Формирование нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках при импульсных лазерных воздействиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Корчагина, Таисия Тарасовна АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ
2012 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.10 КОД ВАК РФ
Диссертация по физике на тему «Формирование нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках при импульсных лазерных воздействиях»
 
Автореферат диссертации на тему "Формирование нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках при импульсных лазерных воздействиях"

На правах рукописи

Корчагина Таисия Тарасовна

Формирование нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках при импульсных

лазерных воздействиях

01.04.10 "Физика полупроводников"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-1 к ¡и-: ті

Новосибирск 2012

005045675

005045675

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, с. н. с.

Володин Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

Гриценко Владимир Алексеевич, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, г. н. с.

Булгаков Александр Владимирович, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики їм. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, г. н. с.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт им. Е. К. Завойского

Защита состоится «19» июня 2012 года в 1 Г° часов

на заседании диссертационного совета Д003.037.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук

Автореферат разослан « 17 » _мая_ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Диэлектрические пленки, содержащие полупроводниковые нанокристаллы (НК), перспективны для применения в паноэлектронике 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 панокластерами 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 !00°С) 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 нетугоплазких 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 и 8ЮХ использовались наносекундные импульсные отжиги с применением эксимерных лазеров ХеС1 - длина волны 308 нм [10] и АгР -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:

1. Исследование структуры и оптических свойств исходных нестехиометрических пленок SiNx (0.6<х<1.33) и SiO„ (0.2<х<2);

2. Анализ изменения фазового состава нанокластеров кремния при импульсных лазерных отжигах пленок SiNx (0.6<х<1.33) и SiO* (0.2<х<2);

3. Определение порогов кристаллизации аморфных нанокластеров кремния и абляции пленок SiN, и SiOx при наносекундных и фемтосекундных лазерных воздействиях, оценка параметров необходимых для «холодного» плавления;

4. Оптимизация режимов импульсной лазерной кристаллизации аморфных нанокластеров кремния в нестехиометрических пленках SiNx на нетугоплавких подложках.

Новизна работы

1. Установлено, что аморфные нанокластеры кремния, содержащиеся в пленках SiN, (0.6<х<1) и SiOx (0.2<х<1.5), кристаллизуются под воздействием фемтосекундных импульсов ближнего ИК-диапазона с плотностью энергии от 100 до 170 мДж/см2.

2. При воздействии лазерных импульсов с плотностью энергии от 150 до 250 мДж/см2 на пленки SiNx (1.1<х<].25) и SiOx (1.6<х<1.9) обнаружено фазовое расслоение с образованием нанокластеров кремния.

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

1. Кристаллизация аморфных нанокластеров кремния в пленках SiN„ (0.6<х<1) и SiOx (0.2<х<1.5) происходит при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с плотностью энергии от 100 до 170 мДж/см', если их размер превышает 2 нм.

2. Фазовое расслоение в пленках SiNx (1.1<х<1.25) и SiOx (1.6<х<1.9) и формирование нанокластеров кремния обусловлены диффузией кремния в областях локального расплава, возникающих при импульсных лазерных воздействиях с плотностью энергии от 150 до 250 мДж/см2.

Личный вклад автора заключается в обсуждении целей и постановке задач, выборе методов irx 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.

Основное содержание работы

Диссертация состоит нз введения, четырех глав, основных результатов и выводов. Работа содержит 166 страниц, 2 таблицы, 61 рисунок и 191 ссылку цитируемой литературы. Во введении сформулированы цели и основные задачи работы, обоснована актуальность исследований, изложены новизна и практическая значимость результатов, приведены защищаемые положения.

Глава 1. Оптические свойства нанокластеров кремния в пленках SiN, и SiO,. §1.1 посвящен термодинамике аморфного и кристаллического состояния вещества. Аморфное состояние вещества метастабильно, но для того, чтобы оно перешло в кристаллическое состояние, необходимо преодолеть энергетический барьер. Кристаллизация может происходить как в твердой фазе, так и с образованием промежуточной фазы расплава. Далее проанализирована структура и свойства нитрида кремния и диоксида кремния. Рассмотрены случаи отклонения от стехиометрии, которые описываются известными моделями: 1- «random bond» (RB), в которой избыточный кремний случайно распределен по атомарной сетке; 2- «random mixture» (RM), в которой весь избыточный кремний образует кластеры в матрице стехиометрического диэлектрика. По экспериментальным данным реальная структура пленок SiN* является суперпозицией этих подходов. Рассмотрены способы создания пленок нестехиометрических нитридов и оксидов

кремния: ионная имплантация; сораспыление; химическое осаждение из газовой фазы, плазмохимическое осаждение из газовой фазы.

В §1.2 проанализированы литературные данные по оптическим свойствам диэлектрических пленок с нанокластерами кремния. Основное внимание уделено влиянию квантово-размерного эффекта на ФЛ в данных структурах. Проведен анализ механизмов рекомбинации экситонов в нанокластерах кремния. Вследствие соотношения неопределенности Гейзенберга, смятение закона сохранения импульса в нанокластерах ведет к увеличению вероятности излучательной рекомбинации. Локализация носителей заряда в нанокластерах сферической формы приводит к

2 15

зависимости энергии излучательных переходов от размеров НК кремния - Еи. = Eg + энергия

S г°

измеряется в электрон-вольтах, а радиус ямы в нанометрах. Условия для наблюдения квантовых размерных эффектов таковы: 1- расстояние между энергетическими уровнями превосходит тепловую энергию, в противном случае практически одинаковая заселенность соседних уровней и частые переходы между ними делают квантовые эффекты ненаблюдаемыми; 2- длина свободного пробега носителя заряда превышает размер области, в которой он локализован; 3- высокое качество гетерограниц. Сделан анализ работ по исследованию ФЛ и электролюминесценции НК и аморфных нанокласгеров кремния.

В §1.3 проанализ!грованы преимущества модификации полупроводниковых структур с использованием импульсных лазерных воздействий (импульсный лазерный отжиг) [9]. К настоящему времени наносекундные импульсные лазерные отжиги применялись для формирования НК кремния в нитриде и оксиде кремния [10-12]. Фемтосекундные импульсные лазерные воздействия применялись для кристаллизации пленок кремния, однако до сих пор физика процессов при фемтосекундных отжигах ясна не полностью. Фемтосекундные отжиги использовались ранее для модификации нанокластеров кремния в пленках S1O2 [14], но не исследованы структурные изменения в кластерах кремния в пленках SiNx и SiOx при данных воздействиях.

Глава 2. Экспериментальные методики. Основным методом исследования структуры нанокластеров была спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС). Анализ спектров КРС позволяет определить объемное содержание аморфной и кристаллической фаз из сравнения интенсивностей соответствующих им пиков. Вследствие отсутствия трансляционной симметрии оптические переходы в аморфном кремнии не ограничены законом сохранения квазиимпульса, поэтому его спектр КРС характеризуется эффективной плотностью колебательных состояний. Максимумы в плотности состояний поперечных оптических (ТО) и поперечных акустических (ТА) мод приводят к возникновению широких пиков при 480 см'1 и 150 см"1 соответственно. В

спектре КРС от НК наблюдается узкий пик, положение которого зависит от его размера. Так как частота оптических фононов в кремнии уменьшается с уменьшением длины волны, то с уменьшением размеров НК, положение пика КРС смещается в сторону меньших частот. Спектры регистрировались при комнатной температуре в геометрии обратного рассеяния, для возбуждения использовапись линии Аг+ лазера с длинами волн 514.5 и 488 им. Использовался спектрометр Т64000 (НогіЬа .ІоЬі'п Ууоп) с приставкой для микроскопических исследований КРС, мощность лазерного пучка, доходящего до образца, составляла 2-3 мВт. Чтобы минимизировать нагрев лазерным пучком, образец помещался ниже фокуса и размер пятна лазера составлял 8-Ю мкм.

Исследование ФЛ от НК кремния дает информацию об их электронном спектре. Проанализированы особенности интерпретации спектров ФЛ от нанокластеров кремния. Для анализа состояния водорода в пленках применялась ИК спектроскопия. Для определения оптических констант и толщины исследуемых пленок использовалась эллипсометрия. Обосновывается применение прямых методик для исследования экспериментальных структур, таких как электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия. Обсуждены способы приготовления образцов, рассмотрены преимущества импульсных лазерных отжигов.

Таблица 1. Режимы осаждения и характеристика пленок ЯіМх

Номер образца Подложка Т,°С Соотношение потоков КН^ІНд Толщина пленок, ни Параметр х

1 380 10 322 1.33

2 380 5 280 1.3

3 380 3 250 1.25

4 Стекло 380 2 254 1.15

5 380 1,5 259 1.0

6 380 1 281 0.9

7 380 0,5 404 0.6

611 100 5 240 1.3

612 100 2.6 400 1.2

613 100 1.5 400 1.0

614 Кремний 100 0.9 450 0.8

615 100 0.5 450 0.6

621 380 5 280 1.3

622 380 2.6 430 1.2

623 380 1.5 430 1.0

624 380 0.9 510 0.8

625 380 0.5 510 0.6

ЇІКХ Лавсан 100 2.5 300-400 1.2

Глава 3. Оптические свойства «сходных пленок и 8К),, содержащих нанокластеры кремния. Анализ спектров КРС позволяет извлечь информацию о наличии связей кремний-

кремний в пленках оксида или нитрида кремния. Пленки SiNx различного состава были получены с применением метода стимулированного плазмой низкочастотного (55 кГц) разряда осаждения из газовой фазы смеси моносилана (S1H4) и аммиака (NH3) и содержали водород. От соотношения потоков S1H4 и NHj зависит состав пленки SiN*. Параметры приведены в таблице I. Стехиометрический параметр х определялся из анализа оптических свойств пленок, показатель преломления (определялся из данных многоугловой эллипсометрии) и край оптического поглощения пленок (определялся из данных спектральной эллипсометрии и спектроскопии пропускания и отражения света) монотонно зависят от параметра х. Важно знать, как избыточный кремний распределен в пленке - случайно по атомарной сетке (RB), либо в кластерах (RM). Если параметр х известен, можно определить молярную долю избыточного кремния у:

vSiNx=ySi+(l-y)-Si3N4> отсюда у = (4 - Зх)/(4 - 2х) ■ (1)

Для пленки SiNi.o, молярная доля избыточного кремния у=0.55. Если бы весь избыточный кремний выделился в кластеры, эффективная толщина слоя кремния была бы в данной пленке 200 нм. Пики от Si-Si связей явно проявляются в спектрах КРС пленок аморфного кремния с толщиной от 20 нм, однако мы не наблюдаем их в спектре пленки выращенной при 100 °С (сплошная линия, рис. 1). Следовательно, в данном случае в кластерах содержится менее 10 % избыточного кремния. В спектрах образца, выращенного при таком же соотношении потоков аммиака и моносилана, но при более высокой температуре, виден пик от Si-Si связей (пунктирная линия, рис. 1), значит, большее количество избыточного кремния собралось в кластеры. При диффузионно-лимитируемом росте образование кластеров будет происходить вероятнее при большем коэффициенте диффузии, который растет с температурой. При соотношении NH3/SiH4 =0.5 в спектрах всех образцов наблюдаются пики от Si-Si связей. По данным спектроскопии КРС при соотношении NH3/SiH4>5 в пленках не обнаружено кластеров кремния. Итак, в нашем случае избыточный кремний в основном случайно рассеян по атомной сетке, структура пленок близка к RB. Пленки нитрида кремния осаждались из реагентов, содержащих водород, и по данным ПК-спектроскопии водород в них связан как с кремнием, так и с азотом. Для пленок SiOx, приготовленных методом сораспыления кремниевой и кварцевой мишеней, пики от аморфных кластеров кремния проявляются в спектрах КРС пленок с х<1.5. В пленках с х>1.5 количество связей Si-Si мало, и соответствующие пики ниже порога обнаружения.

; ' v —

|

^tSw—»™——•—■-—

Вашкайе см

Рис. 1. Спектры КРС исходных пленок 81КХ> соотношение потоков ЫНз^Н,! составляет 1.5.

На рис. 2 представлены спектры ФЛ нестехиометрического нитрида кремния с разным содержанием избыточного кремния. Излучение в синей области спектра и в области ближнего ультрафиолетового диапазона обусловлено дефектами. Увеличение количества избыточного кремния приводит к увеличению размеров нанокластеров, что вследствие квантово-размерного эффекта привело к сдвигу пика ФЛ в длинноволновую область. Подобная зависимость наблюдалась ранее [2], но в нашем случае пленки выращены при низкой температуре и их структура ближе к ИВ модели. В пленках ЭЮ* обнаружен аналогичный длинноволновый сдвиг максимума ФЛ с увеличением количества избыточного кремния. Интенсивность ФЛ в нанокластерах кремния определяется конкуренцией между процессом излучательной рекомбинацией экситонов, локализованных в кластерах, и безызлучательным каналом, который реализуется посредством миграции экситонов к местам их безызлучательной рекомбинации. При температурах выше 70 К доминирует безызлучательный канал [15]. Интенсивность ФЛ была

¡МЛН!.!. ИМ

Рис. 2. Спектры ФЛ пленок ЙИЧ.;. Вверху - Т Рис. 3. Зависимость интенсивности ФЛ от температуры двух роста 100 "С, кривые I - 611; 2 - 612; 3 - 613; 4 - серий образцов, выращенных при Т=100°С (а: 1- 611, 2- 612, 3614; 5-615, Внизу- Т=380 °С, кривые I -621; 2 614, 5- 615) и 380°С (Ь: 1- 621, 2- 622, 3- 623, 4- 624, 5- 622; 3 - 623; 4 - 624; 5 - 625. штрихованная кривая - расчеты).

Изменение в температурной зависимости интенсивности фотолюминесценции пленок З!!4)* при температуре =200 К указывает на наличие двух процессов безызлучательной рекомбинации. Было предположено наличие в системе трех термоактивируемых процессов (одного излучательного и двух безызлучательных) с частотами ега:1(Т), = ехр(-£ас(1/И") и

е2 = у2 -ех^-Еас121кТ)\ интенсивность ФЛ:

/ к-- (2)

Результаты расчетов по формуле 2 (рис. 3, расчеты показаны для пленки 623, для остальных пленок также получено хорошее совпадение) свидетельствуют о том, что релаксация экситонных возбуждений в пленках с кремниевыми нанокластерами осуществляется в результате протекания двух процессов, относительный вклад которых в суммарную вероятность безызлучательного канала меняется с температурой. Этими процессами являются миграция экситонов как целого (с энергией термической активации Еас, : ~ 30-35 мэВ) и их диссоциация (Еас, 2~ 130-150 мэВ). Разница в энергии хорошо совпадает с Кулоновской энергией связи экситона в нанокластерах кремния с размерами 2-3 им.

Глава 4. Исследование нанокластеров кремния в пленках 81\, н сформированных в результате импульсных лазерных отжигов. Для модификации нанокластеров кремния в пленках проводились отжиги с использованием КгР лазера (л=248 пт), длительность импульса 25 наносекунд, а также титан-сапфирового лазера (1=800 пт), длительность импульса 30 фе.мтосекунд. Для фокусировки излучения на образец использовалась кварцевая линза, образец помещался выше фокуса, радиус лазерного пятна на образце варьировался от 50 до 500 микрон. Использов&чись сканирующие воздействия, перекрытие лазерного пучка менялось от 60 до 96%. Плотность энергии лазерного излучения контролируемо изменялась от 50 до 300 мДж/см2.

Обнаружено, что наносекундные лазерные воздействия привели к кристаллизации аморфных нанокластеров кремния. В пленках (х<1) с ростом плотности энергии лазерного импульса росло соотношение интенагвностей «ншюкристатлического» пика к «аморфному», значит, увеличивалась доля нанокристаллической фазы кремния. Размеры НК кремния (определенные по данным КГ'С и электронной микроскопии) варьировались от 2 до 7 им в зависимости от стехиометрии пленок, но практически не зависели от плотности энергии в импульсе. Наносекундные отжиги привели к кристаллизации кластеров аморфного кремния в пленках 8ЮХ, содержащих значительное количество избыточного кремния (х<0.4). Размер НК в данном случае составлял 10 нм. В случае пленок 8ЮХ (х>0.4) излучение эксимерного КгР лазера поглощалось слабо. Поэтому, при малых плотностях энергии оно не оказывало никакого влияния, а при больших плотностях энергии (170 мДж/см2 и выше) достигато подложки, нагревало и испаряло ее вместе с пленкой.

Фемтосекундные лазерные воздействия также привели к кристаллизации кластеров кремния. На рис. 4 представлены спектры КРС исходной и подвергнутой фемтосекундным отжигам пленки (7, таб. 1). В спектрах появляются узкие пики с положением 513-515 см"1. Эти пики

возникают от оптических фононов. локализованных в НК кремния. Положение пика зависит от размеров НК, доля кристаллической фазы растет с ростом плотности энергии. Воздействие с плотностью энергии 150 мДж/см2 (штрих-пунктирная линия) привело к практически полной кристаллизации нанокластеров кремния. Фемтоеекундными импульсами удалось также кристаллизовать кластеры кремния и в пленках SiOx (рис. 5).

Волновое ЧЛЄ.ІО. >.у< '

ІЇО. Ш080С 'ШСЛО, см'

Рис. 4. Спектры КРС: 1 - исходная пленка 7; после Рис. 5. Спектры КРС: кривая 1 - исходная пленка отжигов фемтоеекундными импульсами с плотностью SiOfJ>4; кривая 2 - пленка StO01, отожженная энергии от 100 до 150 мДж/см2. лазерными фемтоеекундными импульсами с

плотностью энергии 100 мДж/см^.

- SiN: :№схеsreft

= 1»

B<>:lUO«tX* 4tlO-U». СЛ! '

1Г Параметрх

Рис. 6. Спектры КРС пленки 612: исходной и после Рис. 7. Порог кристаллизации при фемтосекундных отжига фемтоеекундными импульсами. воздействиях для пленок ЯгЫ*. выращенных на стекле.

В случае малого содержания избыточного кремния в пленках нитрида кремния, лазерные отжиги приводили к формированию аморфных кластеров кремния. Так, в исходных пленках 8іМх с параметром х близким к 1.2 в спектрах КРС не наблюдалось пиков от аморфного кремния (виден только пик от подложки кремния). После лазерных отжигов в спектрах обнаруживались пики от аморфного кремния, таким образом, лазерные воздействия стимулировали фазовое расслоение

(рис. 6). Увеличение количества связей Si-Si могло быть также обусловлено дегидрогенизацией пленок. Однако при лазерных воздействиях наблюдается формирование аморфных нанокластеров кремния и для пленок SiOx, не содержащих водорода. Были сделаны оценки длины диффузии для кремния в оксиде кремния. Коэффициент диффузии кремния в S1O2 даже при температуре плавления кремния составляет ~10'14 см2/с [16]. Для того чтобы длина диффузии составила 2 межатомных расстояния, требуется время порядка 1 секунды, а время остывания расплавленных пленок кремния =100 не [17]. Следовательно, диффузия кремния происходит в жидкой фазе. Поглощенной энергии лазерного импульса недостаточно чтобы расплавить всю пленку, значит, области расплава локальны и возникают в местах наибольшего поглощения излучения, а именно там, где в результате флуктуации концентрация кремния оказалась выше средней.

Для фемтосекундных воздействий были найдены пороги абляции пленок. Для пленок SiOx они зависели от состава, и превышали значение 110 мДж/см2. Для пленок SiNx порог абляции также зависел от состава, и превышал значение 170 мДж/см2. Были определены пороги кристаллизации для всех образцов SiN„ и SiOx с разным нестехпометрическим параметром х. На рис. 7 представлены результаты зависимости порога кристаллизации от параметра х для пленок SiNj, осажденных на стекло. С ростом х необходима большая плотность энергии для крнсталлшации, что связано с уменьшением коэффициента поглощения при уменьшении количества кремния.

Далее были сделаны оценки поглощения пленками излучения фемтосекундного лазера. Энергия фотона (1.5 эВ) далека от края поглощения нитрида и оксида кремния, и даже в аморфном кремнии поглощение излучения с такой длиной волны мало. Коэффициент поглощения для исходной пленки SiNx с наибольшим содержанием избыточного кремния (х=0.6) не превышает 1000 см"' (по данным спектроскопии пропускания и отражения), и даже с учетом нелинейности при большой мощности излучения, пленки поглощают не более 10% от энергни в импульсе. По нашим расчетам, поглотив такую энергию, пленки нагрелись бы до температуры не выше 1000 К. Время, необходимое для кристаллизации аморфного кремния при такой температуре (твердофазная кристаллизация), составляет несколько минут. Кристаллизация аморфного кремния за времена масштаба менее десятков наносекунд возможна только при его расплаве [17]. Из данных по теплоемкости и теплоте расплава кремния [17], чтобы нагреть до расплава пленку аморфного кремния толщиной 100 нм надо 29.8 мДж/см2, а чтобы ее расплавить - 58.8 мДж/см2. В нашем случае, поглощаемая пленками плотность энергии в разы меньше. Предложен следующий механизм кристаллизации. Длительность фемтосекундного импульса намного меньше, чем время электрон - фононного взаимодействия в полупроводниках (1-2 пикосекунды). В течение импульса, рожденные светом электрон - дырочные пары не возбуждают колебательные моды в

кремнии и не рекомбшшруют. В наших условиях, концентрация свободных электронов достигает порога «холодного» плавления [13, 18]. Используя зависимость температуры плавления кремния от концентрации свободных электронов [18], Тт = Тто(1 - ап)2, где Тто=1688 К, а'1 = 8 * 1021 ст"3, п- концентрация; определили, что при концентрации свободных электронов 4.61021 см"3 температура плавления кремния составит 300 К. Каждый фотон с энергией 1.5 эВ имеет энергию 2.4 10"'6 мДж, и для того, чтобы достигнуть «холодного» плавления пленка толщиной 100 нм должна поглотить 11 мДж/см2. Это в 5.3 раза меньше, чем ятя термического плавления! Из экспериментально полученного порога кристаллизации (рис. 7) определили, что поглощения 10% от падающего света достаточно для достижения состояния «холодного» плавления. Согласно оценкам, в конце фемтосекундного импульса концентрация электрон - дырочной плазмы в кремнии достигает значения, при котором связь кремний-кремний нестабильна. Тепловая скорость атомов кремния при комнатной температуре =3 104 см/сек, и спустя 300 фемтосекунд после импульса атомы кремния смещаются от исходного положения равновесия па ~1 ангстрем. Спустя 1-2 пикосекунды электронная подсистема релаксирует нагревая атомную подсистему. Так как энергия, переданная световым импульсом электронной подсистеме недостаточна для термического плавления, спустя этот промежуток времени кремний представляет собой сильно переохлажденную (по нашим оценкам переохлаждение =700 К) жидкость. По данным работы [19] скорость зародышеобразования g в кремнии при таком переохлаждении составляет ~1039 м"3-с"\ Время ожидания критического зародыша зависит от объема, как = ^. ^ и для кластера

сферической формы, это время: / ~ А - ГС ^ ( А = 10_12с-пм3). Были сделаны оценки времени

остывания кластера кремния сферической формы в матрице стекла. Теплопроводность стекла более чем на порядок меньше теплопроводности кремния, и если считать температуру кластера

2 —12 1

однородной, по нашим расчетам время его остывания - /¡-К (В = 10 снм" ). Если время

остывания меньше времени ожидания критического зародыша кристаллической фазы, то кластер остывает, оставаясь в аморфной фазе. Нанокластеры кремния с размерами от 2 нм успевают кристачлизоваться, выделяемая скрытая теплота кристаллизации диссипирует в окружающую матрицу. В наиокластерах с размерами больше 6 нм могут возникнуть несколько зародышей кристаллической фазы, что и наблюдаюсь по данным электронной микроскопии - границы кристатлитов содержат дефекты упаковки и двойникования.

Развитый подход был применен для создания НК кремния в диэлектрических пленках на пластиковых подложках, что продемонстрировано для пленки 2 на лавсане. В спектре исходной структуры не наблюдается никаких особенностей, кроме пиков, связанных с КРС от

лавсана. В спектре пленки после фемтосекундных импульсных воздействий виден пик с максимумом при 516 см"1 (рис. 8). По положению пика КРС размер НК кремния составляет 3.5-4 нм, что близко к оценке из положения пика ФЛ, если воспользоваться формулой из работы [2]. В целом, лазерные отжиги приводили к модификации нанокластеров, и соответственно, к модификации спектров ФЛ. Сдвиг пиков ФЛ хорошо соответствовал подходу, учитывающему влияние квантово-размерного эффекта [2, 3].

ЩЙШЯ 1 о-'! '»(' » 3 ПИ! ! „Г11

; Л,.'.<!■;>!^'■■'■И.Л!: : ....... ПУСДВ

| ! V „«„..,,... " "■" •—1

1 | •3 £ 1 | А^Д/вд»лМмк-лЬ I иП^шр нК г - Ыда ЩтШ&ШШтЩщШШ .'-'г ."^Ч Щщ (ЙЙ&'Члч >-% -- | |

4?П Ш Во/шоззс ч не. «. кю о, см "

Рис. 8. Спектры КРС пленки 51Н< на лавсане: сплошная Рис. 9. ВРЭМ изображение пленки Я^'ог. после линия - после фемтосекундных импульсных воздействий; фемтосекундных лазерных воздействий, штрихованная линия ■ исходная пленка.

Лазерные воздействия применяются также для модификации поверхности образцов. Для некоторых применений важно, чтобы поверхность пленок, подвергнутых лазерным отжигам, оставалась планарной. Метод атомно-силовой микроскопии был применен для исследования рельефа поверхности образцов после импульсных лазерных воздействий. Было получено, что можно подобрать режимы воздействий (достаточные для кристаллизации), при которых пленка остается планарной, средняя шероховатость ее не превышает нескольких нм. Данные о кристаллизации кластеров аморфного кремния, полученные с помощью КРС и ФЛ, были подтверждены высокоразрешающей электронной микроскопией (ВРЭМ). По данным ВРЭМ фемтосекундные лазерные воздействия приводят к кристаллизации аморфных нанокластеров кремния в пленках 8Ю() 4 с формированием НК кремния с размерами ]0 нм. Было показано, что в пленках 8ЮХ с относительно высокой концентрацией избыточного кремния, НК образуют агломераты. В пленках Э]!^ (рис. 9) и 8ЮХ с относительно низкой концентрации избыточного кремния также видны НК кремния, но меньшего размера, что соответствовало данным, полученным из анализа КРС.

Основные результаты и выводы

1. Установлено, что пленки S¡NX (х<0.8, температура осаждения 100 °С) и пленки SiNx (х<1, Т=380 °С) содержат кластеры аморфного кремния. В условиях одинакового стехиометрического состава повышение температуры осаждения ведет к увеличению размеров аморфных кластеров кремния.

2. Обнаружен сдвиг максимума фотолюминесценции в область больших длин волн при увеличении количества избыточного кремния в пленках SiNx (0.6<х<1.3) и SiOx (1<х<1.9), осажденных при температурах 100 и 380 °С. Эффект обусловлен увеличением размеров нанокластеров кремния.

3. Обнаружено изменение в температурной зависимости интенсивности фотолюминесценции пленок SiNx (0.6<х<1.3) при Т==200 К. Проведены расчеты температурной зависимости фотолюминесценции с учетом вклада излучательного и двух безызлучательиых процессов с разной энергией термической активации. Показано, что доминирующими процессами в диапазоне температур от 80 до 300 К являются миграция экситона до центра безызлучательной рекомбинации (с энергией термической активации Еас, ¡ ~ 30-35 мэВ) и его диссоциация (Еас, 2 ~ 130-150 мэВ).

4. Обнаружено, что аморфные кластеры в пленках SiNx (0.6<х<1) и SiOx (0.2<х<1.5) кристаллизовались под воздействием наносекундных и фемтосекундных лазерных импульсов. Пороги плотности энергии в импульсе, необходимые для кристаллизации кластеров, зависят от стехиометрии пленок и лежат в пределах от 100 до 250 мДж/см2 для фемтосекундных отжигов и превышают 130 мДж/см2 для наносекундных отжигов. Развитый подход использован для создания диэлектрических пленок с нанокристаллами кремния на петугоплавких подложках.

5. По данным ВРЭМ установлено, что в результате фемтосекундных лазерных воздействий с плотностью энергии выше 100 мДж/см2 в нанокластерах кремния с размерами >6 нм образуется несколько зародышей кристаллической фазы, а в нанокластерах с размерами от 2 до 6 нм - один зародыш кристаллической фазы. По оценкам, для нанокластеров с размерами от 2 нм время ожидания появления критического зародыша кристаллической фазы в переохлажденном (от 700К) расплаве кремния меньше времени его остывания.

6. Показано, что импульсные лазерные воздействия с плотностью энергии от 150 до 250 мДж/см2 привели к расслоению фаз и формированию нанокластеров кремния в пленках SiNx (1.1<х<1.25) и SiOx (1.6<х<1.9). Эффект обусловлен диффузией кремния в областях локального расплава

Список работ по теме диссертации

А1. Корчагина Т. Т. Кристаллизация кластеров аморфного кремния в пленках SiNx на стекле с применением наносекупдпых импульсных обработок излучением KrF лазера / Т. Т. Корчагина, В. А. Володин, А. А.Попов, Б. Н. Чичков // Вестник НГУ. Серия: Физика. - 2009. - Т. 4. - Вып. 2. -С. 47-52.

А2. Корчагина Т. Т. Структура и оптические свойства сформированных с применением низкочастотного плазмо-химического осаждения пленок SiNx:H, содержащих нанокластеры кремния / Т. Т. Корчагина, Д. В. Марин, В. А. Володин, А. А.Попов, М. Vergnat // ФТП. - 2009. -Т. 43.-Вып. 11.-С. 1557-1563.

A3. Volodin V. Temperature Dependence of the Photoluminescence Intensity in Sii+xKVH Films with Amorphous Si Nanoclusters: Evidence for Two Processes Involved in the Nonradiative Relaxation of Photoexcitations / V. Volodin, V. Stuehinsky, T. Korchagina, A. Popov and M. Vergnat // ECS Trans. -2009.-Vol. 25. -N 11. -P. 35.

A4. Volodin V.A. Femtosecond laser induced formation of Si nanocrystals and amorphous Si clusters in silicon-rich nitride films / V. A. Volodin, Т. T. Korchagina, J. Koch, B. N. Chichkov // Physica E. -2010.-Vol. 42.-N. 6.-P. 1820-1823.

A5. Volodin V. A. Femtosecond and nanosecond laser assistant formation of Si nanoclusters in silicon-rich nitride films / V. A. Volodin, Т. T. Korchagina, G. N. Kamaev, A. H. Antonenko, J. Koch, B. N. Chichkov// Proc. SPIE. -2010. - Vol. 7521. - P. 75210X1-(X8).

A6. Корчагина Т. Т. Способ формирования аморфных и кристаллических ианокласгеров кремния в диэлектрических пленках / Т. Т. Корчагина, В. А. Володин // Научно-технические ведомости СпбГПУ: Фнзпко-математические науки. - 2010. - N. I (94). - С. 66-70.

А7. Корчагина Т. Т. Формирование и кристаллизация нанокластеров кремния в пленках SiNx:H с применением фемтосекундпых импульсных отжигов / Т, Т. Корчагина, В. А. Володин, В. N. Chichkov //ФТП.-2010.-Т. 44. - Вып. 12.-С. 1660-1665.

А8. В.А.Володин, Т.Т.Корчагина. Способ формирования содержащего нанокристаллы диэлектрического слоя: пат. № 2391742: Рос. Федерация № 2009104889; заявл. 12.02.2009; опубл. 10.06.2010, Бюл. №16 (IV ч.) 922 с.

А9. Корчагина Т. Т. Формирование нанокристаллов кремния в пленке SiNx на лавсане с применением фемтосекундных импульсных обработок / Т. Т. Корчагина, В. А. Володин, А.А. Попов, К. С. Хорьков, М Н. Герке // Письма в ЖТФ. - 2011. - Т. 37. - Вып. 13. - С. 62-69.

А10. Volodin V. A. Femtosecond laser induced formation and crystallization of Si nanoclusters in SiOx films / V. A. Volodin, Т. T. Korchagina, A. K. Gutakovsky, L. I. Fedina, M. A. Neklyudova, A.V. Latyshev, J. Jedrzejewski, I. Balberg, J. Koch, B. N. Chichkov // Physics Express. - 2012. - V. 1. -P. 5.

All. Korchagina Т. T. Crystallization of amorphous Si nanoclusters in SiOx films using femtosecond laser pulse annealings / Т. T. Korchagina, A. K. Gutakovsky, L. I. Fedina, M. A. Neklyudova, V. A. Volodin // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. - 2012. - N. 3. - P. 1877.

Цитируемая литература

1. Гриценко В. А. Диэлектрики в наноэлектронике / В. А. Гриценко, И. Е. Тысченко, В. П. Попов, Т. В. Перевалов // Новосибирск. Изд-во СО РАН. -2010,- С 258.

2. Park Nae-Man. Band gap engineering of amorphous silicon quantum dots for light-emitting diodes/ Park Nae-Man, Kim Tae-Soo, Park Seong-Ju // J. Appl. Phys. Lett. - 2001.-Vol. 78. - P. 2575-2577.

3. Kim Tae-Youb. Quantum confinement effect of silicon nanocrystals in situ grown in silicon nitride films/ Tae-Youb Kim, Nae - Man Park, Kyung - Hyun Kim, Gun Yong Sung, Yong -Woo Ok, Tae-Yeon Seong, Cheol-Jong Choi //J. Appl. Phys. Lett. - 2004. -Vol. 85. N. 22. - P. 5355-5357.

4. Ржаиов А. В. Нигрид кремния в электронике // Новосибирск. Издательство «Наука». Сибирское отделение. - 1982 , - С. 200.

5. Shimizu-Iwayama Т. Visible photoluminescence in Si+-implanted thermal oxide films on crystalline Si / T. Shimizu-Iwayama, S. Nakao, K, Saitoh // J. Appl. Phys. Lett. - 1994. - Vol. 65. N. 14. - P. 18141816.

6. Rinnert H. Evidence of light-emitting amorphous silicon clusters confined in a silicon oxide matrix / H. Rinnert, M. Vergnat, A. Burneau // J. Appl. Phys. - 2001. - Vol. 89. N. 1. - P. 237-243.

7. Sychugov I. Narrow luminescence linewidth of a silicon quantum dot / I. Sychugov, R. Juhasz, J. Valenta, J. Linnros // Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol. 94. - P. 087405-01-04.

8. Гриценко В. А. Строение и электронная структура аморфных диэлектриков в кремниевых МДП структурах // Новосибирск. Издательство «Наука». Сибирское отделение. - 1993. - С. 280.

9. Двуреченский А. В. Импульсный огжиг полупроводниковых материалов / А. В. Двуреченский, Г. А. Качурин, Н. В. Нидаев, JI. С. Смирнов // Новосибирск. Издательство «Наука». - 1982. - С. 208.

10. Volodin V. A. Raman study of silicon nanocrystals formed in SiNx films by excimer laser or thermal annealing / V. A. Volodin, M. D. Efremov, V. A. Gritsenko, S. A. Kochubei // J. Appl. Phys. Lett. - 1998. - Vol. 73. - P. 1212 - 1214.

11. Rochet F. Modification of SiO through room-temperature plasma treatments, rapid thermal annealing, and laser irradiation in a nonoxidizing atmosphere / F. Rochet, G. Dufour, H. Roulet, B. Pelloie, J. Perrier, E. Fogarassy, A. Slaoui, M. Froment // Phys. Rev. B. - 1988. - Vol. 37. N. 11. - P. 6468-6477.

12. Патент США US2008/0178794 A1 от 31.07.2008г„ заявка № 11/698262 на выдачу патента США на изобретение от 25.01.2007г.

13. Кудряшов С.И. Коллапс запрещенной зоны и сверхбыстрое «холодное» плавление кремния в течение фемтосекундного лазерного импульса/ С.И. Кудряшов, В.И. Емельянов // Письма в ЖЭТФ. -2001. - Т. 73. Вып. 5. - С. 263-267.

14. Качурин Г.А. Действие мощных нано- и фемтосекундных лазерных импульсов на кремниевые наноструктуры/ Г.А. Качурин, С.Г. Черкова, В.А. Володин, Д.В. Марин, М. Deutschmann // Физика и Техника Полупроводников. —2008, - Т. 42. Вып. 2, - С. 181-186.

15. Calcott P. D. J. Identification of radiative transitions in highly porous silicon / P. D. J. Calcott, K. J. Nash, L. T. Canham, M. J. Kane, D. Brumhead // J. Phys.: Condens. Matter. - 1993. - Vol. 5. - P. L91-L98.

16. L. A. Nesbit. Annealing characteristics of Si-rich Si02 films // Appl. Phys. Lett. -1985. - Vol. 46. - P. 38-40.

17. S. De Unamuno. A thermal description of the melting of c- and a-siilicon under pulsed excimer lasers / S. De unamuno, E. Fogarassy // Appl. Surf. Science. - 1989. - Vol. 36. - P. 1-11.

18. Bok J. Effect of electron-hole pairs on the melting of silicon // Phys. Lett. - 1981. - Vol. 84 A. N. 8. - P. 448-450.

19. S. R. Sti filer. Supercooling and nucleation of silicon after laser melting / S. R. Stiffler, Michael O. Thomson, P. S. Peercy// Phys. Rev. Lett. -1988. - Vol. 60. N. 24. - P. 2519-2522.

Отпечатано в ООО КЦ «Алин» г. Новосибирск, К.Маркса, 37 e-mail: alincopy@yandex.ru

тел. 299-68-95

Тираж 100 экз.

 
Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Корчагина, Таисия Тарасовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКЛАСТЕРОВ КРЕМНИЯ В ПЛЕНКАХ и БЮ,.

§1.1 Методы получения пленок 8ПЧХ и 8ЮХ с нанокластерами кремния.

§1.2 Оптические свойства диэлектрических пленок, содержащих нанокластеры кремния: влияние квантово-размерного эффекта.

§1.3 Модификация полупроводниковых структур с использованием импульсных лазерных воздействий (лазерный отжиг).

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ.

§2.1 Методика спектроскопии комбинационного рассеяния света.

§2.2 Методика фотолюминесценции.

§2.3 Методика ИК-спектроскопии.

§2.4 Методы электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии.

§2.5 Методики приготовления исходных пленок и лазерных отжигов.

Глава 3. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСХОДНЫХ ПЛЕНОК 81ГЧХ и ЭЮ*, СОДЕРЖАЩИХ НАНОКЛАСТЕРЫ КРЕМНИЯ.

§3.1 Исследование нанокластеров кремния с применением спектроскопии комбинационного рассеяния света.

§3.2 Фотолюминесценция нанокластеров кремния в пленках 811ЧХ и БЮХ: проявление квантово-размерного эффекта.

§3.3 Температурная зависимость фотолюминесценции от нанокластеров кремния, влияние излучательной и безызлучательной рекомбинации.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКЛАСТЕРОВ КРЕМНИЯ В ПЛЕНКАХ віГ*х И 8Ю„ СФОРМИРОВАННЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ОТЖИГОВ.

§4.1 Кристаллизация нанокластеров кремния в пленках 8і>Іх и 8ЮХ при наносекундных лазерных воздействиях.

§4.2 Кристаллизация нанокластеров кремния в пленках SiNx и SiOx при фемтосекундных лазерных воздействиях.

§4.3 Фазовое расслоение и формирование нанокластеров кремния в пленках SiNx и SiOx при импульсных лазерных воздействиях.

§4.4 Исследование пленок SiNx и SiOx с применением методов АСМ и ВРЭМ.

§4.5 Фотолюминесценция нанокластеров кремния, сформированных в пленках SiNx и SiOx в результате импульсных лазерных воздействий.

 
Введение диссертация по физике, на тему "Формирование нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках при импульсных лазерных воздействиях"

Диэлектрические пленки, содержащие полупроводниковые кристаллы нанометрового размера (нанокристаллы), перспективны для практического применения в приборах микро- и наноэлектроники, а также оптоэлектроники [1]. Интенсивная фотолюминесценция (ФЛ) и сдвиг максимума ФЛ в зависимости от размеров кластеров (квантово-размерный эффект) наблюдались в пленках нитрида кремния, содержащих как аморфные нанокластеры кремния [2], так и нанокристаллы кремния [3]. Авторы работы [2] сообщают о создании красного, зеленого и синего светодиодов на основе пленок нитрида кремния с аморфными нанокластерами нитрида кремния различных размеров. Пленки нитрида кремния используются в элементах энергонезависимой памяти (flash memory) [4, 5], развитие низкотемпературной технологии получения этих пленок открывает перспективы их использования в устройствах широкоформатной электроники — плоских мониторах на гибких подложках, электронной бумаге, солнечных элементах. Проявление квантово-размерного эффекта в спектрах ФЛ было обнаружено в нанокристаллах кремния [6] и в нанокластерах аморфного кремния [7] в матрице оксида кремния. В спектрах ФЛ одиночных нанокристаллов кремния в пленке диоксида кремния наблюдались очень узкие пики, что говорит о дискретности их электронного спектра, значит, нанокристаллы кремния в диэлектрической матрице являются квантовыми точками [8].

Синтезировать нанокристаллы кремния в диэлектрических пленках можно как в процессе роста, так и в послеростовых процессах. Использование печных отжигов для кристаллизации аморфных нанокластеров кремния требует высоких температур и длительных воздействий [9] и может применяться только для структур на тугоплавких подложках. Для практического применения важно, чтобы широкоформатные подложки, на которые осаждаются пленки, были недорогие - стекло или пластик. Существуют низкотемпературные плазмохимические методы осаждения, которые позволяют получить диэлектрические пленки при низкой (до 100 °С) температуре подложки. Однако, в нестехиометрическом аморфном нитриде кремния SiNx (х<4/3), осаждаемом при низкой температуре, избыточный кремний в основном случайным образом встраивается в атомарную сетку, практически не формируя кластеры [5,10]. В этом случае с некоторой вероятностью образуются тетраэдрические группы Si-SiN3, Si-Si2N2, Si-Si3N, и Si-Si4. Структура пленок описывается моделью случайной сетки (random bonding - RB model) [5,10]. Решение проблемы формирования нанокластеров и их кристаллизации в пленках на нетугоплавких подложках - это применение импульсных лазерных воздействий. Импульсные лазерные отжиги применяются для кристаллизации и рекристаллизации полупроводниковых пленок уже более тридцати лет [11]. При правильном подборе параметров лазера, почти все излучение поглощается в пленке, следовательно, не доходит до подложки и не нагревает ее. За малые времена лазерного импульса и за время остывания пленки вследствие диффузии тепла в подложку (десятки наносекунд), подложка не успевает перегреться. Ранее, для создания и кристаллизации нанокластеров кремния в пленках SiNx и SiOx использовались наносекундные импульсные отжиги с применением эксимерных лазеров ХеС1 - длина волны 308 нм [12] и ArF - длина волны 193 нм [13]. Подобный способ получения нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках запатентован в США, используется в технологии производства устройств энергонезависимой памяти [14]. Фемтосекундные импульсные отжиги практически не применялись для формирования и модификации нанокристаллов кремния в диэлектрических пленках, но использовались для кристаллизации пленок аморфного гидрогенизированного кремния на подложках из стекла [15, 16]. Когда длительность импульса меньше времени электрон-фононного взаимодействия, проявляются нетермические эффекты в фазовых переходах - «холодное» плавление [17], «плазменный отжиг». Из изложенного выше следует, что формирование нанокластеров кремния в диэлектрических пленках с применением наносекундных и фемтосекундных импульсных воздействий является актуальной задачей.

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:

1. Исследование структуры и оптических свойств исходных нестехиометрических пленок SiNx (0.6<х<1.33) и SiOx (0.2<х<2);

2. Анализ изменения фазового состава нанокластеров кремния при импульсных лазерных отжигах пленок SiNx (0.6<х<1.33) и SiOx (0.2<х<2);

3. Определение порогов кристаллизации аморфных нанокластеров кремния и абляции пленок SiNx и SiOx при наносекундных и фемтосекундных лазерных воздействиях, оценка параметров необходимых для «холодного» плавления;

4. Оптимизация режимов импульсной лазерной кристаллизации аморфных нанокластеров кремния в нестехиометрических пленках SiNx на нетугоплавких подложках.

Новизна работы

1. Установлено, что аморфные нанокластеры кремния, содержащиеся в пленках SiNx (0.6<х<1) и SiOx (0.2<х<1.5), кристаллизуются под воздействием фемтосекундных импульсов ближнего ИК-диапазона с плотностью энергии от 100 до 170 мДж/см2.

•у

2. При воздействии лазерных импульсов с плотностью энергии от 150 до 250 мДж/см на пленки SiNx (1.1<х<1.25) и SiOx (1.6<х<1.9) обнаружено фазовое расслоение с образованием нанокластеров кремния.

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 2008-2010 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

1. Кристаллизация аморфных нанокластеров кремния в пленках SiNx (0.6<х<1) и SiOx (0.2<х<1.5) происходит при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с плотностью энергии от 100 до 170 мДж/см2, если их размер превышает 2 нм.

2. Фазовое расслоение в пленках SiNx (1.1<х<1.25) и SiOx (1.6<х<1.9) и формирование нанокластеров кремния обусловлены диффузией кремния в областях локального расплава, возникающих при импульсных лазерных воздействиях с плотностью энергии от 150 до 250 мДж/см2.

Личный вклад автора заключается в обсуждении целей и постановке 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.

 
Заключение диссертации по теме "Физика полупроводников"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что пленки вИ^х (х<0.8, температура осаждения 100 °С) и пленки Б ¡Не (х<1,

Т=380 °С) содержат кластеры аморфного кремния. В условиях одинакового стехиометрического состава повышение температуры осаждения ведет к увеличению размеров аморфных кластеров кремния.

2. Обнаружен сдвиг максимума фотолюминесценции в область больших длин волн при увеличении количества избыточного кремния в пленках 81ЫХ (0.6<х<1.3) и 8ЮХ (1<х<1.9), осажденных при температурах 100 и 380 °С. Эффект обусловлен увеличением размеров нанокластеров кремния.

3. Обнаружено изменение в температурной зависимости интенсивности фотолюминесценции пленок 81>1Х (0.6<х<1.3) при Т-200 К. Проведены расчеты температурной зависимости фотолюминесценции с учетом вклада излучательного и двух безызлучательных процессов с разной энергией термической активации. Показано, что доминирующими процессами в диапазоне температур от 80 до 300 К являются миграция экситона до центра безызлучательной рекомбинации (с энергией термической активации Еас1

30-35 мэВ) и его диссоциация (Еаа2 ~ 130-150 мэВ).

4. Обнаружено, что аморфные кластеры в пленках 8ПЧХ (0.6<х<1) и 8ЮХ (0.2<х<1.5) кристаллизовались под воздействием наносекундных и фемтосекундных лазерных импульсов. Пороги плотности энергии в импульсе, необходимые для кристаллизации кластеров, зависят от стехиометрии пленок и лежат в пределах от 100 до 250 мДж/см2 для фемтосекундных отжигов и превышают 130 мДж/см для наносекундных отжигов. Развитый подход использован для создания диэлектрических пленок с нанокристаллами кремния на нетугоплавких подложках.

5. По данным ВРЭМ установлено, что в результате фемтосекундных лазерных воздействий л с плотностью энергии выше 100 мДж/см в нанокластерах кремния с размерами >6 нм образуется несколько зародышей кристаллической фазы, а в нанокластерах с размерами от 2 до 6 нм - один зародыш кристаллической фазы. По оценкам, для нанокластеров с размерами от 2 нм время ожидания появления критического зародыша кристаллической фазы в переохлажденном (от 700К) расплаве кремния меньше времени его остывания. 6. Показано, что импульсные лазерные воздействия с плотностью энергии от 150 до 250 мДж/см2 привели к расслоению фаз и формированию нанокластеров кремния в пленках SiNx (1.1<х<1.25) и SiOx (1.6<х<1.9). Эффект обусловлен диффузией кремния в областях локального расплава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Л.С. Смирнову

В заключение работы автор выражает благодарность профессорам

A.B. Латышеву, Б.Чичкову за интерес к работе и полезные дискуссии, Д.В. Марину,

B.А. Стучинскому за помощь в работе, М.А. Неклюдовой и Л.И. Фединой за исследования методом электронной микроскопии, сотруднику Лазерного Центра Ганновера Ю.Коху за помощь в ИЛО, A.A. Попову (Ярославский филиал ФТИ РАН) и И. Бальбергу (Hebrew University) за исходные образцы, руководству НОК «Наносистемы и современные материалы» НГУ за возможность работы на оборудовании.

145

 
Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Корчагина, Таисия Тарасовна, Новосибирск

1. Гриценко В. А. Диэлектрики в наноэлектронике / В. А. Гриценко, И. Е. Тысченко, В. П. Попов, Т. В. Перевалов // Новосибирск. Изд-во СО РАН. -2010.- С 258.

2. Park Nae-Man. Band gap engineering of amorphous silicon quantum dots for light-emitting diodes/ Park Nae-Man, Kim Tae-Soo, Park Seong-Ju // J. Appl. Phys. Lett. 2001.-Vol. 78. - P. 2575-2577.

3. Ржанов А. В. Нитрид кремния в электронике // Новосибирск. Издательство «Наука». Сибирское отделение. 1982, - С. 200.

4. Гриценко В. А. Атомная структура аморфных нестехиометрических оксидов и нитридов кремния // Успехи Физических Наук. 2008. - Vol. 178. N. 7. - Р. 727-737.

5. Shimizu-Iwayama Т. Visible photoluminescence in Si+-implanted thermal oxide films on crystalline Si / T. Shimizu-Iwayama, S. Nakao, K. Saitoh // J. Appl. Phys. Lett. 1994. -Vol. 65.N. 14.-P. 1814-1816.

6. Rinnert H. Evidence of light-emitting amorphous silicon clusters confined in a silicon oxide matrix / H. Rinnert, M. Vergnat, A. Burneau // J. Appl. Phys. 2001. - Vol. 89. N. 1. - P. 237-243.

7. Sychugov I. Narrow luminescence linewidth of a silicon quantum dot /1. Sychugov, R. Juhasz, J. Valenta, J. Linnros // Phys. Rev. Lett. 2005. - Vol. 94. - P. 087405-01-04.

8. Molinari M. Effects of the amorphous crystalline transition on the luminescence of quantum confined silicon nanoclusters / M. Molinari, H. Rinnert, M. Vergnat // Europhys. Lett. -2004. - Vol. 66. N. 5. - P. 674 - 679.

9. Гриценко В. А. Строение и электронная структура аморфных диэлектриков в кремниевых МДП структурах // Новосибирск. Издательство «Наука». 1993. - С. 280.

10. Двуреченский А. В. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов / А. В. Двуреченский, Г. А. Качурин, Н. В. Нидаев, JT. С. Смирнов // Новосибирск. Издательство «Наука». 1982. - С. 208.

11. Volodin V. A. Raman study of silicon nanocrystals formed in SiNx films by excimer laser or thermal annealing / V. A. Volodin, M. D. Efremov, V. A. Gritsenko, S. A. Kochubei // J. Appl. Phys. Lett. 1998. - Vol. 73. - P. 1212 -1214.

12. Патент США US2008/0178794 Al от 31.07.2008г., заявка № 11/698262 на выдачу патента США на изобретение от 25.01.2007г.

13. Качурин Г.А. Действие мощных нано- и фемтосекундных лазерных импульсов на кремниевые наноструктуры/ Г.А. Качурин, С.Г. Черкова, В.А. Володин, Д.В. Марин, М. Deutschmann // ФТП. 2008, - Т. 42. Вып. 2, - С. 181-186.

14. Кудряшов С.И. Коллапс запрещенной зоны и сверхбыстрое «холодное» плавление кремния в течение фемтосекундного лазерного импульса/ С.И. Кудряшов, В.И. Емельянов // Письма в ЖЭТФ. 2001. - Т. 73. Вып. 5. - С. 263-267.

15. Фрицше X. Аморфный кремний и родственные материалы // Москва. Издательство «Мир». 1991. - С. 542.

16. Байдаков JI. А. Твердое тело: аморфное состояние вещества / Л. А. Байдаков, Л. Н. Блинов // Ленинград. Издательство ЛПИ. Учебное пособие. 1984. - С. 64.

17. Зи С. Технология СБИС // Москва. Издательство «Мир». 1986. - С. 404.

18. Pacifici D. Amorphization and recrystallization of ion implanted Si nanocrystals probed through their luminescence properties / D. Pacifici, G. Franzo, F. Iacona, F. Priolo // Physica E. 2003. - Vol. 16. - P. 404-409.

19. Pacifici D. Defect production and annealing in ion irradiated Si nanocrystals / D. Pacifici, E. C. Moreira, G. Franzo, V. Martorino , F. Priolo, F. Iacona // Phys. Rev. B. - 2002 - Vol. 65.-P. 144109-1-13.

20. Авсаркисов С. А. Низкотемпературная кристаллизация аморфного кремния, стимулированного лазерным излучением / С. А. Авсаркисов, 3. В. Джибути, Н. Д. Долидзе, Б. Е Цеквава // Письма в ЖТФ. 2006. - Т. 32. Вып. 6. - С. 55-59.

21. Александров П. А. Особенности процесса твердофазной рекристаллизации аморфизованных ионами кислорода структур кремний-на-сапфире / П. А. Александров, К. Д. Демаков, С. Г. Шемардов, Ю. Ю. Кузнецов // ФТП. 2009. - Т. 43. Вып. 5. - С. 627-629.

22. Ивлев Г. Д. Фазовые превращения, инициируемые в тонких слоях аморфного кремния наносекундным воздействием излучения эксимерного лазера / Г. Д. Ивлев, Е. И. Гацкевич // ФТП. 2003. - Т. 37. Вып. 5. - С. 622-628.

23. Dovrat M. Radiative versus nonradiative decay processes in silicon nanocrystals probed by time-resolved photoluminescence spectroscopy / M. Dovrat, Y. Goshen, J. Jedrzejewski, I. Balberg, A. Sa'ar //Phys. Rev. B. 2004. - Vol. 69. N. 15. - P. 5311-1-8.

24. Cen Zhanhong. Visible light emission from single layer Si nanodots fabricated by laser irradiation method / Zhanhong Cen, Jun Xu, Yansong Liu, Wei Li, Zhongyuan Ma, Xinfan Huang, Kunji Chen // J. Appl. Phys. Lett. 2006. - Vol. 89. -P. 163107-1-3.

25. Molinari M. Visible photoluminescence in amorphous SiNx thin films prepared by reactive evaporation / M. Molinari, H. Rinnert, M. Vergnat // J. Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol. 77. N. 22.-P. 3499-3501.

26. Molinari M. Improvement of the photoluminescence properties in a-SiNx films by introduction of hydrogen / M. Molinari, H. Rinnert, M. Vergnat // J. Appl. Phys. Lett. 2001. -Vol. 79. N. 14.-P. 2172-3501.

27. Molinari M. Correlation between structure and photoluminescence in amorphous hydrogenated silicon nitride alloys / M. Molinari, H. Rinnert, M. Vergnat // Physica E. — 2003. -Vol.16.-P.445-449.

28. DiMaria D. J. Hole injection into silicon nitride: interface barrier energies by internal photoemission / D. J. DiMaria, P. C. Arnett // J. Appl. Phys. Lett. 1975. - Vol. 26. N. 12. - P. 711713.

29. Stein H. J. Absorption edge and ion bombardment of silicon nitride // J. Appl. Phys. Lett. 1976. - Vol. 47. - P. 3421-3426.

30. Giorgis F. Luminescence processes in amorphous hydrogenated silicon nitride nanometric multilayers / F. Giorgis, C. F. Pirri // Phys. Rev. B. - 1999. -Vol. 60. N. 16. - P. 1157211576.

31. Noma Takashi. Origin of photoluminescence around 2.6-2.9 eV in silicon oxynitride / Takashi Noma, Kwang Soo Seol, Hiromitsu Kato, Makoto Fujimaki, Yoshimichi Ohki // J. Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol. 79. N. 13. - P. 1995-1997.

32. Park Nae Man. Quantum confinement in amorphous silicon quantum dots embedded in silicon nitride / Nae - Man Park, Cheol-Jong Choi, Tae-Yeon Seong, Seong-Ju Park // Phys. Rev. Lett. -2001. - Vol. 86. N. 7. - P. 1355-1357.

33. Kato Hiromitsu. Band-tail photoluminescence in hydrogenated amorphous silicon oxynitride and silicon nitride films / Hiromitsu Kato, Norihide Kashio, Yoshimichi Ohki, Kwang Soo Seol, Taktshi Noma // J. Appl. Phys. 2003. - Vol. 93. N. 1. - P. 239-244.

34. Rolver R. Lateral Si/Si02 quantum well solar cells / R. Rolver, B. Berghoff, D.L. Batzner, B. Spangenberg, H. Kurz // J. Appl. Phys. Lett. 2008. - Vol. 92. - P. 212108-1-3.

35. Bustarret E. Experimental determination of the nanocrystalline volume fraction in silicon thin films from Raman spectroscopy / E. Bustarret, M. A. Hachicha, M. Brunei // J. Appl. Phys. Lett. 1988. - Vol. 52. N. 20. - P. 1675-1677.

36. Dal Negro L. Light emission from silicon rich nitride nanostructures/ L. Dal Negro, J. H. Yi, L.C. Kimerling, S. Hamel, A. Williamson, G. Galli // J. Appl. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 88.-P. 183103-1-3.

37. Alivisatos A. Paul. Semiconductor nanocrystals // MRS bulletin. 1995. - P. 23-32.

38. Di G. Q. Preparation of three-dimensionally oriented polycrystalline Si film / G. Q. Di, H. Lin, N. Uchida, Y. Kurata, K. Kuomoto, S. Hasegawa // J. Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol. 68. N. l.-P. 69-71.

39. Chen X. The effect of size distribution of Si nanoclusters on photoluminescence from ensembles of Si nanoclusters / X. Chen, J. Zhao, G. Wang, X. Shen // Phys. Lett. A. 1996. - Vol. 212.-P. 285-289.

40. Dinh L. N. Optical properties of passivated Si nanocrystals and SiOx nanostructures / L. N. Dinh, L. L. Chase, M. Balooch, W. J. Siekhaus, F. Wooten // Phys. Rev. B. 1996. - Vol. 54. N. 7. - P. 5029-5037.

41. Гавриленко В. И. Оптические свойства полупроводников / В. И. Гавриленко, А. М. Грехов, Д. В. Корбутяк // Справочник. 1987. - С. 605.

42. Fauchet Philippe М. Light emission from Si quantum dots // Materialstoday. 2005. - P. 26-33.

43. Парфенов В. В. Квантово-размерные структуры в электронике: оптоэлектроника// Методическое пособие. 2007. -С. 1-16.

44. Герасименко Н. Н. Кремний- материал наноэлектроники / Н. Н. Герасименко, Ю. Н. Пархоменко // Техносфера. 2007. - С. 352.

45. Ю П. Основы физики полупроводников / П. Ю, М. Кардона // ФИЗМАТЛИТ. -2002.-С. 560.

46. Tiong К. К. Effects of As+ ion implantation on the Raman spectra of GaAs: «Spatial correlation» interpretation / К. K. Tiong, P. M. Amirtharaj, F. H. Pollak, D. E. Aspnes // J. Appl. Phys. Lett. -1984. Vol. 44. - P. 122-124.

47. Debernardi A. Photon line width in III V semiconductors from density functional perturbation theory // Phys. Rev. B. - 1998. - Vol. 57. - P. 12847-12858.

48. Tomassini N. Center of mass quantization of exitons in CdTe/Cdi-xZnxTe quantum wells / N. Tomassini, A. d'Andrea, R. del Sole, H. Tuffigo-Ulmer, R. T. Cox // Phys. Rev. B. -1995. Vol. 51. -P. 5005-5012.

49. Asada M. Gain and the threshold of three dimensional quantum box lasers / M. Asada, Y. Migamoto, Y Suematsu // J. IEEE. - 1986. - Vol. QE-22. - P. 1915-1921.

50. Dingle R. Quantum states of confined carriers in very thin AlxGai-xAs-GaAs-AlxGai-xAs heterostructures / R. Dingle, W. Wiegmann, С. H. Henry // Phys. Rev. Lett. 1974. - Vol. 33. -P. 827-830.

51. Meynadier M. H. Size quantization and band-offset determination in GaAs-GaAlAs separate confinement heterostructure / M. H. Meynadier, C. Delalande, G. Bastard, M. Voss, E. Alexandre, J. L. Lievin // Phys. Rev. B. 1985. - Vol. 31. - P. 5539-5542.

52. Skolnick M. S. Investigation of InGaAs-InP quantum wells by optical spectroscopy / M. S. Skolnick, P. R. Tapster, S. J. Bass, A. D. Pitt, N. Apsley, S. P. Aldredy // Semicond. Sci. Technol. 1986. - Vol. 1. - P. 29-40.

53. Горохов Е. Б. Эллипсометрия: теория, методы, приложения (сборник статей под редакцией А.В.Ржанова) / Е. Б. Горохов, В. В. Грищенко // Новосибирск. Наука. — 1987. -С. 147-151.

54. Ландау Л. Д. Квантовая механика. Нерелятивистская теория / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц // Москва. Наука. 1989. - С. 767.

55. Ефремов M. Д. Вариация края поглощения света в пленках SiNx с кластерами кремния / М. Д. Ефремов, В. А. Володин, Д. В. Марин, С. А. Аржанникова, Г. Н. Камаев, С. А. Кочубей, А. А. Попов // ФТП. 2008. - Т. 42. Вып. 2. - С. 202-207.

56. Barbagiovanni Е. G. Electronic structure study of ion-implanted Si quantum dots in a Si02 matrix: Analysis of quantum confinement theories / E. G. Barbagiovanni, L. V. Goncharova, P. J. Simpson // Phys. Rev. B. 2011. - Vol. 83. - P. 035112-1-11.

57. Rinnert H. Influence of the temperature on the photoluminescence of silicon clusters embedded in a silicon oxide matrix / H. Rinnert, M. Vergnat // Physica E. 2003. - Vol. 16. - P. 382-387.

58. Valenta Jan. Photoluminescence spectroscopy of single silicon quantum dots / Jan Valenta, Robert Juhasz, Jan Linnros // J. Appl. Phys. Lett. 2002. - Vol. 80. N. 6. - P. 1070-1072.

59. Estes M. J. Luminescence from amorphous silicon nanostructures / M. J. Estes, G. Moddel // Phys. Rev. B. 1996. - Vol. 54. N. 20. - P. 14633-14642.

60. Wang Jiwei. Thermal activation energy of crystal and amorphous nano-silicon in Si02 matrix / Jiwei Wang, Marcofabio Righini, Andrea Gnoli, Steinar Foss, Teije Finstad, Ugur Serincan, Rasit Turan // SSC. 2008. - Vol. 147. - P. 461-464

61. Kobitski A. Yu. Self-trapped exciton recombination in silicon nanocrystals / A. Yu. Kobitski, K. S. Zhuravlev, H. P. Wagner, D. R. T. Zahn // Phys. Rev. B. 2001. - Vol. 63. - P. 115423-1-5.

62. Kapoor Manish. Origin of the anomalous temperature dependence of luminescence in semiconductor nanocrystallites / Manish Kapoor, Vijay A. Singh, G. K. John // Phys. Rev. B. -2000. Vol. 61. N. 3. - P. 1941-1945.

63. Ефремов M. Д. Кулоновское блокирование проводимости пленок SiOx при одноэлектронной зарядке кремниевой квантовой точки в составе цепочки электронныхсостояний / М. Д. Ефремов, Г. Н. Камаев, В. А. Володин, С. А. Аржанникова, Г. А. Качурин,

64. C. Г. Черкова, А. В. Кретинин, В. В. Малютина-Бронская, Д. В. Марин // ФТП. 2005. - Т. 39. Вып. 8. - С. 945-952.

65. Аржанникова С. А. Особенности электропроводности легированных пленок а-Si:H с нанокристаллами кремния / С. А. Аржанникова, М. Д. Ефремов, Г. Н. Камаев, А. В. Вишняков, В. А. Володин // ФТП. 2005. - Т. 39. Вып. 4. - С. 472-478.

66. Barnham К. W. J. Quantum well solar cells / К. W. J. Barnham, I. Ballard, J. P. Connolly, N. J. Ekins-Daukes, B. G. Kluftinger, J. Nelson, C. Rohr // Physica E. 2002. - Vol. 14. -P. 27-36.

67. Green Martin A. Third generation photovoltaics: solar cells for 2020 and beyond // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 65 - 70.

68. Ekins-Daukesa N. J. Strain-balanced quantum well solar cells / N. J. Ekins-Daukesa,

69. D. B. Bushnella, J. P. Connollya, K. W. J. Barnhama, M. Mazzerb, J. S. Robertsc, G. Hillc, R. Aireyc // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 132 - 135.

70. Cuadra L. Type II broken band heterostructure quantum dot to obtain a material for the intermediate band solar cell / L. Cuadra, A. Mart, A. Luque // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 162-165.

71. Green Martin A. Photovoltaic principles // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 11 - 17.

72. Archer Mary D. Photovoltaics and photoelectrochemistry: similarities and differences // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 61 - 64.

73. Anjosa V. Band gap renormalization in resonant Raman spectra of multilayer systems / V. Anjosa, L. A. O. Nunesb, M. J. V. Belle // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 180 -183.

74. Konenkamp R. Nano-structures for solar cells with extremely thin absorbers / R. Konenkamp, L. Dloczik, K. Ernst, C. Olesch // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 219 - 223.

75. Ley M. Near-IR improvement of Si photovoltaic conversion by a nanoscale modification / M. Ley, Z. T. Kuznicki // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 255 - 258.

76. Queisser Hans J. Photovoltaic conversion at reduced dimensions // Physica E. -2002. -Vol. 14. P. 1 - 10.

77. Саченко А. В. Сравнительный анализ предельной эффективности фотопреобразования обычных солнечных элементов и солнечных элементов с квантовыми ямами / А. В. Саченко, И. О. Соколовский // ФТП. 2008. - Т. 42. Вып. 10. - С. 1243-1251.

78. Cho Eun-Chel. Silicon quantum dot/crystalline silicon solar cells / Eun-Chel Cho, Sangwook Park, Xiaojing Hao, Dengyuan Song, Gavin Conibeer, Sang-Cheol Park, Martin A Green // Nanotechnology. 2008. - Vol. 19. - P. 245201-1-5.

79. Nozik A. J. Quantum dots solar cells // Physica E. 2002. - Vol. 14. - P. 115-120.

80. Качурин Г. А. Отжиг радиационных дефектов импульсным лазерным облучением / Г. А. Качурин, Н. Б. Придачин, JI. С. Смирнов // ФТП. 1975. - Т. 9. Вып. 7. - С. 1428-1429.

81. Риссел X. Ионная имплантация / X. Риссел, И. Руге // Москва. Наука. 1983. -С. 358.

82. Двуреченский А. В. Импульсная ориентированная кристаллизация твердых тел (лазерный отжиг) // Соросовский образовательный журнал. 2004. - Т. 8. N. 1. - С. 108-114.

83. Romanov S. I. Crystallization of ion-implanted silicon layers by the nanosecond laser pulses / S. I. Romanov, G. A. Kachurin, L. S. Smirnov, I. B. Khaibullin, E. I. Shtyrkov, R. M. Bajazitov // Radiat. Eff. 1980. - Vol. 48. N !4. - P. 191-194.

84. Foti G. Amorphous thickness dependence in the transition to single crystal induced by laser pulse / G. Foti, E. Rimini, M. Bertolotti, G. Vitali // Phys. Lett. 1978. - Vol. 65 A. N 5-6. - P. 430-432.

85. Foti G. Structure of crystallized layers by laser annealing of <100> and <111> self-implanted Si samples / G. Foti, E. Rimini, w. S. Tseng, J. W. Mayer // J. Appl. Phys. 1978. - Vol. 15. - P. 365-369.

86. Auston D. H. Time resolved reflectivity of ion-implanted silicon during laser annealing / D. H. Auston, С. M. Surco, T. N. C. Venkatesan // J. Appl. Phys. Lett. 1978. - Vol. 33. N. 5. -P. 437-440.

87. Жвавый С. П. Моделирование процессов плавления и кристаллизации монокристаллического кремния при воздействии наносекундного лазерного излучения // ЖТФ. 2000. - Т. 70. Вып. 8. - С. 58-62.

88. Gallas В. Laser annealing of SiOx thin films / B. Gallas, C.-C. Kao, S. Fisson, G. Vuye, J. Rivory, Y. Bernard, C. Belouet // Appl. Surf. Science. 2002. - Vol. 185. - P. 317-320.

89. Bok J. Effect of electron-hole pairs on the melting of silicon // Phys. Lett. 1981. -Vol. 84 A. N. 8. - P. 448-450.

90. Sameshima T. Pulsed laser-induced amorphization of silicon films / T. Sameshima, S. Usui //J. Appl. Phys. 1991. - Vol. 70. N. 3. - P. 1281-1289.

91. Shieh Jia-Min. Near-infrared femtosecond laser-induced crystallization of amorphous silicon / Jia-Min Shieh, Zun-Hao Chen, Bau-Tong Dai, Yi-Chao Wang, Alexei Zaitsev, Ci-Ling Pan // J. Appl. Phys. Lett. 2004. - Vol. 85. N. 7. - P. 1232-1234.

92. Juodkazis Saulius. Three-dimensional microfabrication of materials by femtosecond lasers for photonics applications / Saulius Juodkazis, Vygantas Mizeikis, Hiroaki Misawa // J. Appl. Phys. 2009. - Vol. 106. - P. 051101-1-14.

93. Stampfli P. Time dependence of the laser-induced femtosecond lattice instability of Si and GaAs: Role of longitudinal optical distortions / P. Stampfli, К. H. Bennemann // Phys. Rev. B. 1994. - Vol. 49. N. 11. - P. 7299-7305.

94. Sokolowski-Tinten K. Ultrafast laser-induced order-disorder transitions in semiconductors / K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, D. von der Linde // Phys. Rev. B. 1995. -Vol. 51. N. 20.-P. 14186-14197.

95. Sokolowski-Tinten K. Thermal and nonthermal melting of gallium arsenide after femtosecond laser excitation / K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, M. Boing, A. Cavalleri, D. von der Linde // Phys. Rev. B. 1998. - Vol. 58. N. 18. - P. 11805-11808.

96. Мельников А. А. Исследование когерентных фононов в висмуте при зондировании фемтосекундными лазерными и рентгеновскими импульсами / А. А. Мельников, О. В. Мисочко, С. В. Чекалин // Письма в ЖЭТФ. 2009. - Т. 89. Вып. 3. - С.148.152.

97. Жаховский В. В. Новый механизм формирования нанорельефа поверхности, облученной фемтосекундным лазерным импульсом / В. В. Жаховский, Н. А. Иногамов, К. Nishihara // Письма в ЖЭТФ. 2008. - Т. 87. Вып. 8. - С. 491-496.

98. Falkovsky L. A. Lattice deformation from interaction with electrons heated by ultrashot laser pulse / L. A. Falkovsky, E. G. Mishchenko // Письма в ЖЭТФ. 1997. - Т. 66. Вып. 3. - С. 195-199.

99. Ашитков С. И. Рекомбинация электронно-дырочной плазмы в кремнии при воздействии фемтосекунных лазерных импульсов / С. И. Ашитков, А. В. Овчинников, М. Б. Агранат // Письма в ЖЭТФ. 2004. - Т. 79. Вып. 11. - С. 657-659.

100. Гинзбург В. Л. К истории открытия комбинационного рассеяния света / В. Л. Гинзбург, И. Л. Фабелинский // Вестник Российской Академии Наук. 2003. - Т. 73. N. 3. -С. 215-227.

101. Фабелинский И. Л. Открытие комбинационного рассеяния света // Успехи Физических Наук. 1978. - Т. 126. N 1. - С. 152.

102. Фабелинский И. JI. Комбинационному рассеянию света 70 лет // Успехи Физических Наук.- 1998.-Т. 168. N. 12.-С. 1341-1360.

103. Кардона М. Рассеяние света в твердых телах: проблемы прикладной физики // Москва. Издательство «Мир». 1979. - С. 392.

104. Горелик В. С. Введение в спектроскопию комбинационного рассеяния света / В. С. Горелик, Б. С. Умаров // Душанбе. Дониш. 1982. - С. 286.

105. Грибов JI. А. Введение в молекулярную спектроскопию // Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наук". 1976. - С. 400.

106. Сущинский М. М. Комбинационное рассеяние света и строение вещества // Москва. Издательство «Наука». 1981. - С. 183.

107. Сущинский М. М. Вынужденное рассеяние света // Москва. Издательство «Наука».- 1985.-С. 176.

108. Жижин Г. Н. Оптические колебательные спектры кристаллов / Г. Н. Жижин, Б. Н. Маврин, В. Ф. Шабанов // Москва. Издательство «Наука». 1984. - С. 232.

109. Скок Э. М. Методы спектроскопии полупроводников // Новосибирск. Издательство «Наука». 1986. - С. 167.

110. Володин В. А. Комбинационное рассеяние света в массивах нанообъектов кремния и арсенида галлия // Новосибирск. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук. 1999. - С. 180.

111. Пуле А. Колебательные спектры и симметрия кристаллов / А. Пуле, Ж.-П.Матье // Москва. Издательство «Мир». 1973. - С. 437.

112. Кардона М. Рассеяние света в твердых телах. Выпуск IV. Электронное рассеяние, спиновые эффекты, морфические эффекты / М. Кардона, Г. Гюнтеродт // Москва. Издательство «Мир». 1986. - С. 408.

113. Iqbal Z. Raman scattering from small particle size polycrystalline silicon / Z. Iqbal, S. Veptek, A. P. Webb, P. Capezzuto // SSC. 1981. - Vol. 37. - P. 993-996.

114. Okada Т. Probing the crystallinity of evaporated silicon films by Raman scattering / T. Okada, T. Iwaki, H. Kasahara, K. Yamamoto // Japanese J. Appl. Phys. 1985. - Vol. 24. N. 2. -P. 161-165.

115. Bustarret E. Experimental determination of the nanocrystalline volume fraction in silicon thin films from Raman spectroscopy / E. Bustarret, M. A. Hachicha, M. Brunei // J. Appl. Phys. Lett. -1988. Vol. 52. N. 20. - P. 1675-1677.

116. Tsu R. Critical volume fraction of crystallinity for conductivity percolation in phosphorus-doped Si:F:H alloys / R. Tsu, J. G. -Hernandes, S. S. Chao, S. C. Lee, K. Tanaka // J. Appl. Phys. Lett. 1982. - Vol. 40. -P. 534-535.

117. Paillard V. Improved one-phonon confinement model for an accurate size determination of silicon nanocrystals / V. Paillard, P. Puech, M. A. Laguna, R. Carles, B. Kohn, F. Huisken // J. Appl. Phys. 1999. - Vol. 86. N 4. - P. 1921-1924.

118. Campbell I. H. The effects of microcrystal size and shape on the phonon raman spectra of crystalline semiconductors /1. H. Campbell, P. M. Fauchet // SSC. 1986. - Vol. 58. N 10. -P. 739-741.

119. Гайслер С. В. Анализ рамановских спектров аморфно-нанокристаллических пленок кремния / С. В. Гайслер, О. И. Семенова, Р. Г. Шарафутдинов, Б. А. Колесов // ФТТ. -2004. Т. 46. Вып. 8. - С. 1484-1488.

120. Качко А. С. Ангармонизм фононов в кремнии: исследование методом спектроскопии комбинационного рассеяния света / А. С. Качко, В. Н. Ваховский, В. А. Володин // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. - Т. 5. Вып. 1. - С. 48-55.

121. Connel G. А. N. Use of hydrogenation in structural and electronic studies of gap states in amorphous germanium / G. A. N. Connel, J. R. Pawlik // Phys. Rev. B. 1976. - Vol. 13. -P. 787- 804.

122. Джоунопулос Дж. Физика гидрогенизированного аморфного кремния / Дж. Джоунопулос, Дж. Люковски // Москва. Издательство «Мир». 1987. - С. 368.

123. Bakker H. HRTEM Imaging of Atoms at Sub-Angstrom Resolution / H. Bakker, A. Bleeker, P. Mul // Ultramicroscopy. 1996. - Vol. 64. - P. 17-34.

124. Спенс Дж. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения // Москва. Издательство «Наука». 1986. - С. 320.

125. Reimer L. Transmission electron microscopy: physics of image formation and microanalysis // Springer-Verlag. Springer Series in Optical Science. 1984. - Vol. 36. - P. 521.

126. Каули Дж. Физика дифракции // Москва. Издательство «Мир». 1979. — С. 432.

127. Glaisner R.W. A theoretical analysis of HREM imaging for tetrahedral semiconductors / R.W. Glaisner, A. E. C. Spargo, D. J. Smith // Ultramicroscopy. 1989. - Vol. 27. -P. 117-127.

128. Saxton W.O. The realization of atomic resolution with the electron microscope / W.O. Saxton, D. J. Smith // Ultramicroscopy. 1985. - Vol. 18. - P. 39- 45.

129. Mobus G. Retrieval of crystal defect structures from HREM images by simulated evolution I. Basic technique. // Ultramicroscopy. 1996. - Vol. 65. - P. 205-216.

130. Бухараев А. А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии / А. А. Бухараев, Д. В. Овчинников, А. А. Бухараева // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1997. - Т. 63. N. 5. - Р. 10.

131. Yamaguchi К. Shot lifetime photoluminescence of amorphous SiNx films / K. Yamaguchi, K. Mizushima, K. Sassa // J. Appl. Phys. Lett. - 2000. - Vol. 77. - P. 3773-3775.

132. Корчагина Т. Т. Структура и оптические свойства сформированных с применением низкочастотного плазмо-химического осаждения пленок SiNx:H, содержащих нанокластеры кремния / Т. Т. Корчагина, Д. В. Марин, В. А. Володин, А. А.Попов, М.

133. Vergnat // OTn. 2009. - T. 43. Btrn. 11. - C. 1557-1563.

134. Davis E. A. Optical properties of amorphous SiNx(:H) films / E. A. Davis, N. Piggins, S. D. Bayliss // J. Phys. C: SSP. 1987. - Vol. 20. - P. 4415- 4427.

135. Brodsky M. H. Infrared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bonds in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering / M. H. Brodsky, M. Cardona, J. J. Cuomo // Phys. Rev. B. 1977. - Vol. 16. - P. 3556 - 3571.

136. Zerga A. Si-nano structures formation in amorphous silicon nitride SiNx : H deposited by remote PECVD / A. Zerga, M. Carrada, M. Amann, A. Slaoui // Physica E. 2007. -Vol. 38.-P. 21-26.

137. Austin I. G. Photoluminescence properties of a-SiNx:H alloys / I. G. Austin, W. A. Jackson, T. M. Searle, P. K. Bhat // Philosophical Magazine B. 1985. - Vol. 52. - P. 271- 288.

138. Vasilev V. V. Effect of hydrogen on photoluminescence spectra of silicon nitride amorphous films / V. V. Vasilev, I. P. Mikhailovskii, K. K. Svitashev // Phys. Stat. Sol. 1986. -Vol. 95. - P. K 37 -K42.

139. Wora Adeola G. Luminescence efficiency at 1.5 p.m of Er-doped thick SiO layers and Er-doped Si0/Si02 multilayers / G. Wora Adeola, O. Jambois, P. Miska, H. Rinnert, M. Vergnat // J. Appl. Phys. Lett. 2006. - Vol. 89. - P. 101920-1-3.

140. Ardyanian M. Structure and photoluminescence properties of evaporated GeOx thin films / M. Ardyanian, H. Rinnert, X. Devaux, M. Vergnat // J. Appl. Phys. Lett. 2006. - Vol. 89. -P. 011902-1-3.

141. Ardyanian M. Structure and photoluminescence properties of evaporated GeO* /Si02 multilayers / M. Ardyanian, H. Rinnert, M. Vergnat // Appl. Phys. 2006. - Vol. 100. - P. 1131061.4.

142. Jambois O. Influence of the annealing treatments on the luminescence properties of Si0/Si02 multilayers / O. Jambois, H. Rinnert, X. Devaux, M. Vergnat // Appl. Phys. 2006. - Vol. 100.-P. 123504-1-6.

143. Molinari M. Visible photoluminescence in amorphous SiOx thin films prepared by silicon evaporation under a molecular oxygen atmosphere / M. Molinari, H. Rinnert, M. Vergnat // J. Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82. N. 22. - P. 3877-3879.

144. Jambois O. Photoluminescence and electroluminescence of size-controlled silicon nanocrystallites embedded in SiC>2 thin films / O. Jambois, H. Rinnert, X. Devaux, M. Vergnat // Appl. Phys. 2005. - Vol. 98. - P. 046105-1-3.

145. Rinnert H. Structure and optical properties of amorphous silicon oxide thin films with different porosities / H. Rinnert, M. Vergnat // Non-Cryst. Solids. 2003. - Vol. 320. - P. 6475.

146. Calcott P. D. J. Identification of radiative transitions in highly porous silicon / P. D. J. Calcott, K. J. Nash, L. T. Canham, M. J. Kane, D. Brumhead // J. Phys.: Condens. Matter. 1993. -Vol. 5.-P. L91-L98.

147. Takagahara T. Theory of the quantum confinement effect on excitons in quantum dots of indirect-gap materials / T. Takagahara, K. Takeda // Phys. Rev. B. -1992. Vol. 46. - P. 15578-15581.

148. Корчагина Т.Т. Способ формирования аморфных и кристаллических нанокластеров кремния в диэлектрических пленках / Т. Т. Корчагина, В. А. Володин // Научно-технические ведомости СпбГПУ: Физико-математические науки. 2010. N. 1(94). -С. 66-70.

149. Корчагина Т. Т. Формирование и кристаллизация нанокластеров кремния в пленках SiNx:H с применением фемтосекундных импульсных отжигов / Т. Т. Корчагина, В. А. Володин, В. N. Chichkov // ФТП. 2010. - Т. 44. Вып. 12. - С. 1660-1665.

150. Volodin V. A. Femtosecond laser induced formation of Si nanocrystals and amorphous Si clusters in silicon-rich nitride films / V. A. Volodin, Т. T. Korchagina, J. Koch, B. N. Chichkov // Physica E. 2010. - Vol. 42. - P. 1820-1823.

151. Kolobov A. V. Raman scattering from Ge nanostructures grown on Si substrates: Power and limitations // J. Appl. Phys. 2000. - Vol. 87. - P. 2926- 2930.

152. Faraci Giuseppe. Quantum size effects in Raman spectra of Si nanocrystals / Giuseppe Faraci, Santo Gibilisco, Agata R. Pennisi, Carla Faraci // Appl. Phys. 2011. - Vol. 109. -P. 074311-1-4.

153. Cheng Wei. Calculations on the size effects of Raman intensities of silicon quantum dots / Wei Cheng, Shang-Fen Ren // Phys. Rev. B. 2002. - Vol. 65. - P. 205305-1-9.

154. Шамин С. H. Рентгеновская и инфракрасная спектроскопия слоев, полученных совместным распылением разнесенных в пространстве источников SiC>2 и Si / С. Н. Шамин, В. Р. Галахов, В. И. Аксенова // ФТП. 2010. - Т. 44. Вып. 4. - С. 550 -557.

155. Y. J. Ma. Tunable nonlinear absorption of hydrogenated nanocrystalline silicon / Y. J. Ma, J. I. Oh, D. Q. Zheng, W. A. Su, and W. Z. Shen // Optics Letters. 2011. - Vol. 36, - No. 17.-P. 3431-3433.

156. S. De Unamuno. A thermal description of the melting of c- and a-siilicon under pulsed excimer lasers / S. De unamuno, E. Fogarassy // Appl. Surf. Science. 1989. - Vol. 36. - P. 1-11.

157. S. R. Stiffler. Supercooling and nucleation of silicon after laser melting / S. R. Stiffler, Michael O. Thomson, P. S. Peercy// Phys. Rev. Lett. -1988. Vol. 60. N. 24. - P. 25192522.

158. L. A. Nesbit. Annealing characteristics of Si-rich Si02 films // Appl. Phys. Lett. -1985.-Vol. 46.-P. 38-40.

159. Korchagina Т. Т. Crystallization of amorphous Si nanoclusters in SiOx films using femtosecond laser pulse annealings / Т. T. Korchagina, A. K. Gutakovsky, L. I. Fedina, M. A.

160. Neklyudova, V. A. Volodin // Journal of Nanoscience ana Nanotechnology. 2012. - N. 3. - P.1877.