Структурная перестройка пленок a-SiOx:H при импульсном фотонном отжиге

Аннотация

Аморфные пленки SiO_x с нанокластерами кремния представляют собой новый интересный материал как с точки зрения физики и технологии, так и возможных практических приложений, поскольку благодаря размерному квантованию такие пленки могут обладать фотолюминесценцией. При этом оптическими свойствами данных структур можно управлять, варьируя размеры и содержание нанокластеров кремния в пленке SiO_x, а также путем преобразования нанокластеров в нанокристаллы с помощью высокотемпературного отжига. Однако в процессе отжига нестехиометрического оксида кремния могут происходить значительные изменения фазового состава и структуры пленок. Результаты исследований кристаллизации нанокластеров кремния в матрице SiO_x показали, что
даже при очень быстром способе отжига с помощью импульсного фотонного отжига происходит образование достаточно крупных кристаллитов кремния, при этом наблюдается кристаллизация, по крайней мере, части оксидной фазы в виде гидроокиси кремния H₆O₇Si₂. Причем в пленках с исходным содержанием нанокластеров чистого кремния ≤ 50 % при отжиге часть кремния уходит на формирование оксида, а часть на образование кристаллов кремния, а в пленке с исходной концентрацией нанокластеров кремния ≥ 53 % наоборот при отжиге происходит
частичный переход кремния из оксидной фазы в рост кристаллов Si

ЛИТЕРАТУРА

1. Undalov Y. K., Terukov E. I., Silicon nanoclusters
ncl-Si in a hydrogenated amorphous silicon suboxide
matrix a-SiOx:H (0 < x < 2). Semiconductors. 2015;49(7):
867- 878. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782615070222
2. Kim K. H., Johnson E. V., Kazanskii A. G.,
Khenkin M. V., Roca P. Unravelling a simple method
for the low temperature synthesis of silicon
nanocrystals and monolithic nanocrystalline thin
films. Scientific Reports. 2017;7(1) DOI: https://doi.org/10.1038/srep40553
3. Undalov Y. K., Terukov E. I., Trapeznikova I. N.
Formation of ncl-Si in the amorphous matrix a-SiOx-:H located near the anode and on the cathode, using
a time-modulated DC plasma with the (SiH4–Ar–O2)
gas phase (Co2 = 21.5 mol%). Semiconductors.
2019;53(11): 1514–1523. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782619110228
4. Terekhov V. A., Terukov E. I., Undalov Y. K.,
Parinova E. V., Spirin D. E., Seredin P. V., Minakov D. A.,
Domashevskaya E. P. Composition and optical properties
of amorphous a-SiOx:H films with silicon nanoclusters.
Semiconductors. 2016;50(2): 212–216. DOI:
https://doi.org/10.1134/S1063782616020251
5. Terekhov V. A., Turishchev S. Y., Kashkarov V. M.,
Domashevskaya E. P., Mikhailov A. N., Tetel’baum D. I.
Silicon nanocrystals in SiO2 matrix obtained by ion
implantation under cyclic dose accumulation. Physica
E: Low-dimensional Systems and Nanostructures.
2007;38(1-2): 16–20. DOI: https://doi.org/10.1016/j.physe.2006.12.030
6. Terekhov V. A., Turishchev S. Y., Pankov K. N.,
Zanin I. E., Domashevskaya E. P., Tetelbaum D. I.,
Mikhailov A. N., Belov A. I., Nikolichev D. E., Zubkov S. Y.
XANES, USXES and XPS investigations of electron
energy and atomic structure peculiarities of the silicon
suboxide thin film surface layers containing Si nanocrystals.
Surface and Interface Analysis. 2010;42(6-7):
891–896. DOI: https://doi.org/10.1002/sia.3338
7. Terekhov V. A., Turishchev S. Y., Pankov K. N.,
Zanin I. E., Domashevskaya E. P., Tetelbaum, Mikhailov
A. N., Belov A. I., Nikolichev D. E. Synchrotron investigations
of electronic and atomic-structure peculiarities
for silicon-oxide films’ surface layers containing
silicon nanocrystals. Journal of Surface Investigation.
X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2011;5(5):
958–967. DOI: https://doi.org/10.1134/S102745101110020X
8. Sato K., Izumi T., Iwase M., Show Y., Morisaki H.,
Yaguchi T., Kamino T. Nucleation and growth of nanocrystalline
silicon studied by TEM, XPS and ESR.
Applied Surface Science. 2003;216 (1-4): 376–381. DOI:
https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00445-8
9. Ledoux G., Gong J., Huisken F., Guillois O., Reynaud
C. Photoluminescence of size-separated silicon
nanocrystals: Confirmation of quantum confinement.
Applied Physics Letters. 2002;80(25): 4834–4836. DOI:
https://doi.org/10.1063/1.1485302
10. Patrone L., Nelson D., Safarov V. I., Sentis M.,
Marine W., Giorgio S. Photoluminescence of silicon
nanoclusters with reduced size dispersion produced
by laser ablation. Journal of Applied Physics. 2000;87(8):
3829–3837. DOI: https://doi.org/10.1063/1.372421
11. Takeoka S., Fujii M., Hayashi S. Size-dependent
photoluminescence from surface-oxidized Si nanocrystals
in a weak confinement regime. Physical Review
B. 2000;62(24): 16820–16825. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.16820
12. Ievlev V. M. Activation of solid-phase processes
by radiation of gas-discharge lamps, Russian Chemical
Reviews. 2013;82(9): 815–834. DOI: https://doi.org/10.1070/rc2013v082n09abeh004357
13. Zimkina T. M., Fomichev V. A. Ultrasoft X-Ray
spectroscopy. Leningrad: Leningrad State University
Publ.; 1971. 132 p.
14. Wiech G., Feldhütter H. O., Šimůnek A. Electronic
structure of amorphous SiOx:H alloy films
studied by X-ray emission spectroscopy: Si K, Si L, and
O K emission bands. Physical Review B. 1993;47(12):
6981–6989. DOI: https://doi.org/10.1103/Phys-RevB.47.6981
15. Domashevskaya E. P., Peshkov Y. A., Terekhov
V. A., Yurakov Y. A., Barkov K. A., Phase composition
of the buried silicon interlayers in the amorp
h o u s m u l t i l a y e r n a n o s t r u c t u r e s
[(Co45Fe45Zr10)/a-Si:H]41 and [(Co45Fe45Zr10)
35(Al2O3)65/a-Si:H]41. Surface and Interface Analysis.
2018;50(12-13): 1265–1270. DOI: https://doi.org/10.1002/sia.6515
16. Terekhov V. A., Kashkarov V. M., Manukovskii
E. Yu., Schukarev A. V., Domashevskaya E. P.
Determination of the phase composition of surface
layers of porous silicon by ultrasoft X-ray spectroscopy
and X-ray photoelectron spectroscopy techniques.
Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena.
2001;114–116: 895–900. DOI: https://doi.org/10.1016/S0368-2048(00)00393-5
17. JCPDS-International Centre for Diffraction
Data ICDD PDF-2, (n.d.) card No 01-077-2110.
18. JCPDS-International Centre for Diffraction
Data ICDD PDF-2, (n.d.) card No 00-050-0438.