权威国防科技信息门户
国防科技大数据智能情报平台
DSTIS征订中
DPS国防术语智能定位系统
国外国防科技文献资料快报
公告:
DSTIS国防军工信息资源内网服务系统2019年征订开始  
科学家论证了硅基光电子学中离子注入的巨大前景
2020-06-08


[据美国物理学组织网202065日报道] 近日,俄罗斯罗巴切夫斯基大学利用硅离子辐照硅样品的表面层,然后再对其进行退火处理,在硅表面层中获得高浓度的位错;最终,引入位错的硅在外部激发下发射波长接近1.5微米的光;为了解决位错相关光致发光硅器件的发光热稳定性差的问题,研究人员再进行掺杂硼离子,最终发光热稳定性得到了较大改善。该项研究为研制高性能的硅基光发射器提供了参考。



硅是电子工程学中最重要的材料之一。硅基光电子在现代信息和计算技术中扮演着关键角色,其应用领域包括:计算机、通信、航天、生物医学和机器人等。俄罗斯罗巴切夫斯基大学物理与技术研究所实验室主任阿列克谢·米哈伊洛夫(Alexey
Mikhaylov
)表示,传统集成电路运行速度提升的主要障碍是电信号在金属互连线路中的传播速度受到限制。因此,为了克服这一限制,需要用光波导代替金属互连线,使传统电子学向光电子学过渡,而在光电子学中,有源元件是光发射器和接收器,而不是晶体管。



硅基器件作为光接收器表现出了优异的性能,但与三五族半导体器件不同,由于硅具有间接带隙,因此这类器件作为光发射器时的性能受限。严格意义上讲,根据量子力学原理,硅基光发射器电子结构的这一特征阻碍了外部激发下的光发射(发光)。罗巴切夫斯基大学首席研究员David
Tetelbaum
教授指出,在光电子学发展的新阶段丢弃硅是非常不可取的,因为丢弃硅就相当于抛弃了一种用于大规模生产集成电路最完美的技术方案。如果利用三五族材料来制作半导体器件,这将大幅增加制造成本,而且会带来环境污染问题。



为了解决硅基光发射器的光发射受限问题,科学家们正在尝试通过使用纳米晶体硅或在硅衬底上镀其他发光材料膜的方法。然而,纳米晶体硅的光发射率(发光效率)仍然不足以满足实际应用;此外,纳米晶体硅在可见辐射的“红光”边缘区域发光,而在许多技术应用中,特别是在光纤通信技术中,需要更长的波长(1.5微米)的光。在硅衬底上镀“外来”发光材料层与传统硅技术的兼容性也很差。解决上述问题的有效方法是在硅中引入一种特殊的线性缺陷,即位错。
研究人员通过实验研究表明,通过利用能量为
100 千电子伏特量级的硅离子辐照硅表面层,然后在高温下再对其进行退火,可以在硅表面层中获得高浓度的位错;最终,引入位错的硅在外部激发下发射波长接近1.5微米的光。



阿列克谢·米哈伊洛夫(Alexey
Mikhaylov
)表示,发光强度似乎取决于离子注入和退火条件。然而,位错相关光致发光所面临的主要问题是:在低温下(特别是在25开尔文以下),发光强度与温度呈正比;但在较高温度下,随着温度的升高发光强度迅速衰减。因此,探究一种提升位错相关发光热稳定性的方法是非常重要的。
为了解决上述问题,罗巴切夫斯基大学与俄罗斯科学院固态物理研究所和Alekseev州立技术大学联合进行了研究,并在俄罗斯基础研究基金会的支持下取得了重大进展。



先前的研究已得出结论:在硅样品中实现位错相关光致发光的一种方法是将硅离子注入到硅中(自注入),然后进行退火。当发现额外的硼离子掺杂后可以增强发光强度时,罗巴切夫斯基大学的研究团队认为实现光致发光并不是注入技术的唯一好处。然而,仅增强发光强度这一特性仍然不能解决主要问题。而且,仍然不清楚硼离子掺杂如何影响发光热稳定性(这是一个关键参数),以及在什么条件下这种影响将最为明显。



在这项研究中,科学家已通过实验证实了硅掺杂硼离子后发光热稳定性有所提高。而且,该影响非单调地取决于硼掺杂浓度,在一定掺杂浓度范围内,在发光强度与温度的关系曲线上,在20开尔文区域的温度范围内出现了通常的低温发光强度最大值,而在90开尔文至100开尔文温度范围内则出现了第二个明显的发光强度最大值。泰特尔鲍姆(Tetelbaum)教授表示:重要的是,硼的“有益”作用是独特的,因为用另一种离子代替硼离子则不会产生上述效果。利用硅离子辐照形成位错相关光致发光的硅样品,再进行硼离子掺杂和热处理优化后,我们发现:使用先前实验的最高剂量的硼离子,并在830°C进行额外热处理,可以在室温下实现硅器件可测量的发光水平。在未来的实验中,我们将进一步优化离子注入和热处理条件,将为光电子学中的硅应用提供广阔的前景。(国家工业信息安全发展研究中心
郑发松)



相关新闻

DSTIS 国防科技工业信息服务系统
中国核科技信息与经济研究院 中国航天系统科学与工程研究院 中国航空工业发展研究中心
中国船舶工业综合技术经济研究院 中国船舶信息中心 北方科技信息研究所 工业和信息化部电子科学技术情报研究所
DSTI简介 | 大事记 | 网站动态 | 产品介绍 | 广告服务 | 客户服务 | 联系方式 | 共建单位 | 合作媒体  
国防科技信息网 dsti.net © 2006 - 2020 版权所有 京ICP备10013389号