研究目的
研究嵌入氧化硅和氧氮化硅基质中的磷和硼掺杂硅纳米晶体的特性，以确定自由载流子的存在以及常规杂质掺杂在纳米尺度上的效率。
研究成果
研究表明，由于量子限制、介电限制以及间隙掺杂剂掺入等因素，在室温下嵌入氧化硅或氧氮化硅基体中的P型或B型掺杂硅纳米晶体内不存在自由载流子。高电场下虽可通过场电离产生载流子，但掺杂效率较低。这对纳米尺度器件应用具有重要启示，表明需要采用替代性掺杂方法。
研究不足
该研究仅限于低掺杂浓度（0.1-1原子百分比）和小尺寸硅纳米晶（≤5纳米），可能无法代表更高掺杂水平或更大纳米结构的情况。原子探针断层扫描测量存在因局部放大效应等伪影导致的不确定性，且在SRON中对极低硼浓度无法获得具有统计意义的APT数据。电学测量结果受基体特性影响，可能掩盖部分效应。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备磷（P）和硼（B）掺杂的氧化硅（SRO）与氧氮化硅（SRON）基质硅纳米晶（Si NCs），后续进行退火处理及氢钝化。分析方法包括原子探针断层扫描（APT）用于结构分析、光致发光（PL）与瞬态热反射（TT）用于光学特性、以及电流-电压（I-V）测量用于电学特性。
2：样本选择与数据来源：
样本为沉积于硅和石英玻璃基底上的SiO?与SRO/SRON超晶格，掺杂浓度范围为0.1–1原子百分比。数据源自制备的薄膜，并通过多种分析技术测量获得。
3：1–1原子百分比。数据源自制备的薄膜，并通过多种分析技术测量获得。 实验设备与材料清单：
3. 实验设备与材料清单：设备包括PECVD系统、石英管式炉、MCs?-二次离子质谱仪（Cameca IMS-4f）、原子探针断层扫描仪（LEAP 4000X Si，Cameca）、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM，Auriga，Zeiss）、配备氦镉激光器与液氮冷却CCD的光致发光装置、搭载飞秒激光系统（Tsunami，Spitfire，Newport）的瞬态热反射装置，以及电流-电压测量系统（Agilent B1500A，Cascade M150探针台）。材料包括硅烷（SiH?）、一氧化二氮（N?O）、氧气（O?）、磷化氢/氩气（PH?/Ar）、乙硼烷/硅烷（B?H?/SiH?）、超高纯氮气（H?）与氢气，以及用于接触的铝（Al）。
4：实验流程与操作步骤：
通过PECVD沉积，1100–1150°C氮气氛围退火，450°C氢钝化，样品制备（如MOS电容器制作），并使用SIMS、APT、PL、TT及I-V技术按各方法指定参数采集数据。
5：数据分析方法：
数据分析涉及APT的邻近元素分布图分析、PL与TT曲线拟合、瞬态电流积分计算自由载流子密度，以及采用统计方法和IVAS等软件工具对比掺杂与未掺杂样本的结果。
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Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope
Auriga
Zeiss
Structuring APT specimens (needle-shaped tips).
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Semiconductor Device Analyzer
B1500A
Agilent
Measuring current-voltage (I-V) and current-time (I-t) characteristics.
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Secondary Ion Mass Spectrometer
IMS-4f
Cameca
Quantifying sample composition including P- or B-concentration using MCs+-SIMS.
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Atom Probe Tomograph
LEAP 4000X Si
Cameca
Measuring structural details of impurity elements in Si NCs using APT.
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Laser System
Tsunami, Spitfire
Newport
Used in transient transmission measurements with pump and probe configuration.
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Prober
M150
Cascade
Used in electrical measurements for probing devices.
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