Ученые усовершенствовали метод кристаллизации пленок кремния и германия

Международный коллектив исследователей с участием сибирских специалистов использовал новый подход к обработке тонких полупроводниковых слоев при помощи лазерных импульсов. Подобная технология может существенно повысить эффективность солнечных элементов и успешно применяться в области гибкой электроники.

С системой кремний — германий в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН работают с начала 1990-х. Для выращивания структур на их основе ученые используют разные методы. В этой работе они задействовали технологию плазмохимического осаждения с последующим импульсным лазерным воздействием, при котором кристаллизации подвергались только слои германия, а слои кремния оставались аморфными (некристаллическими). Благодаря такой селективности можно значительно поднять надежность и качество тонкопленочных модулей, предназначенных для солнечных элементов и электронных устройств с гибкими дисплеями.

«Мы начинали эту работу совместно с группой ученых из Ярославского филиала Физико-технологического института им. К. А. Валиева РАН и Института физики АН Чешской Республики. Затем нам помог продвинуться крупный проект-стомиллионник “Квантовые структуры для посткремниевой электроники” во главе с нашим институтом», — комментирует ведущий научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН и лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники Новосибирского государственного университета доктор физико-математических наук Владимир Алексеевич Володин.

В. А. Володин готовит образец полупроводниковой пленки для анализа на электронном микроскопе.

Похожий эксперимент исследователи проводили несколько лет назад с использованием лазерной установки с наносекундной (10−9 секунд) длительностью импульса, однако нужный результат получить не смогли: в процессе кристаллизации слои начали перемешиваться друг с другом. По словам В. А. Володина, проблема возникла из-за слишком высокой температуры и большого временного интервала импульсов. «Если долго воздействовать на германий, тепло успеет распространиться на кремний, он нагреется, и слои, соответственно, смешаются. Это одна из причин, почему мы выбрали импульсный режим, а не непрерывное лазерное воздействие», — объясняет физик. Ученые пришли к выводу, что большей продуктивности можно достичь, используя низкотемпературный отжиг (ниже 120 °С) с применением лазеров с пико- (10−12 секунд) и фемтосекундной (10−15 секунд) длительностью импульсов. В работе также использовались установки из Центра коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии и аналитика наносистем» НГУ.

Кремниевые и германиевые аморфные слои получили в ЯФ ФТИАН им. К. А. Валиева РАН по технологии плазменно-химического осаждения из газовой фазы. Этот метод используют для разложения прекурсоров — газов, из которых в ходе обработки образуются полупроводниковые пленки, — на активные радикалы. «Для кремния прекурсором является моносилан, — поясняет Владимир Володин, — летучее соединение SiH4. Для германия, соответственно, моногерман (GeH4). В нашем институте мы в основном работали с моносиланом, а с моногерманом — наши коллеги из Ярославля. Превращение вещества из газового состояния в твердое осуществляется в несколько этапов. В камеру из одного источника выпускается моносилан, разбавленный аргоном. Далее в молекулах газа нужно разорвать химические связи, то есть удалить из них водород. Сделать это можно двумя способами с использованием либо высоких температур, либо плазменных разрядов. В первом случае невозможно использовать недорогие нетугоплавкие (плавящиеся при относительно низких температурах) подложки, поэтому выбор был сделан в пользу второго варианта. Под воздействием разрядов плазмы ионы и электроны в электрическом поле ускоряются, набирают нужные энергии, сталкиваются между собой и ионизируют другие молекулы. В итоге из большей части прекурсора улетучивается водород, и радикалы кремния (либо германия) постепенно оседают на поверхности подложки. Происходит это неспешно — один ангстрем (0,1 нанометра) в секунду». В работе были использованы подложки двух типов: из монокристаллического кремния, на которых удобно исследовать образцы для электронной микроскопии, и нетугоплавкие подложки из стекла.

Полученные слои модифицировались лазерными импульсами на фемто- и пикосекундной лазерных установках с длиной волн 1 500 и 1 030 нм соответственно. Суть процедуры заключалась в том, что маленькое пятно лазера быстро проводило сканирующую обработку по площади подложки с находящейся на ней аморфной полупроводниковой пленкой. За время ультракороткого действия импульсов облучаемая лазером область плавилась и охлаждалась, и в процессе остывания происходил ее переход в кристаллическое состояние. «Для этой работы мы не стали применять другие типы отжигов, в том числе печной. Во-первых, для выращивания структур большой площади печь должна быть соответствующего им размера. А во-вторых, не любая подложка способна выдержать высокие температуры: обычное стекло, к примеру, начинает размягчаться уже при 300—350 °C. Поэтому мы остановились на лазерном отжиге. Его основное преимущество заключается в том, что из-за большой теплоемкости подложка за время импульса не успевает сильно нагреться, тогда как пленка за этот же промежуток достигает температуры плавления», — отмечает В. А. Володин.

Для изучения состава кристаллических пленок использовалось несколько методик. «Чтобы оценить прозрачность слоев, мы применяли спектроскопию отражения и прохождения видимого света. Конечно, увидеть ее прозрачность можно и невооруженным глазом, посмотрев сквозь структуру на источник света, но определить пропускание в процентах в зависимости от длины волны — это уже количественные измерения, требующие применения спектрофотометров. Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света (или как ее называют в англоязычной литературе, рамановской спектроскопии) позволил нам быстро и бесконтактно узнать структуру вещества. Спектры, как и отпечатки пальцев человека, носят уникальный характер, и если внимательно на них посмотреть, то можно не только определить, какой это материал, но и даже то, в каком состоянии, аморфном или кристаллическом, он находится. Мы также использовали электронную микроскопию для уточнения толщины пленок и спектроскопию инфракрасного поглощения для оценки наличия водорода в них», — комментирует ученый.

Исследователи будут продолжать работу, несмотря на непростую геополитическую обстановку, в частности они планируют освоить технологию выращивания тонкопленочных структур из германа в ИФП СО РАН. В. А. Володин также отметил, что хорошие результаты были достигнуты благодаря международному сотрудничеству со специалистами из Чехии, Германии и при участии китайских магистрантов, обучающихся в НГУ.