[go: up one dir, main page]

RU2793595C1 - Способ формирования нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с использованием электронно-пучкового отжига - Google Patents

Способ формирования нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с использованием электронно-пучкового отжига Download PDF

Info

Publication number
RU2793595C1
RU2793595C1 RU2022131430A RU2022131430A RU2793595C1 RU 2793595 C1 RU2793595 C1 RU 2793595C1 RU 2022131430 A RU2022131430 A RU 2022131430A RU 2022131430 A RU2022131430 A RU 2022131430A RU 2793595 C1 RU2793595 C1 RU 2793595C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sio
film
electron beam
geo
germanium
Prior art date
Application number
RU2022131430A
Other languages
English (en)
Inventor
Никита Александрович Лунев
Евгений Александрович Баранов
Александр Олегович Замчий
Виктор Олегович Константинов
Виктор Геннадьевич Щукин
Владимир Алексеевич Володин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2793595C1 publication Critical patent/RU2793595C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к области получения наноразмерных композитных структур на основе кремния и может быть использовано в опто- и наноэлектронике. Способ формирования нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с использованием электронно-пучкового отжига включает предварительное получение тонкой пленки GeO[SiO] на подложке из плавленого кварца с последующим электронно-пучковым отжигом. Согласно изобретению, тонкую пленку получают путем одновременного испарения порошков GeO2 и SiO с помощью электронных пучков в высоком вакууме (10-6 Pa), при этом скорость испарения мишени подбирают так, чтобы скорость осаждения обоих компонент на подложку из кварца была одинаковая при температуре 100°C, затем образцы полученной плёнки толщиной ~400 нм, покрывают защитным слоем SiO2 толщиной 10 нм, при размещении перпендикулярно электронному пучку в вакуумной камере с давлением 10-2 Pa, плотности тока электронного пучка 20 mA/cm2, с ускоряющим напряжением 2000 V, и подвергают электронно-пучковому отжигу в течение 60 секунд. Изобретение обеспечивает оптимальные режимы электронно-пучкового отжига, необходимые для формирования нанокристаллов/нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с контролируемыми размерами. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области получения наноразмерных композитных структур на основе кремния и может быть использовано в опто- и наноэлектронике.
Диэлектрические плёнки, содержащие аморфные нанокластеры и нанокристаллы германия (НК-Ge, в англоязычном обозначении NC-Ge), интересны с фундаментальной точки зрения [1], а также перспективны для нано- и оптоэлектроники [1, 2]. Например, плёнки GeOx применяются в качестве просветляющего покрытия в солнечных элементах [3]. Актуальность использования германосиликатных плёнок в наноэлектронике обусловлена их особенными электрическими свойствами. Известно, что подвижность электронов и дырок в германии больше, чем в кремнии [4], но, пробивные напряжения диоксида германия (GeO2) меньше, чем у диоксида кремния. К тому же, GeO2 химически нестоек, и как пример, достаточно хорошо растворяется в воде. Поэтому, для создания МДП-транзисторов на основе германия используют плёнки оксинитрида германия [5], либо плёнки с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектрики) [6]. В качестве переходного слоя между Ge и плёнкой high-k диэлектрика выступают слои GeOx либо GeSiOx [7]. Кроме того, плёнки нестехиометрических оксидов германия весьма перспективны для применения в составе аккумуляторных батарей с увеличенным количеством циклов перезарядки [8]. Помимо аморфных оксидов германия, оксиды GeSiOx, содержащие нанокристаллы Ge, Si и их твердых растворов, применяются в фоточувствительных детекторах [9].
Известны работы, посвященные электронно-пучковому отжигу аморфных пленок германия [10, 11], и работа, посвящённая электронно-пучковому отжигу нестехиометрических германосиликатных стёкол [12].
В предлагаемом техническом решении электронно-пучковые отжиги (electron beam annealing, EBA) были использованы для формирования аморфных кластеров германия и их кристаллизации в плёнке GeO[SiO].
Предшествующий уровень техники.
Из уровня техники известно решение, опубл. в работе «Crystallization of sputter-deposited amorphous Ge films by electron irradiation: Effect of low-flux pre-irradiation» авторов: M. Okugawa, R. Nakamura, H. Numakura, M. Ishimaru, H. Yasuda. J. Appl., опубл. Phys., 120, 134308 (2016). DOI: 10.1063/1.4964332. [10], в которой описано проведение экспериментов, где тонкие пленки аморфного германия толщиной 40 нм были приготовлены методом радиочастотного напыления. Полученные на молибденовой сетке пленки хранились при комнатной температуре в течение 3 дней, 4 и 7 месяцев при температуре и влажности около 20°C и ниже 40% соответственно при атмосферном давлении. Образцы были предварительно облучены малым пучком электронов в течение заданного времени, недостаточном для кристаллизации. Затем, чтобы индуцировать кристаллизацию, предварительно обработанные электронным пучком аморфные пленки облучали более плотным потоком электронов, имеющим диаметр около 1,0 мкм. Во избежание загрязнения все эксперименты проводились с использованием охлаждающей ловушки с жидким азотом, расположенной вблизи держателя образца.
В отличие от известного решения в предлагаемом способе в качестве исходного материала используют пленки чистого аморфного германия, получают пленки другим способом – испарением электронными пучками, и используют защитный слой SiO2, толщиной 10 нм, предотвращающий испарение германия в процессе отжига.
Известен способ получения кристаллического германия, описанный в работе «Explosive crystallization of sputter-deposited amorphous germanium films by irradiation with an electron beam of SEM-level energies» авторов: R. Nakamura, A. Matsumoto, M. Ishimaru. J., опубл. Appl. Phys., 129, 215301 (2021). DOI: 10.1063/5.0052142) [11]. В работе описаны результаты по проведенным экспериментам. Эксперименты проводились следующим образом. Тонкие пленки аморфного германия толщиной 40 нм были приготовлены методом радиочастотного напыления при базовом давлении ниже 3 × 10-5 Па. Полученные на подложках из хлорида натрия пленки хранились при комнатной температуре в течение 2 недель и 30 месяцев при температуре и влажности около 20°C и ниже 40% соответственно при атмосферном давлении. Пленки на подложках помещали в дистиллированную воду, а затем всплывающие пленки из аморфного германия располагали на медных сетках. Далее образцы облучали электронным пучком с энергией 1-20 кэВ при комнатной температуре при ускоряющем напряжении от 1 до 20 кВ. Диаметр сфокусированного пучка составлял менее 1 мкм.
В отличие от описанной технологии в предлагаемом способе в качестве исходного материала используют пленки чистого аморфного германия, пленки получают испарением электронными пучками, и образцы полученной плёнки толщиной ~400 нм, покрывают защитным слоем SiO2 толщиной 10 нм.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ формирования нанокристаллического германия, описанный в работе «Evidence of nanostructure formation in Ge oxide by crystallization induced by swift heavy ion irradiation» Sh. Rath, D. Kabiraj, D.K. Avasthi, A. Tripathi, K.P. Jain, Manoj Kumar, H.S. Mavi, A.K. Shukla. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B, 263, 419 (2007). DOI: 10.1016/j.nimb.2007.07.018 [13].
Пленки GeOx осаждались на кремниевую подложку с помощью электронно-пучкового испарения порошка оксида германия. При этом давление составляло 10-6 Торр, а подложка находилась при комнатной температуре. Далее проводили облучение пленки субоксида германия ионами Ag с энергией 150 МэВ, причем образцы помещались на медный держатель, обеспечивавший хороший тепловой контакт для предотвращения нагревания во время облучения.
В отличие от описанного метода, где в качестве исходного материала пленки используют аморфный субоксид германия, в предлагаемом способе используют смесь GeO2 и SiO, и образцы полученной плёнки толщиной ~400 нм покрывают защитным слоем SiO2 толщиной 10 нм.
Основным недостатком перечисленных методов является отсутствие защитного слоя SiO2, предотвращающего испарение материала пленки в процессе отжига. Испарение приводит к понижению качества получаемого кристаллического материала и снижает его количество.
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в устранении недостатков, присущих перечисленным выше аналогам.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа получения оптимальных режимов электронно-пучкового отжига, необходимых для формирования нанокристаллов/нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с контролируемыми размерами.
Техническая проблема решается за счет осуществления способа формирования нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с использованием электронно-пучкового отжига, включающего предварительное получение тонкой пленки GeO[SiO] на подложке из плавленого кварца с последующим электронно-пучковым отжигом. Согласно изобретению, тонкую пленку получают путем одновременного испарения порошков GeO2 и SiO с помощью электронных пучков в высоком вакууме (10-6 Pa), при этом скорость испарения мишени подбирают так, чтобы скорость осаждения обоих компонент на подложку из кварца была одинаковая при температуре 100°C, затем образцы полученной плёнки толщиной ~400 нм, покрывают защитным слоем SiO2 толщиной 10 нм, при размещении перпендикулярно электронному пучку в вакуумной камере с давлением 10-2 Pa, плотности тока электронного пучка 20 mA/cm2, с ускоряющем напряжением 2000 V, и подвергают электронно-пучковому отжигу в течение 60 секунд.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является формирование кристаллических и аморфных нанокластеров германия в пленке GeO[SiO]. Результат осуществляется в том числе за счет получения тонкой плени GeO[SiO] одновременным испарением порошков электронными пучками в высоком вакууме, что обеспечивает однородность слоев пленок, а также за счет нанесения защитного слоя SiO2 толщиной 10 нм на образцы пленок для исключения испарения монооксида германия в процессе отжига.
Осуществление изобретения
В настоящем изобретении использованы следующие термины и определения:
GeO[SiO] – пленка нестехиометрического германосиликатного стекла, х = 1;
Нанокластеры – кластеры из атомов с размерами от единиц до десятков нм, находящиеся либо в аморфном, либо в кристаллическом состоянии.
Нанокристаллы – кристаллические нанокластеры.
EBA – электронно-пучковый отжиг.
NC-Ge (НК-Ge) – нанокристаллы германия в диэлектрических плёнках.
На приведенной фигуре цифрами отмечены: пленка нестехиометрического германосиликатного стекла GeO[SiO] -1 после EBA; кристаллические нанокластеры (нанокристаллы) Ge – 2; аморфные нанокластеры Ge – 3.
Пример осуществления способа
Тонкая пленка нестехиометрического германосиликатного стекла GeO[SiO] была получена путем одновременного испарения порошков GeO2 и SiO с помощью электронных пучков в высоком вакууме (10-6 Pa) на подложки из плавленого кварца и c-Si (100). Мощность электронных пучков, которые испаряли мишени, была подобрана таким образом, чтобы скорость осаждения обоих компонент была одинаковая. При этом при испарении порошков GeO2 и SiO на подложку осаждается слой GeOx, со стехиометрическим параметром x ~ 1. Согласно стехиометрическому составу, плёнка будет обозначаться, как GeO[SiO] (состав GeSiO2). Плёнка осаждалась при температуре 100°C на подложки из плавленого кварца и c-Si (100). Толщина плёнки составляла ~ 400 нм. Плёнку покрывали защитным слоем SiO2 толщиной 10 нм, чтобы избежать испарения монооксида германия в процессе отжига.
Далее, исходная плёнка была подвергнута электронно-пучковому отжигу с помощью электронной пушки на основе разряда с полым катодом. Плотность тока электронного пучка была 20 mA/cm2, при ускоряющем напряжении 2000 V. Площадь обработки поверхности образца электронным пучком составляла 0.3 cm2. Образец размещали перпендикулярно электронному пучку в вакуумной камере с давлением 10-2 Pa. Время отжига составляло 60 секунд и регулировалось включением и выключением электронной пушки.
Для анализа структуры плёнки 1 применялся метод электронной микроскопии.
Элементный состав плёнки 1 анализировался в ходе микроскопических исследований с использованием метода энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX, EDRS или EDS).
Отжиг привел к увеличению концентрации германия в пленке 1.
Формирование нанокристаллы германия NC-Ge - 2 в плёнке GeO[SiO] 1 после EBA было обнаружено прямым методом электронной микроскопии. На представленной фигуре приведены изображения HRTEM плёнки GeO[SiO] 1 на подложках Si после EBA размером около 35×35 нм. На изображении можно наблюдать NC-Ge 2, аморфные кластеры германия 3 и стекловидную матрицу. Средний размер NC-Ge 2 составляет примерно 5.5 nm, а средний размер аморфных нанокластеров 3 составляет примерно 6 nm.
Эксперименты показали, что использование электронно-пучкового отжига приводит к формированию аморфных 3 и кристаллических 2 нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] 1 .
Положительный эффект от использования предложенного способа:
Из анализа спектров комбинационного рассеяния света были определены размеры нанокластеров германия 2, сформированных в результате электронно-пучковых отжигов. Предложенный способ получения аморфных нанокластеров 3 и нанокластеров 2 германия в плёнках нестехиометрических германосиликатных стёкол 1 с использованием электронно-пучкового отжига может быть использован для создания упорядоченных массивов таких нанокластеров 2 и 3.
Предложенный подход формирования нанокластеров аморфного германия 3 и NC-Ge 2 с применением электронного пучка (ЕВА) может быть использован для создания упорядоченных в слое аморфных нанокластеров 3 и NC-Ge 2.
Источники информации:
1. E.G. Barbagiovanni, D.J. Lockwood, P.J. Simpson, L.V. Goncharova. Appl. Phys. Rev., 1, 011302 (2014). DOI: 10.1063/1.4835095.
2. D. Carolan. Prog. Mater Sci., 90, 128 (2017). DOI: 10.1016/J.PMATSCI.2017.07.005.
3. V. G. Dyskin, M. U. Dzhanklych. Appl. Sol. Energy, 57, 252 (2021). DOI: 10.3103/S0003701X2103004X.
4. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd ed. (Wiley, N.Y., 1981), p. 789.
5. Y. Minoura, A. Kasuya, T. Hosoi, T. Shimura, H. Watanabe. Appl. Phys. Lett., 103, 033502 (2013). DOI: 10.1063/1.4813829.
6. Y. Kamata, Mater. Today, 11, 30 (2008). DOI: 10.1016/S1369-7021(07)70350-4.
7. M. Shang, X. Chen, B. Li, J. Niu. ACS Nano, 14, 3678 (2020). DOI: 10.1021/acsnano.0c00556.
8. I. Stavarache, C. Logofatu, M. T. Sultan, A. Manolescu, H. G. Svavarsson, V. S. Teodorescu, M. L. Ciurea. Sci. Rep., 10, 3252 (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-60000-x.
9. M. Ardyanian, H. Rinnert, M. Vergnat. J. Appl. Phys., 100, 113106 (2006). DOI: 10.1063/1.2400090.
10. M. Okugawa, R. Nakamura, H. Numakura, M. Ishimaru, H. Yasuda. J. Appl. Phys., 120, 134308 (2016). DOI: 10.1063/1.4964332.
11. R. Nakamura, A. Matsumoto, M. Ishimaru. J. Appl. Phys., 129, 215301 (2021). DOI: 10.1063/5.0052142.
12. F. Zhang, V.A. Volodin, E.A. Baranov, V.O. Konstantinov, V.G. Shchukin, A.O. Zamchiy, M. Vergnat. Vacuum, 197, 110796 (2022). DOI: 10.1016/j.vacuum.2021.110796.
13. Sh. Rath, D. Kabiraj, D.K. Avasthi, A. Tripathi, K.P. Jain, Manoj Kumar, H.S. Mavi, A.K. Shukla. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B, 263, 419 (2007). DOI: 10.1016/j.nimb.2007.07.018.

Claims (1)

  1. Способ формирования нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с использованием электронно-пучкового отжига, включающий предварительное получение пленки GeO[SiO] на подложке из плавленого кварца с последующим электронно-пучковым отжигом, отличающийся тем, что предварительное получение пленки осуществляют путем одновременного испарения порошков GeO2 и SiO с помощью электронных пучков в высоком вакууме (10-6 Pa), при этом скорость испарения мишени подбирают так, чтобы скорость осаждения обоих компонент на подложку из кварца была одинаковая при температуре 100°C, затем образец полученной плёнки толщиной ~400 нм, покрывают защитным слоем SiO2 толщиной 10 нм, размещают перпендикулярно электронному пучку в вакуумной камере с давлением 10-2 Pa при плотности тока электронного пучка 20 mA/cm2, с ускоряющим напряжением 2000 V, и подвергают электронно-пучковому отжигу в течение 60 секунд.
RU2022131430A 2022-12-02 Способ формирования нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с использованием электронно-пучкового отжига RU2793595C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2793595C1 true RU2793595C1 (ru) 2023-04-04

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2829701C1 (ru) * 2024-07-18 2024-11-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Способ создания фоточувствительной поверхностно-барьерной структуры

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008075070A (ja) * 2006-08-19 2008-04-03 Meiji Univ 薄膜、発光素子、および薄膜の製造方法
US8585797B2 (en) * 2007-06-15 2013-11-19 The Governors Of The University Of Alberta Method for preparing nanocrystalline germanium in GeO2 and freestanding germanium nanoparticles

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008075070A (ja) * 2006-08-19 2008-04-03 Meiji Univ 薄膜、発光素子、および薄膜の製造方法
US8585797B2 (en) * 2007-06-15 2013-11-19 The Governors Of The University Of Alberta Method for preparing nanocrystalline germanium in GeO2 and freestanding germanium nanoparticles

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Sh. Rath et al., Evidence of nanostructure formation in Ge oxide by crystallization induced by swift heavy ion irradiation, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. V.263, 419-423, 2007. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2829701C1 (ru) * 2024-07-18 2024-11-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Способ создания фоточувствительной поверхностно-барьерной структуры

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102763230B (zh) 制造半导体层的方法和装置
US20080008844A1 (en) Method for growing arrays of aligned nanostructures on surfaces
Lifshitz et al. The influence of substrate temperature during ion beam deposition on the diamond-like or graphitic nature of carbon films
Ishikawa et al. Carbon negative ion implantation into silicon
US20100065418A1 (en) Reactive magnetron sputtering for the large-scale deposition of chalcopyrite absorber layers for thin layer solar cells
RU2793595C1 (ru) Способ формирования нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO] с использованием электронно-пучкового отжига
CN102762761A (zh) 用于在基材上沉积层的设备和方法
RU2522440C2 (ru) Способ образования изолирующего слоя посредством частиц с низкой энергией
RU2793594C1 (ru) Способ формирования нанокластеров германия в плёнке GeO[SiO2] с использованием электронно-пучкового отжига
JP3091599B2 (ja) カルコパイライト型化合物の製造方法
JPS5919190B2 (ja) 鉛皮膜の製造方法
Kim et al. Annealing temperature effect on the surface properties and antimicrobial activity of SnSe thin films
KR100192228B1 (ko) 주석 산화물 박막의 제조방법
KR20150064930A (ko) 유연성을 갖는 czts 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지
Jeong et al. Effect on electron beam treatment of radio frequency sputtered i-ZnO thin films for solar cell applications
CN119584684B (zh) 一种氧化镓光探测器及制备方法
JPS63107892A (ja) 酸化物薄膜の製造装置
Xirouchaki et al. Structural and chemical characterization of as-deposited microcrystalline indium oxide films prepared by dc reactive magnetron sputtering
Huran et al. Electron Beam-plasma Vacuum Deposition of Very Thin Carbon Films: Photocathode Application
Ayeshamariam et al. Preparation Techniques of Thin Films by Physical and Chemical Vapor Deposition
Honda et al. Preparation of Compositionally Gradient Ba-Sr-Al-O Thin Film by Ion-Beam Evaporation
Gambardella et al. Laser ablation of BiSrCaCuO superconducting thin film: analysis of intermediate species in real time
Konstantinov et al. Formation of germanium nanocrystals and amorphous nanoclusters in GeO [SiO] and GeO [SiO2] films using electron beam annealing
SD total charge density of Qox|| Si≈+ 1 3× 1010 cm² so that
Kim et al. 36.3: Secondary Electron Emission Coefficient of Pure and Cs‐doped MgO for Low Energy Noble Gas Ions