Введение к работе
Актуальность темы
Диэлектрические пленки, содержащие полупроводниковые нанокристаллы (НК), перспективны для применения в наноэлектронике и оптоэлектронике [1]. Интенсивная фотолюминесценция (ФЛ) и сдвиг максимума ФЛ в результате квантово-размерного эффекта наблюдались в пленках нитрида кремния, содержащих как аморфные включения (нанокластеры) кремния [2], так и НК кремния [3]. В работе [2] сообщается о создании красного, зеленого и синего светодиодов на основе пленок нитрида кремния с нанокластерами кремния различных размеров. Пленки нитрида кремния используются в элементах энергонезависимой памяти [4], развитие низкотемпературной технологии получения этих пленок открывает перспективы их применения в устройствах широкоформатной электроники - мониторах на гибких подложках, электронной бумаге, солнечных элементах. Проявление квантово-размерного эффекта было обнаружено в НК кремния [5] и в нанокластерах аморфного кремния [6] в матрице оксида кремния. В спектрах ФЛ одиночных НК кремния наблюдались узкие пики, что говорит о дискретности их электронного спектра, значит, они являются квантовыми точками [7].
Синтезировать НК кремния в диэлектрических пленках можно как в процессе роста, так и в процессах послеростовых обработок. Печные отжиги для кристаллизации кремния применяются для структур на тугоплавких подложках. Для практического использования важно, чтобы широкоформатные подложки, на которые осаждаются пленки, были недорогие - стекло или пластик. Существуют низкотемпературные методы осаждения, которые позволяют получить диэлектрические пленки при низкой (до 100 oC) температуре подложки. Однако, в нестехиометрическом нитриде или оксиде кремния, осаждаемом при низкой температуре, избыточный кремний случайным образом встраивается в атомарную сетку [4,8], а если образует кластеры, то только аморфные. Решение проблемы формирования нанокластеров и их кристаллизации в пленках на нетугоплавких подложках - это применение импульсных лазерных воздействий. Импульсные лазерные отжиги применяются в полупроводниковых технологиях более тридцати лет [9]. При правильном подборе параметров лазера, излучение поглощается в пленке и не нагревает подложку. За время лазерного импульса и в процессе остывания пленки вследствие диффузии тепла в подложку, она не перегревается. Ранее, для создания и кристаллизации нанокластеров кремния в пленках SiNx и SiOx использовались наносекундные импульсные отжиги с применением эксимерных лазеров XeCl - длина волны 308 нм [10] и ArF - 193 нм [11]. Подобный способ получения НК в диэлектрических пленках запатентован в США для использования в технологии производства устройств энергонезависимой памяти [12]. Фемтосекундные импульсные отжиги практически не применялись для формирования и модификации НК кремния в диэлектрических пленках, но использовались для кристаллизации пленок аморфного гидрогенизированного кремния на подложках из стекла. Когда длительность импульса меньше времени электрон-фононного взаимодействия, проявляются нетермические эффекты в фазовых переходах - «холодное» плавление [13], «плазменный отжиг».
Целью данной работы являлось определение и оптимизация параметров импульсных лазерных воздействий необходимых для кристаллизации аморфных нанокластеров кремния и фазового расслоения в нестехиометрических диэлектрических пленках. Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование структуры и оптических свойств исходных нестехиометрических пленок SiNx (0.6
-
Анализ изменения фазового состава нанокластеров кремния при импульсных лазерных отжигах пленок SiNx (0.6
-
Определение порогов кристаллизации аморфных нанокластеров кремния и абляции пленок SiNx и SiOx при наносекундных и фемтосекундных лазерных воздействиях, оценка параметров необходимых для «холодного» плавления;
-
Оптимизация режимов импульсной лазерной кристаллизации аморфных нанокластеров кремния в нестехиометрических пленках SiNx на нетугоплавких подложках.
Новизна работы
-
-
Установлено, что аморфные нанокластеры кремния, содержащиеся в пленках SiNx (0.6
-
При воздействии лазерных импульсов с плотностью энергии от 150 до 250 мДж/см2 на пленки SiNx (1.1
Практическая значимость работы
Развит и запатентован способ формирования нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках на нетугоплавких (в том числе пластиковых) подложках с применением фемтосекундных лазерных импульсов.
Апробация работы: Основные результаты работы изложены в десяти публикациях в реферируемых журналах и патенте РФ, докладывались на конференциях: EMRS Spring Meeting- 2011; Nanostructures: Physics and Technology (2009 и 2010 гг.); РКФП (2009 г.); International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2009"; Кремний-2010; АМП-2010; на молодежных конференциях. Автор являлся стипендиатом конкурса для молодых ученых ИФП СО РАН в 20084 2010 гг., лауреатом конкурса грантов мэрии Новосибирска для молодых ученых в 2009 году, стипендиатом конкурса для молодых ученых губернатора НСО в 2010 г., победителем конкурса инновационных молодежных проектов УМНИК (2010 г.) и победителем всероссийского конкурса по поддержке высокотехнологичных инновационных молодежных проектов (2011 г.).
Положения, выносимые на защиту
-
-
-
Кристаллизация аморфных нанокластеров кремния в пленках SiNx (0.6
-
Фазовое расслоение в пленках SiNx (1.1
Личный вклад автора заключается в обсуждении целей и постановки задач, выборе методов их решения, обработке и интерпретации результатов и их анализе. Измерения оптических свойств пленок (за исключением температурных зависимостей ФЛ) были проведены автором лично. Автор определил режимы и оптимизировал параметры импульсных лазерных воздействий.
Похожие диссертации на Формирование нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках при импульсных лазерных воздействиях
-
-
-
