Исследование поверхности, электрических и оптических свойств пленок аморфного кремния (a-Si) и микрокристаллического кремния (mc-Si)

Участники проекта: ФФ ННГУ, НИФТИ ННГУ, Центр СЗМ.

Руководитель проекта: проф. А.Ф.Хохлов, зав. Кафедрой физики полупроводников и оптоэлектроники, ФФ ННГУ.

Исполнители:
Доцент А.А.Ежевский —ФФ ННГУ,
Доцент. А.И.Машин —ФФ ННГУ,
Доцент. Д.А.Павлов —ФФ ННГУ,
Доцент. А.В.Ершов —ФФ ННГУ,
Ведущий научный сотрудник, к.ф.-м.н. В.Г.Шенгуров, —НИФТИ ННГУ,
Младший научный сотрудник Ю.Ю.Гущина — Центр СЗМ,
Аспирант (Руководитель — профессор А.Ф.Хохлов),
Студент магистратуры (Руководитель — доцент Д.А.Павлов),
Студент магистратуры (Руководитель — проф. А.А.Ежевский),
Студент 4 курса (Руководитель - доц. А.И.Машин).

Задачей работы является:

1) исследование влияния размерного квантования в сверхрешетках на основе аморфных материалов a-Si/ZrOx и нанокристаллического кремния (nc-Si) на их электронные и оптические свойства;

2) исследование модификации структуры и свойств кристаллического и аморфного Si при ионной имплантации, отжиге и других физико-химических воздействиях.

Основные результаты.

1. Наиболее важные достигнутые результаты:

· Разработана методика получения многослойных периодических наноструктур (МНС) на основе аморфного кремния методом электронно-лучевого испарения. Получена серия МНС a-Si/ZrOx, a-Si/a-Ge, a-Si/SiO2 и a-Ge/SiO2 с толщиной слоев от 3 до 35 нм и числом периодов от 6 до 25.

· Установлена сплошность слоев и измерена толщина ультратонких пленок a-Si, a-Ge, SiO2, ZrOx методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) при совместном анализе изображений топографии и фазового контраста. Толщина пленок, измеренная методом АСМ, согласуется с данными эллипсометрии в пределах ~10%.

· Методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) исследована периодичность МНС a-Si/ZrOx и a-Si/a-Ge. Исследован профиль клина травления МНС a-Si/ZrOx, на котором получена серия ступеней и террас, соответствующих числу периодов МНС, в то время как на поперечном сечении МНС a-Si/a-Ge разрешимы слои, составляющие структуру. Установлена композиционная периодичность МНС a-Si/ZrOx с помощью Оже-спектроскопии.

Рис. Торец МНС a-Si/a-Ge: 1) подложка GaAs (100);
2) торец МНС a-Si/a-Ge;
3) покровный слой a-Ge (~ 0.7 mm).

Рис. Торец МНС a-Si/a-Ge на площади сканирования 248´248 нм. Искажение картины связано с частичным отслаиванием аморфной пленки в процессе формирования скола.

· периодичность МНС a-Si/a-Ge, a-Ge/SiO2 и a-Si/ZrOx методом малоугловой рентгеновской дифракции (МРД). Значения периода МНС, найденные с помощью метода МРД, хорошо согласуются с данными АСМ. Оценка стандартного отклонения s = (2.8 ¸ 4.8) Å, характеризующего идеальность структуры, показала, что полученные МНС обладают высокой степенью периодичности.

· Исследовано оптическое поглощение МНС a-Si/ZrOx в зависимости от толщины ямных слоев. В спектрах оптического поглощения обнаружено отклонение от закона Тауца и увеличение эффективной оптической щели при толщине ямных слоев £ 5 нм. Эффект интерпретирован как результат размерного квантования.

· Исследована электропроводность МНС вдоль и нормально к границам раздела слоев. Обнаружен эффект токов ограниченных объемным зарядом (ТООЗ) при приложении электрического поля вдоль границ раздела слоев.

· Исследованы вольтамперные характеристики (ВАХ) МНС a-Si/SiO2при приложении электрического поля по нормали к границам раздела слоев. В области слабых полей (до 105 В/см или до 1 В) возникновение участков в виде плато на ВАХ в МНС с толщиной ямных слоев 5 нм интерпретировано в рамках эффекта резонансного туннелирования. Обнаружено, что структуры пробиваются в полях напряженностью >107 В/см. Пробой сопровождается ловушечными эффектами ТООЗ, обусловленными протеканием инжекционных токов в слоях диэлектрика.

Профиль клина травления структуры a-Si/ZrOx с толщинами слоев a-Si и ZrOx соответственно 3 и 3 нм и числом периодов 14 (образец № 9), полученная методом Non-Contact AFM (Periodic contact).

2. Методом АСМ исследована поверхность пленок аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H), полученных методом разложения силана (SiH4) в ВЧ- тлеющем разряде. Исследовалось влияние температуры отжига на топографию поверхности, микротвердость и топографию силы трения. Образцы, отожженные при 500°C, имели структуру ближнего порядка, отличную от тетраэдрической.

3. Исследование наноструктур в кремнии, сформированных в процессе ионной бомбардировки.

Нанокристаллический кремний вследствие квантоворазмерного ограничения для электронов и дырок имеет ряд новых свойств, не характерных для монокристаллов. Однако получение нанокристаллического кремния на основе пористого использует метод анодного травления кремния, который, к сожалению, не обладает достаточной чистотой. Поэтому, в настоящее время еще нет достаточных доказательств единственности квантоворазмерного механизма при объяснении, например, люминесценции в пористом кремнии. Необходимо рассматривать другие, более чистые, методы получения нанокристаллического кремния.

В данной работе рассматривается принципиально иной подход в получении люминесцирующего нанокристаллического кремния, основанный на перекристаллизации аморфного приповерхностного слоя под действием пучка ионов инертных газов. Инертные газы, не являясь активной примесью, приводят к возникновению в модифицированном слое различного рода радиационных дефектов и упругих напряжений, ведущих к формированию кремниевых нанокристаллитов. Чистота и контролируемость процесса получения, а так же появление в видимой области интенсивной линии фотолюминесценции позволяют данному методу составить конкуренцию применяемым сейчас способам получения нанокристаллического кремния.

Облучение поверхности монокристаллического кремния ионами инертных газов (Ne, Ar) при дозах значительно превышающих дозу сплошной аморфизации облучаемого слоя, вызывает дальнейшие значительные перестройки структуры слоя как в пределах пробега ионов, так и на границе с монокристаллом. Сочетание методов сканирующей зондовой микроскопии и ЭПР позволило определить, что в результате накопления дефектов вакансионного типа и внедряемых атомов, в поверхностном слое происходит образование полостей, заполняемых атомами инертного газа, которые обнаруживаются по блистерингу поверхности образца. Плотность блистеров возрастает с увеличением дозы и при DNe=6´1017 см-2 поверхность напоминает мыльную пену, что приводит к значительному свеллингу поверхности.

а

б

Топограммы поверхности кремния, облученного ионами неона дозами: а) 6´1016 см-2, б) 6´1017 см-2.

Методами атомно-силовой микроскопии обнаружено, что при ионной имплантации неона в кремний, при дозах значительно превышающих дозу аморфизации, в облученном разупорядоченном слое, на границе с монокристаллом, формируется нанокристаллическая структура. Особенности топографии поверхности облученного слоя обнаруживались после химической обработки поверхности в HF, в результате чего удалялся кремний, содержащий (по данным метода ЭПР) большое число оборванных связей, и проявлялся рельеф поверхности, образованный нанокристаллитами.

а

б

Топограмма поверхности образца кремния облученного дозой 2´1017 см-2 после удаления в HF слоя 400-450нм (а), и вид в оптическом микроскопе поверхности кремния, облученного дозой 6´1016 см-2 после удаления в HF слоя 150нм

Размеры кристаллитов, а также характер их организации зависели от режимов облучения. Обнаружено, что образование наноструктур связано с формированием в процессе облучения кремния сильно нарушенного слоя и неоновых пузырей. Показано, что плотность нанокристаллов растет с дозой облучения. При дозе 6×1016см-2 наблюдалась островковая (капельная) организация нанокристаллов, которая хорошо видна в оптическом микроскопе (рис. 2б). Диаметр одной капли составлял ~50мкм. Сканирование поверхности капель АСМ методом показало, что они состоят из отдельно стоящих нанокристаллов. При увеличении дозы до 6×1017см-2 плотность наноструктур увеличивается и наблюдается организация нанокристаллитов между собой. Фурье образ топограммы обнаружил тетрагональную симметрию расположения кристаллитов.

а

б

Топограммы поверхности кремния, облученного ионами неона, после обработки в HF. Стравлен слой 150 нм.

Дифракция электронов на отражение при скольжении пучка вдоль поверхности образца (111) показала мозаичную структуру. При вращении образца в плоскости близкой к азимутальной наблюдались точечные рефлексы в результате отражений от плоскостей с базовыми осями [110] и [211], параллельными электронному пучку. Как и ожидалось, при исследовании фотолюминесценции при комнатной температуре и 77К обнаружены интенсивные полосы в диапазоне длин волн 700¸900нм при возбуждении лазером на длине волны 480нм. Предполагается, что фотолюминесценция связана с образованием наноструктур.

а

б

Фотолюминесценция образцов кремния, облученных дозами а) 6´1016 см-2 и б) 6´1017 см-2 после обработки в HF в течении 12 мин.

4. Проведены сравнительные исследования топографии поверхности, кристаллической структуры и электрических свойств плёнок, полученных плазмохимическим разложением смеси силан - водород и слоёв, выращенных методом молекулярно-лучевого осаждения (МЛО). Метод МЛО в сочетании с постгидрогенизацией рассматривался в качестве альтернативной, более "чистой" технологии, позволяющей наносить широкий спектр кремниевых пленок различной структуры (аморфный кремний (a-Si), микро- и поликристаллический кремний (mc-Si, poly-Si), и, наконец, монокристаллический эпитаксиальный кремний (c-Si)), осуществляя их легирование (As, Sb, Ga, P, Al, B) в процессе роста. Исследовано влияние температуры роста, скорости осаждения кремния и давления остаточных газов в ростовой камере установки молекулярно-лучевого осаждения на морфологию поверхности тонких (Ј 1 мкм) пленок кремния, осажденных при низких (Ј 400 °С) температурах подложки с аморфной структурой. Установлено, что размер микрокристаллитов кремния существенно снижается с понижением температуры подложки в процессе осаждения и достигает ~ 10 нм при Тп=200 °С.

Публикации:

  1. Чучмай И.А., Хохлов А.Ф., Машин А.И., Ершов А.В. Особенности электропереноса в многослойных наноструктурах a-Si/ZrOx// Известия вузов. Электроника. – 1999. - N 5. - С. 15-20.
  2. Хохлов А.Ф., Чучмай И.А., Ершов А.В. Особенности поглощения в наноструктурах a-Si/ZrOx// Физика и техника полупроводников. – 2000. – Т. 34, вып.3. - С. 349-353.
  3. Чучмай И.А., Хохлов А.Ф., Ершов А.В., Семин Ю.А. О размерном квантовании спектров поглощения наноструктур a-Si/ZrOx. Вестник ННГУ им. Н.И. Лобачевского 2001, серия “Физика твердого тела”, вып. 3, стр. 276-282.
  4. I.A. Chuchmai, A.F. Khokhlov, A.V. Ershov. Structural Measurements of Amorphous Silicon Multilayers by Atomic Force Microscopy. Phys. Low- Dim. Struct., Vol. 3/4(2001), pp.47-52.
  5. А.В. Ершов, И.А. Чучмай, А.Ф. Хохлов, А.И. Машин Электронный транспорт в многослойных наноструктурах a-Si/SiO2. Известия вузов. Электроника. - № 4 (2001). – принята к печати.
  6. А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, Д.О. Филатов, М.Ю. Лебедев, В.А. Зазнобин. Изучение явлений блистеринга и свеллинга в слоях кремния, облученного сверхбольшими дозами ионов неона, методом СЗМ — Материалы Международного рабочего совещания "Зондовая микроскопия-99" (Н.Новгород, 10-14 марта 1999 г.).
  7. А.Ф. Хохлов, А.И. Машин, И.А. Чучмай. Свойства силицина. Использование F/S -спектроскопии для измерения микротвердости — Материалы Международного рабочего совещания "Зондовая микроскопия-99" (Н.Новгород, 10-14 марта 1999 г.).
  8. А.А. Ежевский, А.В. Круглов, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов. Исследование слоев модифицированного бомбардировкой ионами неона кремния методами сканирующей зондовой микроскопии и ЭПР — "Вестник ННГУ" 1998, серия «Физика твердого тела». Вып. 2, с. 51-58.
  9. А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, Д.О. Филатов, М.Ю. Лебедев, В.А. Зазнобин. Изучение явлений блистеринга и свеллинга в слоях кремния, облученного сверхбольшими дозами ионов неона, методом СЗМ. ("Поверхность").
  10. Чучмай И.А., Хохлов А.Ф., Машин А.И., Ершов А.В. Особенности электропереноса в многослойных наноструктурах a-Si/ZrOx // Известия вузов. Электроника. – 1999. - N 5. - С. 15-20.
  11. Чучмай И.А., Хохлов А.Ф., Ершов А.В. Оптические свойства полупроводниковых сверхрешеток на аморфном кремнии. “Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Санкт-Петербург, 30 ноября - 3 декабря, 1999.” – С.Пб.: ГТУ, 1999. - С. 72.
  12. Хохлов А.Ф., Чучмай И.А., Ершов А.В. Особенности поглощения в наноструктурах a-Si/ZrOx // Физика и техника полупроводников. – 2000. - Том 34, вып.3. - С. 349-353.
  13. А.А. Ежевский, А.В. Круглов, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов. Исследование слоев модифицированного бомбардировкой ионами неона кремния методами сканирующей зондовой микроскопии и ЭПР — "Вестник ННГУ" 1998, серия «Физика твердого тела». Вып. 2, с. 51-58.
  14. А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, Д.О. Филатов, М.Ю. Лебедев, В.А. Зазнобин. Изучение явлений блистеринга и свеллинга в слоях кремния, облученного сверхбольшими дозами ионов неона, методом СЗМ. Материалы всероссийского совещания “Зондовая микроскопия - 99”. Изд. ИФМ РАН, Нижний Новгород, 10-13 марта 1999г.
  15. А.А. Ежевский, В.А. Зазнобин, М.Ю. Лебедев. Изучение явлений блистеринга и свеллинга в слоях кремния, облученного сверхбольшими дозами ионов неона, методом атомно-силовой микроскопии. Сборник научных трудов - «Структура и свойства твердых тел», Изд. ННГУ, Нижний Новгород, 1999г.
  16. А.А. Ежевский, М.Ю. Лебедев. Исследование топографии поверхности кремния, облученного сверхбольшими дозами ионов неона методом атомно силовой микроскопии. Сб. тезисов докладов научной студенческой конференции физического факультета ННГУ, Изд. ННГУ, Нижний Новгород, 1999г.
  17. А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, Д.О. Филатов, М.Ю. Лебедев, В.А. Зазнобин. АСМ слоев кремния, модифицированных ионной бомбардировкой. Тезисы докладов конференции “Структура и свойства твердых тел”, Изд. ННГУ, Нижний Новгород, 27-28 сентября, 1999.г.
  18. А.А. Ежевский, М.Ю. Лебедев. АСМ кремния, модифицированного ионной бомбардировкой. Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и опто- и наноэлетронике. Изд. СПбГТУ, Санкт – Петербург, 30 ноября – 3 декабря 1999г.
  19. А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, Д.О. Филатов, М.Ю. Лебедев. Атомно-силовая микроскопия кремния, модифицированного ионной бомбардировкой. Вестник Нижегородского Университета, Изд. ННГУ, Нижний Новгород, 2000г.
  20. А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, М.Ю. Лебедев. Образование и самоорганизация микрокристаллитов в поверхностном слое кремния при облучении ионами инертных газов средних энергий. Сб. тезисов докладов ХХХ Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, МГУ, Москва, с. 87, 2000г.
  21. А.А. Ежевский, А.Ф. Хохлов, Г.А. Максимов, М.Ю. Лебедев, Е.А. Питиримова, Р.В. Кудрявцева. Формирование наноструктур в слое кремния при облучении ионами инертных газов средних энергий. Тезисы докладов V Всероссийского семинара “Физические и физико-химические основы ионной имплантации”, Изд. ННГУ, Нижний Новгород, 11-13 октября 2000г.
  22. А.А. Ezhevskii, A.F. Khokhlov, G.A. Maksimov, M.Yu. Lebedev, E.A. Pitirimova, R.V. Kudryvtseva. Formation of silicon nanostructures during ion implantation. Thesises of 7 Russian-Japanese International Symposium “On interaction of fast charged particles with solids”, Nizhnii Novgorod, october 9-16, 2000y
  23. А.А. Ежевский, М.Ю. Лебедев. Исследование наноструктур в кремнии, сформированных в процессе ионной имплантации. Тезисы второй всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Изд. Нестор, Санкт-Петербург, 4 – 8 декабря 2000г.