位错在硅基发光材料中的应用

硅基光电子技术现存问题：
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研究背景
Leabharlann Baidu
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硅基材料稳定、高效发光的理论 与工艺研究。 设计新的硅基光电子器件，研究 新的光电子器件的集成技术，使 之与传统硅微电子技术兼容。
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Si是金刚石结构晶体。 滑动集：金刚石结构存在着两 个不同[111]面，在[111]方向 上两个原子面之间距离比较近 的面的集合称之为滑动集，如 图中a, B之间平面。
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位错在硅基发光材料中的应用
1251691秦健瑜 1251699袁默斐
CONTENTS
研究背景
01 04
未 来 发 展 与 展 望
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硅中的位错现象 位错在硅基发光材料中的应用
超大规模集成电路
信息的传递、 存储、处理
光电子传输
研究背景
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硅芯片光电子技术
光子代替电子作为信息载体，大 大提高信息传输的速度和容量，使信 息技术的发展登上新的台阶。
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拖动集：距离比较远的平面称 之为拖动集，如图中的B, b之 间平面。
位错将在滑动面或者拖动面内 运动。 金刚石结构晶体中存在的位错 有90度位错，30度位错，60 度位错和螺位错。
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硅中的位错现象
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硅中的位错现象
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图中b为柏氏矢量的 方向，白色“T”表 示60度位错芯所在 的位置。
高解析度电子显微镜（HREM）下Si中60度全位错构型
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D1：0.812eV D3: 0.934eV
D2: 0.875eV D4: 1.000eV
位错在硅基发光 材料中的应用
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氧是直拉硅单晶中的主要杂质， 在晶体生长的后期以及集成电路工艺过 金属玷污 氧沉淀 程会产生氧沉淀，发射出大量的自间隙 掺杂类型 硅原子在硅基体中形成位错等缺陷，而 Pizzini等对掺氮的直拉单晶硅 位错又能吸引新的氧沉淀在其上偏聚， (CZSi )和区熔硅(FZSi)中由高 导致位错荧光光谱的变化，一般认为这 温塑性形变引入的位错发光性 些缺陷的荧光光谱都在0. 8-1. 0eV范 能的研究表明，掺氮样品的低 围内。同时，对位错、氧沉淀的发光和 掺杂类型 衬底掺杂 温位错发光峰D1-D4的峰位发 温度的关系进行了研究，发现随着温度 浓度 生偏移，强度有所变化。 的升高，它们的发光强度逐渐变弱。
位错在硅基发光材料 中的应用
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D1和D2的强度和宽度与位错密度成 正比，在密度较高的情况下D1是主要的发 光峰，而且相比于D2, D3和D4，其强度 受温度的影响小。 Sauer等认为：
D1,D2：与位错 的本质特征有关。 强度与激发波长、 含位错硅晶体的 表面状况有关系。 D3,D4：由位错 核心中的电子跃 迁引起。位错之 间的距离越大， 分离的位错数目 越多，则D3和D4 分裂成的峰越多。
氧沉淀
影响硅晶体中位错发光的因素
位错在硅基发光材料 中的应用
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掺氮的样品，激发谱峰 的强度下降，位错的PL（光致 发光）强度增加，峰位均发生 少量偏移，并且出现了强度与 D3,D4可比的0. 773eV的峰。
掺氮CZSi和FZSi位错的D峰荧光光谱
未来发展与展望
Emel'yanov等
带间复合电致发光峰的强 度和峰位在120-300K范围内十 分稳定;在80-500K范围内，电 致发光强度差异不超过2倍。
Green等
通过表面织构和区熔硅分别提高了离 子注入LED的电致发光的光吸收率和少数 载流子寿命使得该类发光器件室温电致发 光能量转换效率达到0.85%。
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未来发展与展望
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最终目的
通过硅基发光实现光耦合互连
突破电子传输的瓶颈， 大幅度提高计算机的 运算速度和存储容量。
相关材料取自： 《Si晶体中点缺陷和位错交互作用的分子动力学研究_荆宇航》 《硅基发光材料研究进展_曾刚》 《硅晶体缺陷发光及应用_袁志钟》
硅中的位错现象
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拖动面内的60度位错最显著的特征是位错芯 部分的八边形以及上下相比多出来的多余半原 子面。正是由于这个多余半原子面的出现释放 了上下两部分晶格失配带来的应变。 拖动面内的60度位错与滑动面内的位错相 比，发生分解的势垒前者能量要高，因而结构 也比较稳定。 拖动面内的全位错在Si塑性变形中起着重要 的作用。
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拖动面内60度位错
硅中的位错现象
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区别：
滑动面：[01-1]方向看过 去与八边形相连的五边形， 以及从[111]方向看到的 间断的位错芯结构。
拖动面内60度位错
滑动面内60度位错
硅中的位错现象
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硅晶体中位错的引人主要有3种形式：
一、通过高温形变过程，在硅晶体中引人一定密度的滑 移位错，这种位错一般认为是干净的，即没有其它杂质 在其中沉淀或缀蚀。
二、通过高温热处理具有一定氧浓度的直拉硅单晶，由于氧沉淀的生 成，导致大量自间隙硅原子被发射到硅基体中，形成高密度的位错环 等缺陷。
三、通过离子注人硼、磷等杂质，在硅晶体中形成量子尺寸的位错环。 不同的方式引人位错，研究发现都能发光，只是强度不同，发光的光 谱不同，而且还受到其它因素，如载流子浓度、金属杂质等影响。