富硅氮化硅薄膜的光電性能研究.pdf

1、隨著CMOS工藝特征尺寸的不斷減小，集成電路的集成度將越來越高，芯片間信號(hào)傳輸所使用的金屬互聯(lián)將成為器件性能提升的瓶頸。硅基光互聯(lián)是解決上述難題的有效途徑之一。但由于硅本身的間接帶隙特性，硅基光源成為光互聯(lián)的難題所在。近年來，富硅氮化硅(SiN<,x>，x<4/3)體系由于其制備方法與大規(guī)模集成電路制造工藝兼容、光致發(fā)光效率高、載流子注入勢(shì)壘小等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越廣泛的關(guān)注，已逐漸成為硅基發(fā)光領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 本論文采用P

2、ECVD方法制備SiN<,x>薄膜，并系統(tǒng)研究了其光致發(fā)光及電致發(fā)光性能。通過上述研究，取得了如下主要結(jié)果： (1)SiN<,x>薄膜的光致發(fā)光及電致發(fā)光均來自氮化硅禁帶內(nèi)缺陷態(tài)之間的電子躍遷。光致發(fā)光峰位會(huì)隨著薄膜成分的改變而改變，其熒光壽命為ns量級(jí)，且發(fā)光強(qiáng)度隨熱處理溫度的升高而急劇下降，原因是熱處理過程中形成了Si量子點(diǎn)，減少了與Si相關(guān)的懸掛鍵。而電致發(fā)光峰位并不會(huì)隨薄膜成分的改變而改變，始終位于600nm處，主要是來

3、自缺陷能級(jí)E<,C>→≡Si<'->之間的電子輻射躍遷。 (2)SiN<,x>薄膜MIS(Metal-insulator-semiconductor，MIS)器件具有良好的整流特性。低電場(chǎng)下，MIS器件中的電子以Poole-Frenkel隧穿機(jī)制進(jìn)行傳輸；高電場(chǎng)下，電子將以Fowler-Nordheim隧穿機(jī)制和陷阱輔助隧穿機(jī)制進(jìn)行傳輸。電子隧穿過程將引起器件發(fā)熱，從而會(huì)影響到器件的工作穩(wěn)定性。 (3)NH3等離子體預(yù)處

4、理Si襯底對(duì)SiN<,x>薄膜的光致發(fā)光強(qiáng)度及峰位基本沒有影響，但對(duì)電致發(fā)光影響較大，預(yù)處理過的樣品在經(jīng)過適當(dāng)條件的熱處理后電致發(fā)光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。原因是電致發(fā)光時(shí)，Si襯底與SiN<,x>薄膜之間的界面態(tài)可能成為載流子的束縛中心，進(jìn)而降低載流子的注入效率及發(fā)光強(qiáng)度，通過NH<,3>等離子體預(yù)處理，并經(jīng)適當(dāng)溫度的熱處理可以有效降低該界面態(tài)密度，從而使發(fā)光增強(qiáng)。 (4)N<,2>O等離子體處理SIN<,x>薄膜可以提高薄膜的電致發(fā)光

5、強(qiáng)度，但熱處理后強(qiáng)度將顯著下降。原因是等離子體處理過程中引入的N原子消除了Si的懸掛鍵，減少了非輻射復(fù)合中心的濃度，導(dǎo)致發(fā)光增強(qiáng)，熱處理后，原子發(fā)生重排，N原子與Si原子斷開，進(jìn)而與O原子結(jié)合，形成N=O鍵，致使電致發(fā)光強(qiáng)度降低。 (5)在SiN<,x>薄膜MIS器件引入SiO<,2>電子加速層可以使其電致發(fā)光強(qiáng)度得到一定程度的提高，原因是經(jīng)SiO<,2>層加速后得到的高能電子進(jìn)入SiN<,x>薄膜后，由于轟擊離化作用，將激發(fā)出更多的載