文摘

电子和光电设备开发硅纳米结构取决于他们的电子掺杂。我们调查的方法作为掺杂的硅纳米结构的优势离子束注入和纳秒激光辐照融化动力学。我们说明的行为限制,SiO植入技术,₂/ Si / SiO₂多层和退火后其空间再分配过程。在Si / SiO积累₂接口被卢瑟福背散射谱观察在协议模型假定一个陷阱分布如果在第一个2 - 3 nm SiO之上₂/ Si接口。的浓度为10¹⁴陷阱/厘米²已被评估。这个结果打开透视图用于掺杂的硅制备嵌入SiO₂因为一个半径为1的硅纳米纳米嵌入SiO₂应该作为原子在界面陷阱13。为了促进公司制备的一种有效的兴奋剂,一种方法基于离子注入和纳秒激光辐照研究。如果制备在SiO产生₂层。离子注入和纳秒激光辐照后,光谱椭圆光度法测量显示制备光学特性符合他们有效的兴奋剂。

1。介绍

未来开发半导体纳米结构(特别是硅纳米结构)取决于理解和控制他们的电子掺杂。掺杂半导体纳米结构已经被证明是不同于相应的散装材料(1- - - - - -5)和最近的重视都集中在发展中实际可行的方法来涂料和控制掺杂硅纳米结构的属性,作为制备(nc) [6- - - - - -13和纳米线14- - - - - -17),和发展的理论方法来理解这些属性(18- - - - - -23]。掺杂硅纳米结构的属性的控制允许制造复杂的纳米材料,其特征是unpreceded电子和光电功能。

在这项工作中,我们提出一个新颖的方法,基于离子注入和纳秒激光射线,涂料Si-based低维系统的。特别是,两种不同类型的Si低维系统研究相对As-doping属性:纳米硅层嵌入两SiO之间₂层和Si nc嵌入SiO₂。关于前一种情况中,我们说明了行为的局限,通过植入技术,SiO₂(70海里)/ Si (30 nm) / SiO₂(70海里)多层及其空间再分配时常规退火过程执行。关于后者的实验,后在SiO植入₂层包含Si nc、激光辐照是用来融化Si nc和促进原子在Si nc公司为了达到高掺杂水平。光谱椭圆光度法进行调查的有效掺杂Si nc。

2。实验

2.1。样品的准备

2.1.1。纳米级SiO₂/ Si / SiO₂多层

纳米多层膜是捏造的顺序溅射口供Si和SiO₂使用一个AJA射频磁控溅射装置(氩等离子体,mbar压力在口供)。一个多层SiO₂(70海里)/ Si (30 nm) / SiO₂(70海里)是生长在晶体硅(同单晶硅),如方案图所示1(一)。在口供,同单晶硅衬底加热在400°C。然后,两个连续的植入物,首先在50岁keV和第二个130 keV(室温),进行这样的一个示例。通过这种方式,一个像框资料集中在硅层,所提出的削减模拟(24),获得了。三个不同的总将是意识到:,,/厘米²。离子注入后,样品被使用标准Carbolite卧式炉退火在干燥的N₂。

2.1.2。如果在SiO发光机制₂

如果nc SiO生产₂在文献[描述矩阵后一个标准的过程25,26];200纳米厚的亚化学计量的SiO_x(如果超过6.3%是原子)sputter-deposited(使用AJA射频磁控溅射装置)在同单晶硅衬底。1100°C-60-minute退火(在干燥的N₂)出现超过Si的聚类过程。最终的结果是如果nc的半径的形成海里,地对地的距离纳米和密度厘米⁻³嵌入在SiO₂(方案图1 (b))。120 keV植入物的影响/厘米²进行为了获得一个盒子在SiO吗₂层。离子注入后,样品被激光退火处理。激光射线是由脉冲(10 ns) Nd:钇铝石榴石激光器工作在532 nm (Quanta-ray pro系列脉冲Nd: YAG激光)。

2.2。特征

卢瑟福背散射分析(RBS)进行使用2兆电子伏⁴他⁺光束在垂直入射散射角为165°和掠射角配置(64°倾角)为了提高深度分辨率。苏格兰皇家银行(RBS)光谱分析残余代码(27]。

光谱椭圆光度法进行0.2 - 1μ米波长范围为研究样本的光学响应。特别是,一个有效介质近似仿真分析已经应用于ellipsometric为了获得真实数据(和想象的介电函数(的)部分28- - - - - -30.]。

扩散阻力分析(SRP)进行以评估退火后的掺杂剂电激活(31日]。

3所示。结果和讨论

图2(一)报告的浓度剖面As-implanted (/厘米²)多层样品之前(实线)和之后(与圆圈)退火80分钟(950°C)。我们可以观察到在退火之前,最大浓度的硅薄层原子/厘米³。退火后浓度的硅层减少至少约原子/厘米³。通过硅层的扩散两个Si / SiO₂接口(两个虚线所示),积累到一个最大的浓度原子/厘米³。由于扩散系数非常低的SiO₂在950°C, SiO概要浓度保持不变₂层在退火。的扩散系数在Si 950°C比SiO更高₂:关于厘米²在Si / s (3280分钟后)(相应的,。,to a diffusion length of 98 nm) and about厘米²/ s的SiO₂(3380分钟后)(相应的,。,to a diffusion length of 1.2 nm). The diffusion of As is hence inhibited in SiO₂Si。图2(b)报告作为植入三个样品的浓度剖面的流畅性,和/厘米²在退火之后。损耗的硅层和Si / SiO积累₂在数据接口(用虚线表示2(一)和2所有样品(b))。我们计算一个“有效分离系数”对每个样本,一样的比率最大浓度在Si / SiO₂接口和最低浓度的硅层的中心。这个系数是报道的人物2(c)的函数影响植入,并量化的效率在Si / SiO积累₂接口。积累过程减少与增加植入效率影响。

提出了几种扩散模型来描述在Si / SiO再分配₂系统在postimplantation退火(34- - - - - -38]。在这些模型中,特别强调致力于考虑As-vacancy复合物对扩散的影响和/或电气失活,但他们不预测掺杂剂堆积在地表附近(35,37]。费理et al。38)植入与能量之间1 keV在氧化样品只有本机和样品氧化层11 nm的成长。然后,他们退火N的标本₂大气温度在800 - 1025年间4°C之间的不同时间5 s和h。他们确定了样品表面的分布接近用二次离子质谱和Z-contrast扫描透射电子显微镜。特别是,堆积在第一个纳米的硅矩阵SiO的距离₂/硅界面观察。这种现象解释了“Fickian”标准扩散通过假设的存在SiO附近“掺杂剂陷阱”₂/ Si接口导致减少的掺杂剂能够在散装扩散。他们的研究结果支持假设在接近表面的积累是由于掺杂剂诱捕大力最喜欢的地方。他们模拟常规认为孤点缺陷和dopant-defect对移动物种和未配对掺杂剂在格子上固定的物种。掺杂剂原子无法分散的;它需要的存在点缺陷(硅self-interstitial或晶格空位在不同的电荷状态)在社区附近扩散。在Si引入这样一个“陷阱”分布在第一个2 - 3 nm SiO之上₂/ Si接口,他们获得良好的模拟和测量之间的协议配置文件。此外,他们的研究结果表明,该地区在地表附近的捕获行为不是由于缺陷或杂质引入的植入,但它是一个属性引起的表面。这样一个模型的基础上,我们可以推测,在我们的样本中,在两个Si / SiO积累的₂界面的形成是由于随着合成仪器点缺陷对扩散通过对Si / SiO Si₂接口,他们被困在大力喜爱的地方(累积)。此外,的浓度在Si / SiO陷阱₂接口是一种内在的特征interfacet,据估计约为10¹⁴陷阱/厘米²通过测量的面积,峰值图2(b)(灰色区域),总结在图2(d),这种定性解释了的减少增加的影响。事实上,随着原子的数量在Si / SiO积累起来的₂接口是相同的所有样品独立As-implanted影响;在样例植入/厘米²,只有总数的4%植入是累积的接口,在这个比例减少2%和1%的样品植入/厘米²和10¹⁶/厘米²,分别。

最后,在这些纳米多层膜样品,SPR测量进行评估载体浓度配置文件。图3显示的是测量载体在植入的多层样品浓度/厘米²退火后(950°C 80分钟)。硅层的最大载体浓度大约是10¹⁸厘米⁻³退火后,指示~ 1%的掺杂剂激活。

结果表面浓度的原子(10¹⁴厘米⁻²)被困在SiO的接口₂/ Si / SiO₂多层可以用来推断如果nc的掺杂性能的一个重要特点利用离子束技术。如果nc嵌入SiO₂小说被广泛研究的尺度依赖的电子和光电特性(6- - - - - -13]。特别是,开发这样的系统在实际设备的属性要求准确控制他们的兴奋剂。根据前面的结果,我们可以得出结论,如果我们考虑一个Si nc嵌入SiO₂特点是半径为1.8 nm,植入和退火后约40原子被困在Si / SiO₂接口。nc密度厘米⁻³的浓度/厘米³是被困。这一事实包括注入浓度高于/厘米³为了有机会,至少一个作为Si nc原子可以合并为一个有效的兴奋剂。或者传统退火过程,我们研究了激光退火过程以促进如此高的掺杂浓度Si nc。尤其是,他们的想法是使用纳秒激光辐照融化Si nc所以促进原子合并在液体中Si nc。为了利用这个想法,执行以下实验:200 nm厚亚化学计量的SiO_x(如果超过6.3,%)sputter-deposited同单晶硅衬底。后一个1100°C-60分钟退火(在干燥的N₂)出现超过Si的聚类过程。最终的结果是如果nc的半径的形成海里,地对地的距离,密度厘米⁻³嵌入在SiO₂(25,26]。然后,120 keV离子植入/厘米²执行,获得SiO箱配置文件₂层。最后,一个单脉冲激光辐照过程407 mJ /厘米²由脉冲(10 ns) Nd:钇铝石榴石激光器运行在532海里,是执行。光谱椭圆对称允许我们评估激光对光学常数的影响如果没有和nc的出现。图4报告测量的光学常数(介电常数的实部,相关反射系数)(介电常数的虚部,相关的消光系数)。特别是,图4(一)报告系统的光学常数测量Si nc / SiO₂后,没有作为,407 mJ /厘米²激光辐照。和被显示为一个函数的入射辐射的波长在0.2 1μm范围,大量的光谱Si也报道进行比较(特征阈值约为0.38μ米为在约0.29μ米为)。显著特点是减少硅的光学常数nc对Si。这是Si nc的特征由于其降低了维数,正如已经显示在文献[29日,30.]。一般来说,它已经建立了介电常数的减少变得显著量子局限在物理系统的大小,如量子点和线,方法nanometric范围(29日,30.,39,40]。然而,降低介电常数的起源与规模仍不完全清楚。通常归因于的缺口,这将降低极化率。图4 (b)报告系统的光学常数测量Si nc / SiO₂后,植入和在407年乔丹/厘米²激光辐照。在这种情况下,显著特点是一个转变的高峰nc的0.34μ米至0.36μm和峰值的转变nc的0.32μ米至0.34μm。这些波长的变化和是一个清晰的签名的有效掺杂硅nc,据我们所知,首次观察到的类似的效果在Si nc。相反,类似以前观察到的峰值变化和批量如果当重掺杂的n型掺杂物如P和紧随其后的是脉冲激光退火(28]。这种红移现象在Si nc的光学常数,在白发的人面前,在激光辐照过程之后,是一个标志性的nc的有效掺杂原子因为它符合本地化的引入在nc能带。这些局部状态减少吸收或发射光子的能量,增加,因此,他们的波长。

4所示。结论

SiO作为再分配₂(70海里)/ Si (30 nm) / SiO₂(70海里)多层postimplantation退火过程中产生积累在Si / SiO₂接口。这种效应定性协议模型中假定“陷阱”分配到如果在第一个2 - 3 nm SiO之上₂/ Si接口。特别是,在Si / SiO陷阱浓度₂接口估计在10¹⁴陷阱/厘米²。这将打开透视图的Si nc嵌入SiO的兴奋剂₂。例如,如果数控SiO半径为1.8 nm的嵌入₂应该作为原子在界面陷阱40。因此,促进原子掺入nc的一个有效的兴奋剂,一个综合的方法基于离子注入和纳秒激光辐照研究。如果nc,半径1.8 nm和密度厘米⁻³在200纳米厚SiO生产₂层。随着离子注入后的影响/厘米²和407 mJ /厘米²纳秒激光辐照,光谱椭圆对称显示光学性质的nc一致有效的兴奋剂。这些结果表明,掺杂方法值得进一步调查是为了开发一个更好的控制兴奋剂一类宽量程Si-based纳米结构的过程。

承认

作者感谢CNR-IMM m .意大利专家援助与SRP测量。