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. Фото сделано в
ЦКП ВТАН НГУ. Фото предоставлено пресс-службой ИФП СО РАН, автор – В. Трифутин.
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 1500 и
1030 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.
Источник: «Наука в Сибири».
Автор: Полина Кустова.