高剂量As离子注入对高阻Si电学特性的影响

朱贺; 张兵坡; 王淼; 胡古今; 戴宁; 吴惠桢

doi:10.7498/aps.63.136803

摘要

为了实现低电阻率厚度为纳米级的红外探测器电极材料，通过离子注入的方法将高浓度的As掺入高阻单晶硅，并经过快速退火处理，获得了厚度～ 200 nm、电阻率为10-4Ω·cm的Si：As电极层. 原子力显微镜测试结果表明，离子注入的样品表面依然较平整，表面均方根粗糙度仅为0.5 nm. 使用聚焦离子束设备（FIB）制备高分辨透射电镜（HRTEM）样品，高浓度的As掺入虽然会损伤Si晶格、引入大量的缺陷，但是HRTEM观察表明合适的退火工艺能够使得完整晶格得到恢复，而且霍尔效应和扩展电阻的测量分析表明，用离子注入方法制备的Si：As层载流子浓度达到2.5×1020 cm-3、电子迁移率高于40 cm2/V·s，具有优异的电学性能，适合用作各种Si基光电器件的背电极.

关键词:

Abstract

To achieve nanoscale infrared photodetector electrodes with low resistivity, ion-implantation is used to implant high dose of As ion into high-resistivity silicon, and followed by rapid thermal annealing (RTA). A 200 nm thick Si:As layer with resistivity of 10-4 Ω · cm is obtained. Characterization by atomic force microscopy shows that the surfaces of the ion-implanted samples are smooth with a root-mean-square (RMS) coarseness of 0.5 nm. Although introduction of As ions destroys the lattice structure of crystalline silicon and causes a plenty of defects, proper annealing can restore the crystal lattice, as evidenced by the HRTEM observation of the annealed sample prepared by using focused ion beam (FIB) technology. Besides, the measurements of hall effect and spreading resistance indicate that the Si:As layer has good electrical properties including high carrier concentrations 2.5 × 1020 cm-3, high electron mobilities 40 cm2/V · s, and high electrical conductivities. The low resistivity Si:As material obtained is suitable to be used as the back electrodes of silicon-based optoelectronic devices.

Keywords:

作者及机构信息

1.
浙江大学物理系和硅材料国家重点实验室, 杭州 310027;

2.
中国科学院上海技术物理研究所, 红外物理国家重点实验室, 上海 200083

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：61290305和11374259）资助的课题.

Authors and contacts

1.
Department of Physics and State Key Laboratory of Silicon Materials, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;

2.
Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, State Key Laboratory of Infrared Physics, Shanghai 200083, China

Funds: Project supported by the the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61290305, 11374259).

参考文献

[1]	Jiang T, Cheng X A, Xu Z J, Lu Q S 2013 Acta Phys. Sin. 62 097303 (in Chinese)[江天, 程湘爱, 许中杰, 陆启生 2013 物理学报 62 097303]
[2]	Wei X D, Cai C F, Zhang B P, Hu L, Wu H Z, Zhang Y G, Feng J W, Lin J M, Lin C, Fang W Z, Dai N 2011 J. Infrared Millim. Waves 30 293 (in Chinese) [魏晓东, 蔡春峰, 张兵坡, 胡炼, 吴惠桢, 张永刚, 冯靖文, 林加木, 林春, 方维政, 戴宁 2011 红外与毫米波学报 30 293]
[3]	Meng Q R, Yu Q, Zhang L W, Lv Y Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 226103 (in Chinese)[孟庆端, 余倩, 张立文, 吕衍秋 2012 物理学报 61 226103]
[4]	Rogalski A 2003 Prog. Quant. Electron 27 59
[5]	Rogalski A 2011 Infrared Phys. Technol. 54 136
[6]	Rogalski A 2007 Infrared Phys. Technol. 50 240
[7]	Patrashin M, Hiromoto N, Fouks B, Maslov I A, Ledenev V M 1999 J. Appl. Phys. 86 3797
[8]	Cardozo B L, Reichertz L A, Beeman J W, Haller E E 2005 Infrared Phys. Technol. 46 400
[9]	Szmulowicz F, Madarasz F L 1987 J. Appl. Phys. 62 2533
[10]	Guo H, Wang Y H, Zhang Y M, Qiao D Y, Zhang Y M 2009 Chin. Phys. B 18 4470
[11]	Guo H, Zhang Y M, Qiao D Y, Sun L, Zhang Y M 2007 Chin. Phys. B 16 1753
[12]	Nylandsted Larsen A, O'Raifeartaigh C, Barklie R C, Holm B, Priolo F, Franzo G, Lulli G, Bianconi M, Nipoti R, Lindner J K N, Mesli A, Grob J J, Cristiano F, Hemment P L F 1997 J. Appl. Phys. 81 2208
[13]	Lietoila A, Gibbons J F, Magee T J, Peng J, Hong J D 1979 Appl. Phys. Lett. 35 532
[14]	Qin X F, Liang Y, Wang F X, Li S, Fu G, Ji Y J 2011 Acta Phys. Sin. 60 066101 (in Chinese)[秦希峰, 梁毅, 王凤翔, 李双, 付刚, 季艳菊 2011 物理学报 60 066101]
[15]	Xu D Q, Zhang Y M, Lou Y L, Tong J 2014 Acta Phys. Sin. 63 047501 (in Chinese)[徐大庆, 张义门, 娄永乐, 童军 2014 物理学报 63 047501]
[16]	Fulks R T 1981 Appl. Phys. Lett. 39 604
[17]	Pandey K, Erbil A, Cargill G, Boehme R, Vanderbilt D 1988 Phys. Rev. Lett. 61 1282
[18]	Xu R, Jia G, Liu C L 2014 Acta Phys. Sin. 63 078501 (in Chinese)[许蓉, 贾光, 刘昌龙 2014 物理学报 63 078501]
[19]	Parisini A, Bourret A, Armigliato A, Servidori M, Solmi S, Fabbri R, Regnard J R, Allain J L 1990 J. Appl. Phys. 67 2320
[20]	Lindhard J, Scharff M, Schidtt H E 1963 Mat. Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. 33 14
[21]	Kevin M, Klein C P, Al F Tasch 1992 IEEE T. Electron Dev. 39 1614
[22]	Suzuki K 2009 FUJITSU Sci. Tech. J. 46 307
[23]	Solmi S, Nobili D, Shao J 2000 J. Appl. Phys. 87 658
[24]	Nobili D, Celotti G, Solmi S 1983 J. EIectrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology 130 922
[25]	Nobili D, Solmi S, Parisini A, Derdour M, Armigliato A, Moro L 1994 Phys. Rev. B 49 2477

施引文献

[1]	Jiang T, Cheng X A, Xu Z J, Lu Q S 2013 Acta Phys. Sin. 62 097303 (in Chinese)[江天, 程湘爱, 许中杰, 陆启生 2013 物理学报 62 097303]
[2]	Wei X D, Cai C F, Zhang B P, Hu L, Wu H Z, Zhang Y G, Feng J W, Lin J M, Lin C, Fang W Z, Dai N 2011 J. Infrared Millim. Waves 30 293 (in Chinese) [魏晓东, 蔡春峰, 张兵坡, 胡炼, 吴惠桢, 张永刚, 冯靖文, 林加木, 林春, 方维政, 戴宁 2011 红外与毫米波学报 30 293]
[3]	Meng Q R, Yu Q, Zhang L W, Lv Y Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 226103 (in Chinese)[孟庆端, 余倩, 张立文, 吕衍秋 2012 物理学报 61 226103]
[4]	Rogalski A 2003 Prog. Quant. Electron 27 59
[5]	Rogalski A 2011 Infrared Phys. Technol. 54 136
[6]	Rogalski A 2007 Infrared Phys. Technol. 50 240
[7]	Patrashin M, Hiromoto N, Fouks B, Maslov I A, Ledenev V M 1999 J. Appl. Phys. 86 3797
[8]	Cardozo B L, Reichertz L A, Beeman J W, Haller E E 2005 Infrared Phys. Technol. 46 400
[9]	Szmulowicz F, Madarasz F L 1987 J. Appl. Phys. 62 2533
[10]	Guo H, Wang Y H, Zhang Y M, Qiao D Y, Zhang Y M 2009 Chin. Phys. B 18 4470
[11]	Guo H, Zhang Y M, Qiao D Y, Sun L, Zhang Y M 2007 Chin. Phys. B 16 1753
[12]	Nylandsted Larsen A, O'Raifeartaigh C, Barklie R C, Holm B, Priolo F, Franzo G, Lulli G, Bianconi M, Nipoti R, Lindner J K N, Mesli A, Grob J J, Cristiano F, Hemment P L F 1997 J. Appl. Phys. 81 2208
[13]	Lietoila A, Gibbons J F, Magee T J, Peng J, Hong J D 1979 Appl. Phys. Lett. 35 532
[14]	Qin X F, Liang Y, Wang F X, Li S, Fu G, Ji Y J 2011 Acta Phys. Sin. 60 066101 (in Chinese)[秦希峰, 梁毅, 王凤翔, 李双, 付刚, 季艳菊 2011 物理学报 60 066101]
[15]	Xu D Q, Zhang Y M, Lou Y L, Tong J 2014 Acta Phys. Sin. 63 047501 (in Chinese)[徐大庆, 张义门, 娄永乐, 童军 2014 物理学报 63 047501]
[16]	Fulks R T 1981 Appl. Phys. Lett. 39 604
[17]	Pandey K, Erbil A, Cargill G, Boehme R, Vanderbilt D 1988 Phys. Rev. Lett. 61 1282
[18]	Xu R, Jia G, Liu C L 2014 Acta Phys. Sin. 63 078501 (in Chinese)[许蓉, 贾光, 刘昌龙 2014 物理学报 63 078501]
[19]	Parisini A, Bourret A, Armigliato A, Servidori M, Solmi S, Fabbri R, Regnard J R, Allain J L 1990 J. Appl. Phys. 67 2320
[20]	Lindhard J, Scharff M, Schidtt H E 1963 Mat. Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk. 33 14
[21]	Kevin M, Klein C P, Al F Tasch 1992 IEEE T. Electron Dev. 39 1614
[22]	Suzuki K 2009 FUJITSU Sci. Tech. J. 46 307
[23]	Solmi S, Nobili D, Shao J 2000 J. Appl. Phys. 87 658
[24]	Nobili D, Celotti G, Solmi S 1983 J. EIectrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology 130 922
[25]	Nobili D, Solmi S, Parisini A, Derdour M, Armigliato A, Moro L 1994 Phys. Rev. B 49 2477

[1]	张娜, 刘波, 林黎蔚. He离子辐照对石墨烯微观结构及电学性能的影响. 物理学报, 2020, 69(1): 016101. doi: 10.7498/aps.69.20191344
[2]	曹兴忠, 宋力刚, 靳硕学, 张仁刚, 王宝义, 魏龙. 正电子湮没谱学研究半导体材料微观结构的应用进展. 物理学报, 2017, 66(2): 027801. doi: 10.7498/aps.66.027801
[3]	李丽丽, 张晓虹, 王玉龙, 国家辉, 张双. 基于聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料微观结构的力学性能模拟. 物理学报, 2016, 65(19): 196202. doi: 10.7498/aps.65.196202
[4]	甄康, 顾然, 叶建东, 顾书林, 任芳芳, 朱顺明, 黄时敏, 汤琨, 唐东明, 杨燚, 张荣, 郑有炓. 离子注入对ZnTe:O中间带光伏材料的微观结构及光学特性的影响. 物理学报, 2014, 63(23): 237103. doi: 10.7498/aps.63.237103
[5]	杨天勇, 孔春阳, 阮海波, 秦国平, 李万俊, 梁薇薇, 孟祥丹, 赵永红, 方亮, 崔玉亭. 退火温度对N+注入ZnO:Mn薄膜结构及室温铁磁性的影响. 物理学报, 2012, 61(16): 168101. doi: 10.7498/aps.61.168101
[6]	李天晶, 李公平, 马俊平, 高行新. 钴离子注入对二氧化钛晶体的结构和光学性能的影响. 物理学报, 2011, 60(11): 116102. doi: 10.7498/aps.60.116102
[7]	杨义涛, 张崇宏, 周丽宏, 李炳生, 张丽卿. 惰性气体离子注入铝镁尖晶石合成金属纳米颗粒的探索. 物理学报, 2009, 58(1): 399-403. doi: 10.7498/aps.58.399
[8]	苏海桥, 薛书文, 陈猛, 李志杰, 袁兆林, 付玉军, 祖小涛. Ti离子注入和退火对ZnS薄膜结构和光学性质的影响. 物理学报, 2009, 58(10): 7108-7113. doi: 10.7498/aps.58.7108
[9]	付伟佳, 刘志文, 刘明, 牟宗信, 张庆瑜, 关庆丰, 陈康敏. 离子注入Zn的Si(001)基片热氧化制备纳米ZnO团簇及其生长行为研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5693-5699. doi: 10.7498/aps.58.5693
[10]	杨义涛, 张崇宏, 周丽宏, 李炳生. 铝镁尖晶石中He离子注入引起损伤的退火行为研究. 物理学报, 2008, 57(8): 5165-5169. doi: 10.7498/aps.57.5165
[11]	靳惠明, Felix Adriana, Aroyave Majorri. 注镧Co-Cr合金表面氧化膜生长规律与微观结构表征. 物理学报, 2008, 57(1): 561-565. doi: 10.7498/aps.57.561
[12]	杨海波, 胡明, 张伟, 张绪瑞, 李德军, 王明霞. 基于纳米压痕法的多孔硅硬度及杨氏模量与微观结构关系研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4032-4038. doi: 10.7498/aps.56.4032
[13]	胡良均, 陈涌海, 叶小玲, 王占国. Mn离子注入InAs/GaAs量子点结构材料的光电性质研究. 物理学报, 2007, 56(8): 4930-4935. doi: 10.7498/aps.56.4930
[14]	陈志权, 河裾厚男. He离子注入ZnO中缺陷形成的慢正电子束研究. 物理学报, 2006, 55(8): 4353-4357. doi: 10.7498/aps.55.4353
[15]	侯娟, 郑毓峰, 董有忠, 匡代洪, 孙言飞, 李强. Er3+注入CdTe薄膜的结构和光电性能研究. 物理学报, 2006, 55(12): 6684-6690. doi: 10.7498/aps.55.6684
[16]	钟红梅, 陈效双, 王金斌, 夏长生, 王少伟, 李志锋, 徐文兰, 陆卫. 基于离子注入技术的ZnMnO半导体材料的制备及光谱表征. 物理学报, 2006, 55(4): 2073-2077. doi: 10.7498/aps.55.2073
[17]	冯文然, 阎殿然, 何继宁, 陈光良, 顾伟超, 张谷令, 刘赤子, 杨思泽. 反应等离子喷涂纳米TiN涂层的显微硬度及微观结构研究. 物理学报, 2005, 54(5): 2399-2402. doi: 10.7498/aps.54.2399
[18]	王文武, 谢二庆, 贺德衍. 离子束合成钇硅化物的结构及红外谱特征. 物理学报, 2003, 52(1): 233-236. doi: 10.7498/aps.52.233
[19]	张纪才, 戴伦, 秦国刚, 应丽贞, 赵新生. 离子注入GaN的拉曼散射研究. 物理学报, 2002, 51(3): 629-634. doi: 10.7498/aps.51.629
[20]	李晓娜, 聂冬, 董闯, 马腾才, 金星, 张泽. 离子注入合成β-FeSi2薄膜的显微结构. 物理学报, 2002, 51(1): 115-124. doi: 10.7498/aps.51.115

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