|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ПсковГУ |
||
Исследование модификации структурных и люминесцентных свойств пленок на основе кремния и нитрида кремния лазерным облучением для систем оптоэлектроникиНИР
Investigation of amorphous silicon and silicon nitride films structural and luminescent properties modification after laser irradiation for optoelectronics systems application
- Руководитель НИР: Потёмкин Ф.В.
- Ответственный исполнитель: Шулейко Д.В.
- Участники НИР: Кашаев Ф.В., Мареев Е.И., Мигаль Е.А.
- Подразделение: Физический факультет
- Срок исполнения: 1 июля 2017 г. - 30 июня 2020 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 17-52-04062\17
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Индустрия наносистем и материалов
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии наноустройств и микросистемной техники
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.33.25 Нелинейные оптические свойства сред
- 29.33.43 Распространение лазерного излучения
- 29.33.47 Воздействие лазерного излучения на вещество
-
Ключевые слова:
фемтосекундное лазерное излучение, нитрид кремния, лазерный отжиг, пикосекундное лазерное излучение, фотолюминесценция, аморфный кремний
-
Описание:
В предлагаемом проекте планируется детальное изучение процессов отжига аморфных пленок кремния и нитрида кремния сверхкороткими лазерными импульсами с целью создания устройств оптоэлектроники с требуемыми структурными, электрофизическими и рекомбинационными свойствами. В ходе выполнения проекта будут изучено влияние параметров лазерного излучения, таких как энергия в импульсе, длительность и количество импульсов, длина волны используемого излучения, на процесс нанокристаллизации аморфных пленок кремния и нитрида кремния. Будет определена зависимость свойств отожженных пленок (объемная доля нанокристаллической фазы, размеры нанокристаллов и их распределение в объеме пленки) от используемого режима лазерного отжига, а также будет разработан наиболее оптимальный способ модификации структурных и оптических свойств аморфных пленок кремния и нитрида кремния лазерным облучением. Структурные свойства пленок из аморфного кремния и нитрида кремния, отожженных лазерным излучением, предполагается исследовать методами резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия, спектроскопии КРС и просвечивающей электронной микроскопии. Также, в ходе работ по проекту, предполагается определить взаимосвязь структурных свойств пленок из аморфного кремния и нитрида кремния, отожженных лазерным излучением, и их фотолюминесценции. Для этого будет проведено исследование спектров и кинетики ФЛ, а также будут изучены зависимости спектра ФЛ пленок, отожженных при различных режимах, от длины волны возбуждающего излучения. По характеру спектров и кинетики ФЛ ожидается определить природу ФЛ. Кроме того, в проекте предполагается провести сравнение структурных и ФЛ свойств пленок, отожженных лазерным излучением со свойствами пленок, отожженных термически, а также неотожженных пленок. На основании этого будет проведено сравнение механизмов термического и лазерного отжига пленок из аморфного кремния и нитрида кремния.
-
Abstract:
In the proposed project, a detailed study of the annealing of amorphous silicon and silicon nitride films by ultrashort laser pulses is planned with the goal of creating optoelectronics devices with the required structural, electrophysical and recombination properties. In the course of the project, the effect of laser radiation parameters, such as energy in a pulse, the duration and number of pulses, the wavelength of the radiation used, on the process of nanocrystallization of amorphous silicon and silicon nitride films will be studied. The dependence of the properties of annealed films (the volume fraction of the nanocrystalline phase, the dimensions of nanocrystals and their distribution in the volume of the film) on the annealing mode used will be determined, and the most optimal method for modifying the structural and optical properties of amorphous silicon and silicon nitride by laser irradiation will be developed. The structural properties of films of amorphous silicon and silicon nitride annealed by laser radiation are proposed to be investigated by the methods of Rutherford backscattering of helium ions, Raman spectroscopy, and transmission electron microscopy. Also, during the project, it is proposed to determine the relationship between the structural properties of amorphous silicon and silicon nitride films annealed by laser radiation and their photoluminescence. For this purpose, the PL spectra and kinetics will be studied, and the dependences of the photoluminescence spectra of films annealed at different modes on the wavelength of the exciting radiation will be studied. The nature of PL spectra and kinetics is expected to determine the nature of PL. In addition, the project is expected to compare the structural and PL properties of films annealed by laser radiation with the properties of films annealed thermally, as well as unannealed films. On the basis of this, the mechanisms of thermal and laser annealing of films of amorphous silicon and silicon nitride will be compared.
-
Планируемые результаты:
результаты В результате работ по проекту будет проведена оценка влияния параметров отжига с помощью фемтосекундных лазерных импульсов на процесс нанокристаллизации пленок из аморфного гидрогенизированного кремния, а также нитрида кремния. Будут получены зависимости параметров нанокристаллизации пленок (объемная доля нанокристаллической фазы, размеры нанокристаллов и их распределение в объеме пленки) от используемого режима лазерного отжига (энергия в импульсе, длительность и количество импульсов, длина волны используемого излучения), а также будет разработан наиболее оптимальный способ модификации структурных и оптических свойств пленок кремния и нитрида кремния лазерным облучением. Будет определена взаимосвязь структурных свойств пленок, отожженных лазерным излучением, и их фотолюминесценции. Будет получена зависимость спектра ФЛ от длины волны возбуждающего излучения для пленок на основе нитрида кремния, а также аморфного гидрогенизированного кремния. По характеру спектров и кинетики ФЛ ожидается определить природу ФЛ. Будет проведено сравнение структурных и ФЛ свойств пленок, отожженных лазерным излучением со свойствами пленок, отожженных термически, а также неотожженных пленок.
-
Научный задел:
Авторами проекта с российской стороны в составе научной группы МГУ на протяжении двух лет проводились исследования фотолюминесцентных и электрофизических свойств многослойных пленок на основе оксида и нитрида кремния в виде сверхрешёток из чередующихся тонких (1,5-5 нм) слоев, полученных методом плазмохимического осаждения из газовой фазы с последующим термическим отжигом. Научная группа обладает отработанной методикой исследования фотолюминесцентных свойств подобных структур. В 2015-2016 гг. в рамках НИР «Новые элементы энергонезависимой памяти и солнечной энергетики на основе кремнийсодержащих матриц с кремниевыми нанокристаллами» исследовалась интенсивная фотолюминесценция в ближнем ИК диапазоне, связанная с кремниевыми нанокристаллами, образующимися в результате термического отжига при температуре не менее 1150 °С. Кроме того, методом фотолюминесцентной спектроскопии было показано, что, осаждая плёнку в виде сверхрешётки, можно контролировать параметры нанокристаллов (размер, концентрацию, упорядоченность), образующихся в слоистой структуре при термическом отжиге. Российские участники проекта также имеют пятилетний опыт обработки плёнок из аморфного гидрогенизированного кремния фемтосекундным лазерным излучением. Научным коллективом показано, что в результате облучения происходит нанокристаллизация плёнок, и изменяются их электрофизические свойства, а также спектры КРС. В том числе, показана возможность получения анизотропно структурированных плёнок. Имеющийся у российских участников проекта опыт фемтосекундного лазерного отжига с аморфного гидрогенизированного кремния будет применен при работе с пленками из нитрида кремния.
-
Основные результаты:
В результате работ по проекту будет проведена оценка влияния параметров отжига с помощью фемтосекундных лазерных импульсов на процесс нанокристаллизации пленок из аморфного гидрогенизированного кремния, а также нитрида кремния. Будут получены зависимости параметров нанокристаллизации пленок (объемная доля нанокристаллической фазы, размеры нанокристаллов и их распределение в объеме пленки) от используемого режима лазерного отжига (энергия в импульсе, длительность и количество импульсов, длина волны используемого излучения), а также будет разработан наиболее оптимальный способ модификации структурных и оптических свойств пленок кремния и нитрида кремния лазерным облучением. Будет определена взаимосвязь структурных свойств пленок, отожженных лазерным излучением, и их фотолюминесценции. Будет получена зависимость спектра ФЛ от длины волны возбуждающего излучения для пленок на основе нитрида кремния, а также аморфного гидрогенизированного кремния. По характеру спектров и кинетики ФЛ ожидается определить природу ФЛ. Будет проведено сравнение структурных и ФЛ свойств пленок, отожженных лазерным излучением со свойствами пленок, отожженных термически, а также неотожженных пленок.
- Добавил в систему: Потёмкин Фёдор Викторович
Соисполнители НИР
| МГУ им. М.В.Ломоносова | Координатор |
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 июля 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Исследование модификации структурных и люминесцентных свойств пленок на основе кремния и нитрида кремния лазерным облучением для систем оптоэлектроники |
| Результаты этапа: В ходе выполнения проекта был произведен лазерный отжиг слоев аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H) с помощью импульсного лазерного излучения фемтосекундной длительности. Отжиг проводился в режиме сканирования пленки пучком лазерного излучения с различной скоростью, за счет чего изменялась совокупная доза облучения от образца к образцу. При этом энергия в импульсе оставалась постоянной. Методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) были исследованы структурные свойства модифицированных в различных режимах образцов a-Si:H и проведено сравнение их между собой и с исходными немодифицированными слоями a-Si:H. В модифицированных слоях a-Si:H зарегистрировано присутствие кристаллической фазы кремния, которая образуется под действием мощных фемтосекундных импульсов. При этом обнаружено, что при увеличении совокупной дозы облучения происходит уменьшение как объемной доли нанокристаллической фазы, так и среднего размера сформированных нанокристаллов, что объясняется повторной аморфизацией нанокристаллов при длительной обработке лазерным излучением. При фемтосекундной лазерной обработке с числом импульсов излучения более 500 обнаружено формирование полиморфных модификаций кремния Si-III и Si-XII. Также, на обработанной поверхности a-Si:H методом РЭМ были обнаружены различные микроструктуры, в том числе периодические, вид и ориентация которых зависела от совокупной дозы облучения фемтосекундными лазерными импульсами. Предложено объяснение наблюдаемого изменения формы получаемых поверхностных структур при увеличении совокупной дозы облучения, связанное с возникновением обратной связи между сформированным поверхностным микрорельефом и электронными процессами, происходящими в пленке a-Si:H при фемтосекундной лазерной обработке. | ||
| 2 | 1 января 2018 г.-24 апреля 2018 г. | Исследование модификации структурных и люминесцентных свойств пленок на основе кремния и нитрида кремния лазерным облучением для систем оптоэлектроники |
| Результаты этапа: В ходе выполнения проекта методами плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD), а также газофазного химического осаждения при низком давлении (LPCVD) были изготовлены слои нитрида кремния (SiNx) с различным стехиометрическим составом, а также проведен термический и лазерный отжиг данных слоев в различных режимах. Далее был проведен анализ зависимости фотолюминесцентных (ФЛ) свойств слоев нитрида кремния с различной стехиометрией от условий термического и лазерного отжига. Было показано, что наблюдаемая в неотожженных слоях SiNx ФЛ во всех случаях связана с наличием в пленке дефектов в виде К-центров – оборванных связей кремния, координированных тремя атомами азота. При этом после отжига при температуре 600 °С в образцах, изготовленных методом PECVD, происходит увеличение интенсивности линий ФЛ, обусловленных данными дефектами, а после отжига при 1100 °С, наоборот, происходит ее тушение. С другой стороны, в пленках, изготовленных методом LPCVD, интенсивность ФЛ при увеличении температуры отжига либо уменьшается, либо меняется незначительно. Предложено объяснение наблюдаемой зависимости ФЛ, заключающееся в том, что при изготовлении пленок методом PECVD происходила пассивация оборванных связей атомами водорода, в отличие от процесса LPCVD. Поэтому при низкотемпературном отжиге в PECVD-пленке наблюдалась дегидрогенизация и образование дополнительных дефектов, в отличие от LPCVD-пленки. При этом более высокая температура отжига приводит к структурной перестройке пленки с уменьшением количества оборванных связей в случае обоих методов изготовления. В рамках проекта также впервые был проведен лазерный отжиг слоев SiNx с помощью импульсов фемтосекундной длительности, а также определен оптимальный режим лазерного отжига слоев SiNx. Данный режим достигается при использовании лазерных импульсов с длиной волны 625 и 417 нм при совокупной дозе экспозиции около 30 Дж/см^2. При этом в слоях SiNx с x < 1 впервые зарегистрирована ФЛ, обусловленная формированием кремниевых нанокристаллов в результате импульсного фемтосекундного лазерного отжига. Интенсивность ФЛ таких слоев после лазерного отжига увеличивалась на ~2 порядка. С другой стороны, фемтосекундный лазерный отжиг слоев SiNx с x > 1 незначительно изменяет интенсивность их ФЛ. В отожженных образцах может наблюдаться рост ФЛ до двух раз вследствие структурирования кремниевой подложки, приводящего к увеличению оптического пути возбуждающего излучения в слое SiNx за счет многократного рассеяния на сформированных шероховатостях; либо уменьшение интенсивности ФЛ за счет формирования безызлучательных дефектов и разрушения отжигаемой пленки. Также, в рамках проекта на отожженной поверхности слоев SiNx и также аморфного гидрогенизированного кремния a-Si:H методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) были обнаружены различные микроструктуры, в том числе периодические. В случае пленки SiNx поверхностные структуры имели период около 1 мкм и ориентацию вдоль вектора поляризации излучения при обработке фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 1250 нм. В случае обработки лазерными импульсами с длиной волны 625 и 417 нм формируемые структуры были ориентированы ортогонально вектору поляризации и имели период 300 нм и менее. С другой стороны, обнаружено, что на поверхности слоя a-Si:H вид и ориентация структур зависела от совокупной дозы облучения. Показано, что формирование данных структур связано с интерференцией падающего излучения и возбуждаемой в обрабатываемой пленке ТЕ или ТМ моды поверхностных плазмон-поляритонов. Кроме того, в рамках проекта впервые предложено объяснение наблюдаемого изменения формы структур на поверхности слоя a-Si:H при увеличении совокупной дозы облучения, связанное с возникновением обратной связи между сформированным поверхностным микрорельефом и электронными процессами, происходящими в пленке a-Si:H при фемтосекундной лазерной обработке. Методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) были исследованы структурные свойства отожженных фемтосекундными лазерными импульсами слоев аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H), а также проведено сравнение их между собой и с исходными немодифицированными пленками a-Si:H. В отожженных слоях a-Si:H зарегистрировано присутствие кристаллической фазы кремния, которая образуется под действием мощных фемтосекундных импульсов. При этом обнаружено, что при увеличении совокупной дозы облучения происходит уменьшение как объемной доли нанокристаллической фазы, так и среднего размера сформированных нанокристаллов, что объясняется повторной аморфизацией пленки при длительной обработке лазерным излучением. Кроме того, обнаружено формирование полиморфных модификаций кремния Si-III и Si-XII при фемтосекундной лазерной обработке с числом импульсов излучения более 500 и плотностью энергии 0,15 Дж/см^2. Формирование, а также анизотропия сигнала КРС для нанокристаллов таких полиморфных модификаций кремния, формируемых в результате фемтосекундного лазерного отжига слоев a-Si:H, также наблюдались впервые. | ||
| 3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Исследование модификации структурных и люминесцентных свойств пленок на основе кремния и нитрида кремния лазер |
| Результаты этапа: | ||
| 4 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Исследование модификации структурных и люминесцентных свойств пленок на основе кремния и нитрида кремния лазер |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".