活动力学=Kinetics of Boron activation[会,英]/Mokhberi,A.& Griffin.P.B.//2000 IEEE Interna-tional Conference on Simulation of Semiconductor Pro-cesses and Devices.—163～166(EC)

关键词：施主掺杂激活动力学硼离子注入第一原理预测模拟扩散模型注入工艺活性化退火动力学建模