原子层沉积法制备稀土掺杂硅基MOS电致发光器件

摘要

随着微电子技术的迅速发展，集成电路芯片特征尺寸越来越接近物理极限，硅基光互连技术是解决这一难题的途径之一。以光子作为信息载体不仅能提高器件的传输速度，降低损耗，同时还能与现有的CMOS工艺相兼容，降低制造成本，实现大规模工业化生产。然而硅基光源一直是硅基光互连技术的一大难题，从而制约了硅基光子学的发展。稀土掺杂氧化物纳米复合栅层硅基 MOS电致发光器件是实现硅基光源的有效途径之一，他能很好的与传统的硅基CMOS工艺相兼容。利用原子层沉积技术制备稀土(Er、Tb)掺杂SiO2纳米复合薄膜硅基MOS电致发光器件，获得了高效率的红外、绿色电致发光。
　　第一，利用原子层沉积法以Er(thd)3和O3作为前驱体在硅衬底上沉积Er2O3薄膜。Er2O3薄膜的ALD生长温度窗口为225-350℃，沉积速率约为0.215?/cycle，折射率为1.966。ALD沉积的薄膜为立方晶系的方铁锰矿晶体结构。薄膜经过1000℃以上高温N2气氛下退火1小时薄膜与硅衬底发生化学反应生成单斜晶系的Er2SiO3。
　　第二，利用原子层沉积法以Tb(thd)3和O3作为前驱体在硅衬底上沉积Tb2O3薄膜。Tb2O3薄膜的ALD生长温度窗口为325-350℃，沉积速率为0.606?/cycle，薄膜的折射率约为2.078。ALD生长的Tb2O3薄膜为立方结构，经过1000℃以上N2退火后Tb2O3与硅衬底反应生成磷灰石相铽硅酸盐化合物。光致发光方面发光，Tb3+离子在铽硅酸盐化合物结构中比在简立方结构Tb2O3中更容易发光。
　　第三，利用原子层沉积法以TDMAT和O3作为前驱体在硅衬底上沉积TiO2薄膜。TiO2薄膜的ALD生长温度窗口为100-350℃，沉积速率约为0.46?/cycle。TiO2薄膜在200℃以下生长非晶态结构，200-350℃生长为锐钛矿结构。非晶态TiO2薄膜经过300-1100℃ N2退火后1小时候转变为锐钛矿结构，生长的锐钛矿TiO2薄膜经过1000℃以上N2退火后1小时候转变为金红石结构。锐钛矿TiO2薄膜光致发光光谱出现波长为515nm附近的绿光和620nm附近的红光。绿光来源于锐钛矿(101)晶面的氧空位缺陷，红光来源于锐钛矿TiO2薄膜表面未配位完全的Ti3＋离子的缺陷。金红石结构的TiO2薄膜光致发光光谱出现波长为820nm附近的近红外光，其来源于金红石结构TiO2导带电子与金红石相(110)面的空穴之间的辐射复合跃迁以及金红石相(110)面的氧空位缺陷。
　　第四，利用原子层沉积法制备了 Er2O3薄膜纳米层状掺杂硅基 MOS红外1533nm电致发光器件。研究表明单个周期稀土掺杂层之间 SiO2等于过热电子在SiO2导带加速的平均自由程时，器件的电致发光量子效率最高可达21％。
　　第五，利用原子层沉积法制备了Tb2O3薄膜纳米层状掺杂硅基MOS绿色电致发光器件。研究表明绿光来源于过热电子碰撞发光中心Tb3＋离子基态5D3能级电子激发跃迁至7FJ能级再回到基态。当稀土Tb3＋离子的掺杂浓度为3%时，器件的发光效率达到最大值。

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第一章 绪论

第一节集成电路的发展

第二节 硅基光源的研究进展

第三节 原子层沉积法制备稀土氧化物薄膜的研究进展

第四节 本论文的结构

第二章 样品制备与表征

第一节引言

第二节 样品制备设备

第三节 材料表征方法

第四节本章小结

第三章 稀土氧化物薄膜的原子层沉积法制备及其发光性质研究

第一节 引言

第二节 Er2O3薄膜的ALD研究

第三节 Tb 2O3薄膜的ALD研究

第四节 本章小结

第四章 TiO2薄膜的ALD生长及发光性质的研究

第一节引言

第二节 TiO2薄膜的ALD生长

第三节 TiO2薄膜的结构与缺陷发光性质研究

第四节 本章小结

第五章 稀土掺杂硅基MOS电致发光器件的研究

第一节 引言

第二节 Er2O3薄膜纳米层状掺杂硅基MOS红外电致发光器件研究

第三节 Tb2O3薄膜纳米层状掺杂硅基MOS电致发光器件研究

第四节 本章小结

第六章 总结与展望

第一节 论文总结

第二节 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表学术论文与研究成果