eng
Выпуск #3/2010
Д.Миловзоров.
Тонкопленочный нанокристаллический кремний (111) для солнечной энергетики и электроники
Тонкопленочный нанокристаллический кремний (111) для солнечной энергетики и электроники
Просмотры: 3218
Российская компания "Флуэнс Технолоджи Групп" (ФТГ) специализируется на разработке и производстве современной научно-технической продукции для электроники, энергетики, авиа- и машиностроения, оборонной промышленности.
ФТГ является обладателем патентов России на тонкопленочные полупроводниковые приборы и материалы для электроники, а также на технологии их изготовления: № 233567 "Способ изготовления тонких кристаллических пленок кремния для полупроводниковых приборов", № 2227343 "Тонкие пленки гидрогенизированного поликристаллического кремния и технология их получения", № 2226306 "Резонансный полупроводниковый прибор на основе квантовых биений".
Основные направления деятельности компании:
наноструктурированный тонкопленочный кремний для опто- и твердотельной электроники;
материалы для устройств памяти на основе тонкопленочных структур: нанокристаллический кремний, в том числе фторированный, кремний-оксид церия-оксид кремния, молекулярный слой кремнийсодержащих углеводородов тетраэтилортосилоксен (TEOS)-оксид кремния (рис.1);
Один из проектов компании - создание технологии нанесения тонкой наноструктурированной пленки кремния (111) на диэлектрические (рис.2) и металлические поверхности с целью формирования особо прочных покрытий (рис.3) на основе силицидов и оксидов кремния.
ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ (111)
Предлагаемые технологии позволяют решить проблемы низкой подвижности носителей зарядов в электронных приборах, таких, как транзисторы (для предлагаемого материала она составляет 150-200 см2/Вc, для аморфного кремния - 1 см2/Вc, а для органических полупроводников 0,01-0,1 см2/Вc), и значительного тока утечки, обусловленного высокой концентрацией точечных дефектов внутри пленки. Изготовление тонкопленочных наноструктурных материалов на основе кремния (111) (рис.4) с использованием вакуумно-плазменного осаждения кремния позволяет производить дешевые электронные приборы со сравнительно стабильными рабочими параметрами.
Такие качественные отличия кремниевой технологии тонкопленочных электронных приборов на основе наноструктурных материалов [1] позволят ей занять вполне определенное и выдающееся место на рынке современных технологий.
ПЛЕНКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ (111) ДЛЯ УСТРОЙСТВ ПАМЯТИ
Элементы памяти на основе нанокристаллического кремния могут быть выполнены с использованием схемы тонкопленочного транзистора с тонким слоем SiO2, позволяющим осуществлять процессы записи/считывания/стирания информации. В этом случае основную роль играет химический состав интерфейса Si-SiO2, заряды которого влияют на процессы туннелирования. Схема такой ячейки памяти представлена на рис.5.
Другое устройство элемента памяти основано на наличии в материале пленки атомов кислорода в различном состоянии, которые, с одной стороны, формируют диполи Si-O, а с другой, - оказывают влияние на миграцию точечных дефектов. Такая память, полученная при нанесенной пленке Si на тонкий слой CeO2, позволяет создавать тонкопленочные структуры со стимулированным электрическим полем изменением фазового состава пленки, который обратимо воссоздается при нагревании [2].
Третий вариант устройства памяти - переключаемая электрическим полем спектральная компонента ВЧ-диапазона отклика пленки, полученная с помощью электронного парамагнитного резонанса. Такое переключение осуществляется за счет присутствия внутри пленки точечных дефектов, таких, как А-дефекты (рис.6а) [3].
Максимально возможная частота переключений состояний А-дефектов - 1013 Hz. Однако частота переключений состояний памяти ограничивается наличием в пленке границ раздела нанокристаллов, внутри которых присутствуют точечные дефекты, формирующие флуктуации потенциала. Чем меньше размер кристаллов, тем такие флуктуации меньше: ΔU≈4Δδ d•Q/πδ, где δ - размер нанокристалла, а d - размер границы раздела, которая при значительной доли кристаллов в объеме пленки определяется их величиной d≤δ (при обратном неравенстве и малом содержании кристаллов в оксидированном аморфном кремнии материал не может использоваться в электронике вследствие его крайне низких проводящих свойств), и Δδ≈δ для пленок, полученных методом вакуумно-плазменного осаждения кремния [4]. Спектральная плотность тока ограничена величиной 1010 Нz (рис.6б). Таким образом, использование более высоких частот для переключения возможно только с применением оптических методов [5].
ПЛЕНКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИОГО КРЕМНИЯ (111) ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
В настоящее время модули солнечных батарей в России производятся на основе монокристаллических пластин кремния, что предполагает выращивание кристаллов, их резание, шлифовку и полировку. Эти операции трудоемки, требуют квалифицированных рабочих, а также значительного времени. Стоимость подложки составляет около 30 долл. Помимо этого кремний - материал, который под действием времени стареет, т. е. в его поверхностный слой толщиной 1 мкм внедряется из атмосферы кислород, образующий диэлектрический слой, что приводит к ухудшению параметров работы электронных приборов. Стоимость модуля солнечных батарей суммарной мощностью 100 Вт, производимых в России, оценивается примерно от 1000 до 1500 долл. Кроме этого, высокая квантовая эффективность реализуется только в ИК-диапазоне (W=σI, где σ - сечение процесса поглощения, а I - интенсивность излучения, в то время как для нанокристаллического материала ширина запрещенной зоны составляет большую величину и резонансное поглощение реализуется в видимом диапазоне энергий фотона).
Предлагаемый высокомощный солнечный модуль включает солнечную батарею, концентратор света и аккумуляторную батарею. Технология производства нанокристаллического кремния позволяет наносить пленки на диэлектрические, металлические и полимерные подложки, что делает этот способ их изготовления конкурентоспособным (рис.7, 8).
Некоторые спектральные характеристики пленки нанокристаллического кремния приведены на рис.9.
Предлагаемая батарея устойчива к изменениям климатических условий в диапазоне -40-250оС, что позволяет использовать ее при значительном уровне солнечного излучения в жарких регионах и концентрировать солнечный свет с превышением интенсивности в 100 раз. (Предел интенсивности разрушения пленки под действием лазерного излучения - 400 МВт/cм2.)
ГАЗОВЫЙ СЕНСОР НА ОСНОВЕ ПЛЕНКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ (111)
Газовый сенсор представляет собой полевой тонкопленочный транзистор, в качестве активного слоя которого используется пленка нанокристаллического кремния (рис.10).
Молекула органического соединения адсорбируется на поверхность активного слоя и изменяет ее химический состав, фиксируемый с помощью электрофизических измерений. Исследуемые тонкие кремниевые пленки (111) и молекулы углеводородов, нанесенные на поверхность SiO2, сравнивались с помощью спектрального анализа (рис.11) с пленками кремния, полученного методом вакуумно-плазменного осаждения.
Исследовалось влияние температуры на проводимость пленки. Были проведены также измерения вольт-амперных характеристик с использованием схемы "bottom-gate" тонкопленочного транзистора, содержащего исток, сток и затвор, расположенный ниже электродов стока и истока, а также диэлектрический слой, материалом для которого служила пленка SiO2. Получены туннельные характеристики тока, протекающего через поверхностные состояния, образованные за счет адсорбции молекул углеводородов на пленке кремния (111) и SiO2. Показано, что высокая чувствительность пленки кремния сохраняется в течение достаточно длительного времени использования ее для сенсорных применений после последовательного нагрева.
Для характеризации молекул углеводородов на поверхности Si или SiO2 использовалась спектроскопия комбинационного рассеяния. Отношение сигнал/шум составляло несколько порядков. Характер вольт-амперной туннельной характеристики позволял качественно различать молекулы углеводородов, а характер величины проводимости - оценить их концентрацию.
НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ (111)
Подобно монокристаллическому кремнию (111) использование в качестве материала нелинейно-оптического преобразователя пленки нанокристалического кремния (111) позволяет также получить вторую гармонику излучения. На рис.12 представлены нелинейно-оптические спектры излучения поляризованного света, полученные с помощью пленки нанокристалического кремния (111).
Выражение для поляризации излучения имеет вид:
где χnc-Si(2) - тензор нелинейной восприимчивости.
Это выражение можно использовать для определения поляризации, полагая, что χnc-Si(2) есть линейная комбинация компонент тензора SiO2 (кварца) и поверхности кремния с ориентацией (111). Тогда при α=NSi-O/N и β=Ndb/N выражение для тензора нелинейной восприимчивости имеет вид [6, 7]:
.
При значении составляющей падающего излучения Ey=0 выражение для поляризации имеет вид:
,
где присутствуют компоненты тензора X и Z. Отсюда можно видеть, что подаваемое на электроды напряжение преобразует излучение с наибольшей эффективностью.
ФОТОДЕТЕКТОР НА ОСНОВЕ ПЛЕНКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ (111)
Один из ведущих зарубежных производителей фоторегистрирующих устройств Hamamatsu Photonics предлагает фотодетекторы, регистрирующие излучение в видимом и ИК-диапазонах с высокой эффективностью 72% (длина волны 900 нм), например, S9251. Другие компании, например, GST Global, (UK), предлагают фотодиоды на основе InGaAs, работающие в диапазоне 1250-1650 нм с низкой величиной темного тока 0,02 нА и с высокой эффективностью на уровне 0,95 А/Вт при 1550 нм. Однако производство таких изделий дорогостоящее.
Предлагаемые проекты по производству фотоэлектронного устройства, регистрирующего фотоны различных диапазонов энергий, на основе нанокристаллического кремния (рис.13, 14) представляются оптимальным решением проблемы.
Следует отметить также, что применение полимерных материалов в качестве подложки для нанесения пленки кремния может позволить использовать такие устройства в биологически совместимых системах искусственного зрения (рис.15.)
В качестве сетчатки глаза выступает слой нанокристаллов (111), а хрусталиком служит жидкокристаллическая линза.
ЛИТЕРАТУРА
1. D.Milovzorov, T.Inokuma, Y.Kurata and S.Hasegawa. Correlation between structural and optical properties of nanocrystal particles prepared at low temperature by plasma-enhanced chemical vapor deposition. - Nanostructured Materials, 1999, 10(8), 1301-1306.
2. D.Milovzorov. Field-effect on crystal phase of silicon in Si/CeO2 /SiO2 structure. - Journal of Nanomaterials, Hindawi publishing, 2008.
3. D.Milovzorov. Memory cell with photoacoustic switching, Proceedings of SPIE, 2005, v. 5592, 427-437.
4. D.Milovzorov, T.Inokuma, Y.Kurata and S.Hasegawa. Relationship between structural and optical properties in polycrystalline silicon films prepared at low temperature by plasma-enhanced chemical vapor deposition. - Journal of the Electrochemical Society, 1998, 145, № 10, 3615-3620.
5. D.Milovzorov. Electronic structure of nanocrystalline silicon and oxidized silicon surfaces. - Electrochemical and Solid State Letters, 2001, 4(7), G61-63.
6. D.Milovzorov. Optical nonlinear switches based on nanocrystalline silicon , Proceedings of SPIE, Electro-Optical and Infrared Systems: Technology and Applications IV, David A. Huckridge; Reinhard R. Ebert, Editors, 2007,
v. 6737-44.
7. D.Milovzorov. Optical nonlinear switches based on nanocrystalline silicon: Part II , Proceedings of SPIE Nanophotonics II, David L. Andrews; Jean-Michel Nunzi; Andreas Ostendorf, Editors, 2008, v. 6988.
Основные направления деятельности компании:
наноструктурированный тонкопленочный кремний для опто- и твердотельной электроники;
материалы для устройств памяти на основе тонкопленочных структур: нанокристаллический кремний, в том числе фторированный, кремний-оксид церия-оксид кремния, молекулярный слой кремнийсодержащих углеводородов тетраэтилортосилоксен (TEOS)-оксид кремния (рис.1);
Один из проектов компании - создание технологии нанесения тонкой наноструктурированной пленки кремния (111) на диэлектрические (рис.2) и металлические поверхности с целью формирования особо прочных покрытий (рис.3) на основе силицидов и оксидов кремния.
ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ (111)
Предлагаемые технологии позволяют решить проблемы низкой подвижности носителей зарядов в электронных приборах, таких, как транзисторы (для предлагаемого материала она составляет 150-200 см2/Вc, для аморфного кремния - 1 см2/Вc, а для органических полупроводников 0,01-0,1 см2/Вc), и значительного тока утечки, обусловленного высокой концентрацией точечных дефектов внутри пленки. Изготовление тонкопленочных наноструктурных материалов на основе кремния (111) (рис.4) с использованием вакуумно-плазменного осаждения кремния позволяет производить дешевые электронные приборы со сравнительно стабильными рабочими параметрами.
Такие качественные отличия кремниевой технологии тонкопленочных электронных приборов на основе наноструктурных материалов [1] позволят ей занять вполне определенное и выдающееся место на рынке современных технологий.
ПЛЕНКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ (111) ДЛЯ УСТРОЙСТВ ПАМЯТИ
Элементы памяти на основе нанокристаллического кремния могут быть выполнены с использованием схемы тонкопленочного транзистора с тонким слоем SiO2, позволяющим осуществлять процессы записи/считывания/стирания информации. В этом случае основную роль играет химический состав интерфейса Si-SiO2, заряды которого влияют на процессы туннелирования. Схема такой ячейки памяти представлена на рис.5.
Другое устройство элемента памяти основано на наличии в материале пленки атомов кислорода в различном состоянии, которые, с одной стороны, формируют диполи Si-O, а с другой, - оказывают влияние на миграцию точечных дефектов. Такая память, полученная при нанесенной пленке Si на тонкий слой CeO2, позволяет создавать тонкопленочные структуры со стимулированным электрическим полем изменением фазового состава пленки, который обратимо воссоздается при нагревании [2].
Третий вариант устройства памяти - переключаемая электрическим полем спектральная компонента ВЧ-диапазона отклика пленки, полученная с помощью электронного парамагнитного резонанса. Такое переключение осуществляется за счет присутствия внутри пленки точечных дефектов, таких, как А-дефекты (рис.6а) [3].
Максимально возможная частота переключений состояний А-дефектов - 1013 Hz. Однако частота переключений состояний памяти ограничивается наличием в пленке границ раздела нанокристаллов, внутри которых присутствуют точечные дефекты, формирующие флуктуации потенциала. Чем меньше размер кристаллов, тем такие флуктуации меньше: ΔU≈4Δδ d•Q/πδ, где δ - размер нанокристалла, а d - размер границы раздела, которая при значительной доли кристаллов в объеме пленки определяется их величиной d≤δ (при обратном неравенстве и малом содержании кристаллов в оксидированном аморфном кремнии материал не может использоваться в электронике вследствие его крайне низких проводящих свойств), и Δδ≈δ для пленок, полученных методом вакуумно-плазменного осаждения кремния [4]. Спектральная плотность тока ограничена величиной 1010 Нz (рис.6б). Таким образом, использование более высоких частот для переключения возможно только с применением оптических методов [5].
ПЛЕНКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИОГО КРЕМНИЯ (111) ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
В настоящее время модули солнечных батарей в России производятся на основе монокристаллических пластин кремния, что предполагает выращивание кристаллов, их резание, шлифовку и полировку. Эти операции трудоемки, требуют квалифицированных рабочих, а также значительного времени. Стоимость подложки составляет около 30 долл. Помимо этого кремний - материал, который под действием времени стареет, т. е. в его поверхностный слой толщиной 1 мкм внедряется из атмосферы кислород, образующий диэлектрический слой, что приводит к ухудшению параметров работы электронных приборов. Стоимость модуля солнечных батарей суммарной мощностью 100 Вт, производимых в России, оценивается примерно от 1000 до 1500 долл. Кроме этого, высокая квантовая эффективность реализуется только в ИК-диапазоне (W=σI, где σ - сечение процесса поглощения, а I - интенсивность излучения, в то время как для нанокристаллического материала ширина запрещенной зоны составляет большую величину и резонансное поглощение реализуется в видимом диапазоне энергий фотона).
Предлагаемый высокомощный солнечный модуль включает солнечную батарею, концентратор света и аккумуляторную батарею. Технология производства нанокристаллического кремния позволяет наносить пленки на диэлектрические, металлические и полимерные подложки, что делает этот способ их изготовления конкурентоспособным (рис.7, 8).
Некоторые спектральные характеристики пленки нанокристаллического кремния приведены на рис.9.
Предлагаемая батарея устойчива к изменениям климатических условий в диапазоне -40-250оС, что позволяет использовать ее при значительном уровне солнечного излучения в жарких регионах и концентрировать солнечный свет с превышением интенсивности в 100 раз. (Предел интенсивности разрушения пленки под действием лазерного излучения - 400 МВт/cм2.)
ГАЗОВЫЙ СЕНСОР НА ОСНОВЕ ПЛЕНКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ (111)
Газовый сенсор представляет собой полевой тонкопленочный транзистор, в качестве активного слоя которого используется пленка нанокристаллического кремния (рис.10).
Молекула органического соединения адсорбируется на поверхность активного слоя и изменяет ее химический состав, фиксируемый с помощью электрофизических измерений. Исследуемые тонкие кремниевые пленки (111) и молекулы углеводородов, нанесенные на поверхность SiO2, сравнивались с помощью спектрального анализа (рис.11) с пленками кремния, полученного методом вакуумно-плазменного осаждения.
Исследовалось влияние температуры на проводимость пленки. Были проведены также измерения вольт-амперных характеристик с использованием схемы "bottom-gate" тонкопленочного транзистора, содержащего исток, сток и затвор, расположенный ниже электродов стока и истока, а также диэлектрический слой, материалом для которого служила пленка SiO2. Получены туннельные характеристики тока, протекающего через поверхностные состояния, образованные за счет адсорбции молекул углеводородов на пленке кремния (111) и SiO2. Показано, что высокая чувствительность пленки кремния сохраняется в течение достаточно длительного времени использования ее для сенсорных применений после последовательного нагрева.
Для характеризации молекул углеводородов на поверхности Si или SiO2 использовалась спектроскопия комбинационного рассеяния. Отношение сигнал/шум составляло несколько порядков. Характер вольт-амперной туннельной характеристики позволял качественно различать молекулы углеводородов, а характер величины проводимости - оценить их концентрацию.
НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ (111)
Подобно монокристаллическому кремнию (111) использование в качестве материала нелинейно-оптического преобразователя пленки нанокристалического кремния (111) позволяет также получить вторую гармонику излучения. На рис.12 представлены нелинейно-оптические спектры излучения поляризованного света, полученные с помощью пленки нанокристалического кремния (111).
Выражение для поляризации излучения имеет вид:
где χnc-Si(2) - тензор нелинейной восприимчивости.
Это выражение можно использовать для определения поляризации, полагая, что χnc-Si(2) есть линейная комбинация компонент тензора SiO2 (кварца) и поверхности кремния с ориентацией (111). Тогда при α=NSi-O/N и β=Ndb/N выражение для тензора нелинейной восприимчивости имеет вид [6, 7]:
.
При значении составляющей падающего излучения Ey=0 выражение для поляризации имеет вид:
,
где присутствуют компоненты тензора X и Z. Отсюда можно видеть, что подаваемое на электроды напряжение преобразует излучение с наибольшей эффективностью.
ФОТОДЕТЕКТОР НА ОСНОВЕ ПЛЕНКИ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ (111)
Один из ведущих зарубежных производителей фоторегистрирующих устройств Hamamatsu Photonics предлагает фотодетекторы, регистрирующие излучение в видимом и ИК-диапазонах с высокой эффективностью 72% (длина волны 900 нм), например, S9251. Другие компании, например, GST Global, (UK), предлагают фотодиоды на основе InGaAs, работающие в диапазоне 1250-1650 нм с низкой величиной темного тока 0,02 нА и с высокой эффективностью на уровне 0,95 А/Вт при 1550 нм. Однако производство таких изделий дорогостоящее.
Предлагаемые проекты по производству фотоэлектронного устройства, регистрирующего фотоны различных диапазонов энергий, на основе нанокристаллического кремния (рис.13, 14) представляются оптимальным решением проблемы.
Следует отметить также, что применение полимерных материалов в качестве подложки для нанесения пленки кремния может позволить использовать такие устройства в биологически совместимых системах искусственного зрения (рис.15.)
В качестве сетчатки глаза выступает слой нанокристаллов (111), а хрусталиком служит жидкокристаллическая линза.
ЛИТЕРАТУРА
1. D.Milovzorov, T.Inokuma, Y.Kurata and S.Hasegawa. Correlation between structural and optical properties of nanocrystal particles prepared at low temperature by plasma-enhanced chemical vapor deposition. - Nanostructured Materials, 1999, 10(8), 1301-1306.
2. D.Milovzorov. Field-effect on crystal phase of silicon in Si/CeO2 /SiO2 structure. - Journal of Nanomaterials, Hindawi publishing, 2008.
3. D.Milovzorov. Memory cell with photoacoustic switching, Proceedings of SPIE, 2005, v. 5592, 427-437.
4. D.Milovzorov, T.Inokuma, Y.Kurata and S.Hasegawa. Relationship between structural and optical properties in polycrystalline silicon films prepared at low temperature by plasma-enhanced chemical vapor deposition. - Journal of the Electrochemical Society, 1998, 145, № 10, 3615-3620.
5. D.Milovzorov. Electronic structure of nanocrystalline silicon and oxidized silicon surfaces. - Electrochemical and Solid State Letters, 2001, 4(7), G61-63.
6. D.Milovzorov. Optical nonlinear switches based on nanocrystalline silicon , Proceedings of SPIE, Electro-Optical and Infrared Systems: Technology and Applications IV, David A. Huckridge; Reinhard R. Ebert, Editors, 2007,
v. 6737-44.
7. D.Milovzorov. Optical nonlinear switches based on nanocrystalline silicon: Part II , Proceedings of SPIE Nanophotonics II, David L. Andrews; Jean-Michel Nunzi; Andreas Ostendorf, Editors, 2008, v. 6988.
Отзывы читателей
