Разработка и исследование процессов формирования нанокристаллов кремния в слоях нитрида и оксида кремния для светодиодных структур : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / научный руководитель Ф. Ф. Комаров

Abstract

Объектом исследования являются структуры вида SiNx/Si с различным содержанием избыточного кремния в сравнении со стехиометрией в нитридном слое, полученные методом газофазного химического осаждения. Цель работы – поиск ключевых факторов, обеспечивающих эффективную люминесценцию полученных слоев нитрида кремния в видимом диапазоне. Методами химического осаждения из газовой фазы изготовлен набор пластин SiNx/Si с нитридными пленками различного стехиометрического состава толщиной от 58 до 950 нм. Проведены отжиги изготовленных образцов в диапазоне температур (800 – 1200) °С в среде азота. Изучены элементный, химический и фазовый состав, структура и излучательные свойства образцов SiNx/Si и влияние термообработок на характеристики нитридных пленок. Показано, что варьированием режимов осаждения можно получать как обогащенные кремнием, так и обогащенные азотом нитридные пленки со стехиометрическим параметром “x” от 1,86 до 0,54. Для исследования структурно-фазового состава и оптических параметров нитридных слоев использованы методы Резерфордовского обратного рассеяния, просвечивающей электронной микроскопии, комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции, измерения электрофизических свойств тестовых структур. Обнаружено, что в состав нитридных слоев входит водород, который испаряется после высокотемпературной обработки. Показано, что в нитридных пленках после термообработки формируются аморфные нанокластеры кремния, которые кристаллизуются при увеличении температуры отжига до 1000 ºС и выше. В спектрах фотолюминесценции исходных и отожженных образцов с нитридом кремния при комнатной температуре наблюдалась фотолюминесценция в области спектра от 400 до 800 нм, которую можно рассматривать как результат наложения нескольких полос, положение и интенсивность которых варьируют в зависимости от условий осаждения и отжига нитридных пленок. Отжиг приводит к появлению полос люминесценции, связанных с дефектами типа Si- (К- центр свечения) и N- (N-центр свечения), интенсивность которых снижается с ростом температуры отжига. Одновременно с ростом температуры отжига сигнал в области ~ 600 нм, приписываемый квантово-размерному эффекту на нанокристаллах кремния, становится сильнее. В результате исследований по разработанной топологии изготовлены тестовые структуры для измерения вольт-амперных характеристик и электролюминесценции. Вид вольт-амперных характеристик свидетельствует о диодном поведении тестовых структур. Для всех исследованных серий образцов обнаружен эффект фотоотклика, который усиливается с увеличением температуры отжига. Полученные результаты могут быть использованы при разработке светоизлучающих материалов на основе кремния, а также солнечных элементов.