硅、锗MOS结构的场致二阶非线性光学效应的研究

论文摘要

硅、锗MOS结构是硅基和锗基半导体器件的基本结构单元,作为集成电路基本器件单元的MOSFET和CMOS中的栅区就是典型的MOS结构。MOS结构中的界面特性对器件性能的影响巨大,因此分析MOS结构的界面性质十分重要。早期,人们对硅、锗材料表面和界面的场致二次谐波产生效应进行了深入研究,并将其发展为检测硅、锗材料表面和界面性质的有效方法。但是人们对硅和锗表面、特别是硅和锗MOS结构界面处的场致Pockels效应和场致光整流效应研究甚少。因此,本论文将重点开展这方面的研究工作,并探索将场致Pockels效应和场致光整流效应作为表面和界面分析方法的可行性。论文的主要研究工作和取得的研究结果如下:1.基于经典极化理论,对场致Pockels效应和场致光整流效应进行了理论描述。测量了Si（100）和Si（110）MOS结构中界面层和表层的Pockels效应和光整流效应。发现SiO2/Si界面处的Pockels信号和光整流信号远强于无SiO2薄膜的硅表层中的相应信号。Raman光谱结果表明,Si（100）和Si（110）晶面沉积SiO2薄膜后,导致Raman峰位都蓝移了1.75 cm-1,证明SiO2薄膜导致硅表层产生了压应力,并估算出由应力诱导产生的二阶非线性极化率分别为13.8 pm/V和11.6pm/V。2.对Ge（100）和Ge（110）MOS结构的场致Pockels效应和场致光整流效应进行了测量。实验结果表明SiO2/Ge界面和Ge晶体表层附近均存在显著的Pockels信号和光整流信号,并且沉积了SiO2薄膜一侧的Pockels信号和光整流信号均强于未沉积SiO2薄膜一侧。Raman结果表明,表面的SiO2薄膜在Ge（100）表层引起了张应变,导致Raman峰位红移了1.79 cm-1,由张应变诱导产生的二阶非线性极化率约为271.5 pm/V。3.测量了Si（100）、Si（110）和Ge（100）MOS结构中场致光整流信号沿晶面法线方向的分布。利用极化场与光波电场的重叠积分对实验数据进行了理论模拟,并估算出在SiO2/Si（100）界面层和Si（100）表层处由电场诱导的二阶非线性极化率张量的大小约为xⅠ-电场2eff≈13.67 pm/V,xⅡ-电场2eff≈13.4 pm/V。在SiO2/Si（110）界面层和Si（110）表层处由电场诱导的二阶非线性极化率张量的大小约为xⅠ-电场2eff≈16.02 pm/V,xⅡ-电场2eff≈11.05 pm/V。证明场致光整流信号的分布与MOS结构-电场内的界面态、自建电场、应变场、空间电荷区宽度、光斑尺寸密切相关。场致光整流效应可以作为研究硅、锗等具有反演对称性的材料表面或界面性质的辅助手段。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 MOS结构与集成电路

1.2 集成电路和MOS结构的光学检测方法

1.2.1 电光检测技术

1.2.2 场致二次谐波产生光谱检测技术

1.3 场致Pockels效应和场致光整流效应

1.4 应力诱导的二阶非线性光学效应

1.5 本论文的主要研究工作及意义

1.5.1 本论文的研究意义

1.5.2 本论文的基本结构及主要研究工作

第2章硅基MOS结构的Pockels效应和光整流效应

2.1 引言

2.2 Pockels效应的基本理论

2.3 Si（100）MOS结构的场致Pockels效应

2.3.1 Si（100）样品结构

2.3.2 Pockels效应实验测量系统及原理

2.3.3 实验结果及分析

2.4 Si（110）MOS结构的场致Pockels效应

2.4.1 Si（110）样品结构

2.4.2 实验结果及分析

2.5 Si（100）MOS结构的场致光整流效应

2.5.1 光整流效应的基本理论

2.5.2 实验测量系统及原理

2.5.3 实验结果及分析

2.6 Si（110）MOS结构的场致光整流效应

2.7 硅材料的拉曼测试

2.7.1 Si（100）样品拉曼测试结果

2.7.2 Si（110）样品拉曼测试结果

2.8 小结

第3章锗基MOS结构的Pockels效应和光整流效应

3.1 引言

3.2 Ge（100）MOS结构的场致Pockels效应

3.2.1 Ge（100）样品结构

3.2.2 实验测试系统及原理

3.2.3 实验结果及分析

3.3 Ge（100）MOS结构的场致光整流效应

3.3.1 实验测试系统及原理

3.3.2 实验结果及分析

3.4 Ge（110）MOS结构的场致光整流效应

3.5 锗材料的拉曼测试结果

3.6 小结

第4章 MOS结构中光整流信号的法向分布

4.1 Si（100）MOS结构中光整流信号的法向分布研究

4.1.1 光整流信号沿法线方向分布的实验研究

4.1.2 光整流信号沿法线方向分布的理论分析

4.2 Si（110）MOS结构中光整流信号的法向分布研究

4.3 Ge（100）MOS结构中光整流信号的法向分布研究

4.4 小结

第5章总结

参考文献

作者简介及在学期间所取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张丽

导师: 陈占国

关键词: 二阶非线性光学效应,效应,光整流效应,结构,界面

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 吉林大学

分类号: TN386;O437

总页数: 79

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