Формування нанокристалічного кремнію в плівках аморфного кремнію, легованого оловом
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe65.3.236Ключові слова:
нанокристалiчний кремнiй, метало-iндукована кристалiзацiя, оловоАнотація
Дослiджено процес формування кристалiчної фази кремнiю в плiвках аморфного кремнiю, легованого оловом. Показано, що включення металевого олова вiдiграють ключову роль в процесi кристалiзацiї дослiджуваних зразкiв a-SiSn (Sn ∼1–10 ат.%) при температурах 300–500 ∘С. Процес кристалiзацiї умовно можна подiлити на два етапи. На першому етапi у об’ємi свiжоосаджених плiвок внаслiдок дифузiї атомiв олова в аморфнiй матрицi кремнiю вiдбувається формування металевих включень олова. На другому етапi вiдбувається формування нанокристалiчної фази кремнiю внаслiдок руху атомiв кремнiю вiд аморфної до кристалiчної фази через сформованi металевi включення олова. Присутнiсть металевих включень олова забезпечує формування кристалiтiв кремнiю при значно нижчiй температурi, нiж температура твердофазної рекристалiзацiї (∼750 ∘С). У роботi проаналiзована можливiсть iснування взаємозв’язку мiж розмiрами нанокристалiчного кремнiю, який формується, та розмiрами металевих включень олова, якi сприяють його формуванню.
Посилання
D. Kovalev, H. Heckler, G. Polisski, J. Diener, F.Koch. Optical properties of silicon nanocrystals. Opt. Mater. 17, 35 (2001). https://doi.org/10.1016/S0925-3467(01)00017-9
V.V.Voitovych, R.M.Rudenko, A.G.Kolosiuk, M.M.Krasko, V.O. Juhimchuk, M.V. Voitovych, S.S. Ponomarov, A.M. Kraitchinskii, V.Yu. Povarchuk, V.A. Makara. Effect of tin on the processes of silicon-nanocrystal formation in amorphous SiOx thin-film matrices. Semiconductors 48, 73 (2014). https://doi.org/10.1134/S1063782614010242
V.V. Voitovych, R.M. Rudenko, V.O. Yuchymchuk, M.V. Voitovych, M.M. Krasko, A.G. Kolosiuk, V.Yu. Povarchuk, I.M. Khachevich, M.P. Rudenko. Effect of tin on structural transformations in the thin-film silicon suboxide matrix, Ukr. J. Phys. 61, 980 (2016).
V. Svrcek, A. Slaoui, J.-C. Muller. Silicon nanocrystals as light converter for solar cells. Thin Solid Films 451-452, 384 (2004). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2003.10.133
A. Kherodia, A.K. Panchal. Analysis of thickness-depedent optical parameters of a-Si:H/nc-Si:H multilayer thin films. Mater. Renew. Sustain. Energy 6, 23 (2017). https://doi.org/10.1007/s40243-017-0107-3
A. Shan, E. Vallat-Shauvain, P. Torres, J. Meier, U. Kroll, C. Hof, C. Droz, M. Goerlitzer, N. Wyrsch, M. Vanechek. Intrinsic microcrystalline silicon (мc-Si:H) deposited by VHF-GD (very high frequency-glow discharge): A new material for photovoltaics and optoelectronics. Mater. Sci. Eng. 69-70, 219 (2000). https://doi.org/10.1016/S0921-5107(99)00299-8
V.V. Voitovych, V.B. Neimash, N.N. Krasko, A.G. Kolosiuk, V.Yu. Povarchuk, R.M. Rudenko, V.A. Makara, R.V. Petrunya, V.O. Juhimchuk, V.V. Strelchuk. The effect of Sn impurity on the optical and structural properties of thin silicon films, Semiconductors 45, .1281 (2010). https://doi.org/10.1134/S1063782611100253
R.M. Rudenko, V.V. Voitovych, M.M. Kras'ko, A.G. Kolosyuk, A.M. Kraichynskyi, V.O. Yukhymchuk, V.A. Makara. Influence of high temperature annealing on the structure and the intrinsic absorption edge of thin-film silicon doped with tin. Ukr. J. Phys. 58, 769 (2013).
R.M.Rudenko, M.M.Kras'ko, V.V.Voitovych, A.G.Kolosyuk, V.YU. Povarchuk, A.M. Kraichynskyi, V.O. Yukhymchuck, V.YA. Bratus', M.V. Voitovych, I.A. Zaloilo. Behavior of hydrogen during crystallization of thin silicon films doped with tin. Ukr. J. Phys. 58, 1165 (2013).
T.J. Konno, R. Sinclair. Crystallization of silicon in aluminium/amorphous-silicon multilayers, Phil. Mag. B 66, 749 (1992). https://doi.org/10.1080/13642819208220126
O. Nast, S.R. Wenham. Elucidation of the layer exchange mechanism in the formation of polycrystalline silicon by aluminium-induced crystallization. J. Appl. Phys. 88, 124 (2000). https://doi.org/10.1063/1.373632
M. Jeon, C. Jeong, K. Kamisako. Tin induced crystallisation of hydrogenated amorphous silicon thin films. Mater. Sci. Technol. 26, 875 (2010). https://doi.org/10.1179/026708309X12454008169500
A. Sarikov. Metal induced crystallization mechanism of the metal catalyzed growth of silicon wire-like crystals. Appl. Phys. Lett. 99, 143102 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3644981
Jae-Hyun Shim, Nam-Hee Cho. Formation of nanocrystallites in the nc-Si films by co-sputtering aluminium and silicon. Solid State Phenom. 124-126, 495 (2007). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.124-126.495
Fuyu Lin, Miltiadis. Crystallization of tin-implanted amorphous silicon thin films. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 279, 553 (1993). https://doi.org/10.1557/PROC-279-553
Jong-Hyeok Park, M. Kurosawa, N. Kawabata, M. Miyao, T. Sadoh. Au-induced low-temperature (∼250∘C) crystallization of Si on insulator through layer-exchange process, Electrochem. Sol.-St. Lett. 14, H232 (2011). https://doi.org/10.1149/1.3562275
R.W. Olesinski, G.J. Abbaschian. The Si-Sn (silicon-tin) system. Bull. Alloy Phase Diagr. 5, 273 (1984). https://doi.org/10.1007/BF02868552
P. Mishra, K.P. Jain. First- and second-order Raman scattering in nanocrystalline silicon. Phys. Rev. B 64, 073304 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.073304
H. Campbell, P.M. Fauchet. The effects of microcrystal size and shape on the one phonon Raman spectra of crystalline semiconductors, Solid State Commun. 58, 739 (1986). https://doi.org/10.1016/0038-1098(86)90513-2
S.V. Gajsler, O.I. Semenova, R.G. Sharafutdinov, B.A. Kolesov. Analysis of Raman spectra of amorphous-nanocrystalline silicon films, Phys. Solid State 46, 1528 (2004). https://doi.org/10.1134/1.1788789
G.L. Olson, J.A. Roth. Kinetics of solid phase crystallization in amorphous silicon, Mater. Sci. Rep. 3, 1 (1988). https://doi.org/10.1016/S0920-2307(88)80005-7
G. Dalba, P. Fornasini, R. Grisenti, F. Rocca, D. Comedi, I. Chambouleyron. Local coordination of Ga impurity in hydrogenated amorphous germanium studied by extended x-ray absorption fine-structure spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 74, 281 (1999). https://doi.org/10.1063/1.122999
Linwei Yu, B. O'Donnell, P.-J. Alet, S. Conesa-Boj, F. Peir'o, J. Arbiol, Pere Roca i Cabarrocas. Plasma-enhanced low temperature growth of silicon nanowires and hierarchical structures by using tin and indium catalysts. Nanotechnology 20, 225604 (2009). https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/22/225604
A. Hiraki. Low temperature reactions at Si/metal interfaces: What is going on at the interfaces? Surf. Sci. Rep. 3, 357 (1984). https://doi.org/10.1016/0167-5729(84)90003-7
W. Knaepen, S. Gaudet, C. Detavernier, R.L. Van Meirhaeghe, J.J. Sweet, C. Lavoie. In situ x-ray diffraction study of metal induced crystallization of amorphous germanium. J. Appl. Phys. 105, 083532 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3110722
G. Neumann, C. Tuijn. Self-Diffusion and Impurity Diffusion in Pure Metals: Handbook of Experimental Data (Elsevier, 2009) [ISBN: 978-1-85617-511-1]. https://doi.org/10.1016/S1470-1804(08)00006-0
S. Sharafat, N. Ghoniem. Summary of thermo-physical properties of sn, and compounds of Sn-H, Sn-O, Sn-C, Sn-Li, and Sn-Si and comparison of properties of Sn, Sn-Li, Li, and Pb-Li. Report SS/NG: UCLA-UCMEP-00-31 (UCLA, 2000).
P. Kringhøj, R.G. Elliman. Diffusion of ion implanted Sn in Si, Si1−xGex, and Ge. Appl. Phys. Lett. 65, 324 (1994). https://doi.org/10.1063/1.112360
R.P. Thornton, R.G. Elliman, J.S. Williams. Amorphousto-polycrystalline phase transformations in Sn-implanted silicon. J. Mater. Res. 5, 1003 (1990). https://doi.org/10.1557/JMR.1990.1003
G.S. Kulikov, K.Kh. Khodzhaev. Effect of doping with phosphorus on tin diffusion in a-Si: H films. Fiz. Tekhn. Poluprovodn. 29, 961 (1995) (in Russian).
S. Coffa, L. Calcagno, S.U. Campisano, G. Calleri, G. Ferla. Diffusion of ion-implanted gold in p-type silicon. J. Appl. Phys. 64, 6291 (1988). https://doi.org/10.1063/1.342087
J. Hirvonen, A. Anttila. Self-diffusion in silicon as probed by the (p, y) resonance broadening method. Appl. Phys. Lett. 35, 703 (1979). https://doi.org/10.1063/1.91261
R.B. Iverson, R. Reif. Recrystallization of amorphized polycrystalline silicon films on SiO2: Temperature dependence of the crystallization parameters. J. Appl. Phys. 62, 1675 (1987). https://doi.org/10.1063/1.339591
F. Strauß, L. D¨orrer, Th. Geue, J. Stahn, A. Koutsioubas, S. Mattauch, H. Schmidt. Self-diffusion in amorphous silicon. Phys. Rev. Lett. 116, 025901 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.025901
U. K¨oster. Crystallization of amorphous silicon films. Phys. Stat. Solidi A 48, 313 (1978). https://doi.org/10.1002/pssa.2210480207
E. Nygren, A.P. Pogany, K.T. Short, J.S. Williams, R.G. Elliman, J.M. Poate. Impurity-stimulated crystallization and diffusion in amorphous silicon. Appl. Phys. Lett. 52, 439 (1988). https://doi.org/10.1063/1.99436
E.P. Donovan, F. Spaepen, D. Turnbull, J.M. Poate, D.C. Jacobson. Heat of crystallization and melting point of amorphous silicon. Appl. Phys. Lett. 42, 698 (1983). https://doi.org/10.1063/1.94077
M.F. Fyhn, J. Chevallier, A.N. Larsen. a-Sn and b-Sn precipitates in annealed epitaxial Si0.95Sn0.05. Phys. Rev. B 60, 5770 (1999). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.5770
T.H. Yeh, S.M. Hu, R.H. Kastl. Diffusion of tin into silicon. J. Appl. Phys. 39, 4266 (1968). https://doi.org/10.1063/1.1656959
J. K¨uhnle, R.B. Bergmann, J.H. Werner. Role of critical size of nuclei for liquid-phase epitaxy on polycrystalline Si films, J. Cryst. Growth 173, 62 (1997). https://doi.org/10.1016/S0022-0248(96)00783-X
R. Sinclair, J. Morgiel, A.S. Kirtikar, I.-W.Wu, A. Chiang. Direct observation of crystallization in silicon by in situ high-resolution electron microscopy. Ultramicroscopy 51, 41 (1993). https://doi.org/10.1016/0304-3991(93)90134-J
C.H. Ma, R.A. Swalin. Self diffusion in liquid tin. J. Chem. Phys. 36, 3014 (1962). https://doi.org/10.1063/1.1732419
H. Qinghengt, E.S. Yang, H. Izmirliyan. Diffusivity and growth rate of silicon in solid-phase epitaxy with an aluminum medium. Solid-State Electron. 25, 1187 (1982). https://doi.org/10.1016/0038-1101(82)90078-8
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
