Роль олова у формуванні мікро- і наноструктури поверхні шаруватих плівок Si–Sn–Si

V.B. Neimash; P.E. Shepelyavyi; A.S. Nikolenko; V.V. Strelchuk; V.I. Chegel; I.V. Olkhovyk; S.O. Voronov

doi:10.15407/ujpe68.4.284

Роль олова у формуванні мікро- і наноструктури поверхні шаруватих плівок Si–Sn–Si

Автор(и)

V.B. Neimash Institute of Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
P.E. Shepelyavyi V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
A.S. Nikolenko V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
V.V. Strelchuk V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
V.I. Chegel V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
I.V. Olkhovyk National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”
S.O. Voronov National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe68.4.284

Ключові слова:

аморфний кремнiй, олово, тонкi плiвки, структура поверхнi, нанокристали, термiчне вакуумне напилення

Анотація

Методи Раманiвської спектроскопiї, растрової електронної мiкроскопiї, атомно-силової мiкроскопiї i рентґено-флуоресцентного мiкроаналiзу застосованi з метою дослiдження впливу олова на форму i розмiри мiкро- та наноструктури поверхнi шаруватих плiвок Si–Sn–Si, а також на утворення в них нанокристалiв Si пiд час iндукованої оловом кристалiзацiї аморфного кремнiю. В данiй роботi вирiшувалися задачi експериментальної оцiнки ефективностi формування нанокристалiв Si в плiвках Si–Sn–Si, а також визначення форм i масштабiв шорсткостi поверхнi плiвок, мiкророзподiлу домiшок по їх площi i перерiзу. Експериментально пiдтверджено можливiсть формування нанокристалiв Si масштабу одиниць нанометрiв в бiльшiй частинi об’єму плiвок Si–Sn–Si. Вперше встановлено, що при виготовленнi таких плiвок методом термiчного вакуумного напилення товщина шару олова та її спiввiдношення з шарами кремнiю визначають форму i масштаб перiодичної структуризацiї рельєфу поверхнi, яка важлива для виготовлення реальних електронних приладiв. Головним елементом структурування рельєфу поверхнi плiвок виявилися квазисферичнi утворення дiаметром вiд 20 нм до 2–3 мкм. Зумовлена ними шорсткiсть поверхнi змiнюється в дiапазонi вiд одиниць до кiлькох десяткiв нанометрiв залежно вiд умов осадження шарiв. Форма поверхневих утворень змiнюється вiд гроно-подiбних дендритiв фрактального типу до опуклих елiпсоїдiв i багатокутникiв. Показано, що первинне структурування вiдбувається у виглядi утворення шару пiвсферичних мiкрокрапель олова вже у процесi його осадження. Вторинне структурування вiдбувається на етапi осадження другого шару кремнiю на шар олов’яних пiвсфер. На цьому етапi вiдбувається формування шару аморфного напiвпровiдника на поверхнi рiдинного металу, що дослiджувалось вперше. Отриманий таким чином аморфний кремнiй має порувату структуру, що складається з гроно-подiбних дендритiв фрактального типу масштабу сотень нанометрiв. Найменшi елементи дендритiв теж мають квазисферичну форму дiаметром 20–50 нм. Отриманi результати обговоренi з точки зору можливих застосувань.

Посилання

M.C. Beard, J.M. Luther, A.J. Nozik. The promise and challenge of nanostructured solar cells. Nat.Nano 9, 951 (2014).

https://doi.org/10.1038/nnano.2014.292

Z.I. Alferov, V.M. Andreev, V.D. Rumyantsev. Solar photovoltaics: Trends and prospects. Semiconductors 38, 899 (2004).

https://doi.org/10.1134/1.1787110

B. Yan, G. Yue, X. Xu, J. Yang, S. Guha. High efficiency amorphous and nanocryistallinesillicon solar cells. Phys. Status Solidi (a) 207, 671 (2010).

https://doi.org/10.1002/pssa.200982886

N.S. Lewis. Toward cost-effective solar energy use. Science 315, 798 (2007).

https://doi.org/10.1126/science.1137014

R. Søndergaard, M. H¨osel, D. Angmo, T.T. Larsen-Olsen, F.C. Krebs. Roll-to-roll fabrication of polymer solar cells. Mater. Today 15, 36 (2012).

https://doi.org/10.1016/S1369-7021(12)70019-6

M. Birkholz, B. Selle, E. Conrad, K. Lips, W. Fuhs. Evolution of structure in thin microcrystalline silicon films grown by electron-cyclotron resonance chemical vapor deposition. J. Appl. Phys. 88, 4376 (2000).

https://doi.org/10.1063/1.1289783

B. Rech, T. Roschek, J. M¨uller, S. Wieder, H. Wagner. Amorphous and microcrystalline silicon solar cells prepared at high deposition rates using RF (13.56 MHz) plasma excitation frequencies. Sol. Energ. Mater. Sol. Cells 66, 267 (2001).

https://doi.org/10.1016/S0927-0248(00)00183-5

M.K. vanVeen, C.H.M. van der Werf, R.E.I. Schropp. Tandem solar cells deposited using hot-wire chemical vapor deposition. J. Non. Cryst. Solids 338-340, 655 (2004).

https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.03.071

Y. Mai, S. Klein, R. Carius, H. Stiebig, L. Houben, X. Geng, F. Finger. Improvement of open circuit voltage in microcrystalline silicon solar cells using hot wire buffer layers. J. Non. Cryst. Solids 352, 1859 (2006).

https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2005.11.116

H. Li, R.H. Franken, R.L. Stolk, C.H.M. van der Werf, J.K. Rath, R.E.I. Schropp. Controlling the quality of nanocrystalline silicon made by hot-wire chemical vapor deposition by using a reverse H2 profiling technique. J. Non. Cryst. Solids 354, 2087 (2008).

https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2007.10.046

R. Amrani, F. Pichot, L. Chahed, Y. Cuminal. Amorphous-nanocrystalline transition in silicon thin films obtained by argon diluted silane PECVD. Cryst. Struct. Theor. Appl. 1, 57 (2012).

https://doi.org/10.4236/csta.2012.13011

G. Fugallo, A. Mattoni. Thermally induced recrystallization of textured hydrogenated nanocrystalline silicon. Phys. Rev. B 89, 045301 (2014).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.045301

O. Nastand, A.J. Hartmann. Influence of interface and Al structure on layer exchange during aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. J. Appl. Phys. 88, 716 (2000).

https://doi.org/10.1063/1.373727

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

M.A. Mohiddon, M.G. Krishna. Growth and optical properties of Sn-Si nanocomposite thin films. J. Mater. Sci. 47, 6972 (2012).

https://doi.org/10.1007/s10853-012-6647-0

D. Van Gestel, I. Gordon, J. Poortmans. Aluminuminduced crystallization for thin-film polycrystalline silicon solar cells: Achievements and perspective. Sol. Energ. Mater. Sol. Cells 119, 261 (2013).

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.08.014

M.A. Mohiddon, M.G. Krishna. Metal induced crystallization. In: Crystallization - Science and Technology. Edited by A. Marcello (InTech, 2012), p. 461.

https://doi.org/10.5772/50064

V.V. Voitovych, V.B. Neimash, N.N. Krasko, A.G. Kolosiuk, V.Y. 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 thinsilicon films. Semiconductors 45, 1281 (2011).

https://doi.org/10.1134/S1063782611100253

V.B. Neimash, V.M. Poroshin, A.M. Kabaldin, V.O. Yukhymchuk, P.E. Shepelyavyi, V.A. Makara, S.Y. Larkin. Microctructure of thin Si-Sn composite films. Ukr. J. Phys. 58, 865 (2013).

V. Neimash, V. Poroshin, P. Shepeliavyi, V. Yukhymchuk, V. Melnyk, A. Kuzmich, V. Makara, A.O. Goushcha. Tin induced a-Si crystallization in thin films of Si-Sn alloys. J. Appl. Phys. 114, 213104 (2013).

https://doi.org/10.1063/1.4837661

V.B. Neimash, A.O. Goushcha, P.E. Shepeliavyi, V.O. Yukhymchuk, V.A. Dan'ko, V. Melnyk, A. Kuzmich. Mechanism of tin-induced cristallization in amorphous silicon. Ukr. J. Phys. 59, 1168 (2014).

V.B. Neimash, A.O. Goushcha, P.Y. Shepeliavyi, V.O. Yuhymchuk, V.V. Melnyk, A.G. Kuzmich. Self sustained cyclic tin induced crystallization of amorphous silicon. J. Mater. Res. 30, 3116 (2015).

https://doi.org/10.1557/jmr.2015.251

V.B. Neimash, A.S. Nikolenko, V.V. Strelchuk, P.Ye. Shepelyavyi, P.M. Litvinchuk, V.V. Melnyk, I.V. Olkhovyk. Influence of laser light on the formation and properties of silicon nanocrystals in a-Si/Sn layered structures. Ukr. J. Phys. 64, 522 (2013).

https://doi.org/10.15407/ujpe64.6.522

V.B. Neimash, P.Ye. Shepelyavyi, A.S. Nikolenko, V.V. Strelchuk, V.I. Chegel. Micro- and nanostructure of layered Si∖Sn∖Si films, formed by vapor deposition. J. Nanomater. 2022, 7910708 (2022).

https://doi.org/10.1155/2022/7910708

Downloads

Опубліковано

2023-06-14

Як цитувати

Neimash, V., Shepelyavyi, P., Nikolenko, A., Strelchuk, V., Chegel, V., Olkhovyk, I., & Voronov, S. (2023). Роль олова у формуванні мікро- і наноструктури поверхні шаруватих плівок Si–Sn–Si. Український фізичний журнал, 68(4), 284. https://doi.org/10.15407/ujpe68.4.284

Завантажити посилання

Номер

Том 68 № 4 (2023)

Розділ

Напівпровідники і діелектрики

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.