Metal-induced layer exchange of group IV materials

Abstract

Layer exchange (LE) is an interesting phenomenon in which metal and semiconductor layers exchange during heat treatment. A great deal of effort has been put into research on the mechanism and applications of LE, which has allowed various group IV materials (Si, SiGe, Ge, GeSn and C) to form on arbitrary substrates using appropriate metal catalysts. Depending on the LE material combination and growth conditions, the resulting semiconductor layer exhibits various features: low-temperature crystallization (80 °C–500 °C), grain size control (nm to mm orders), crystal orientation control to (100) or (111) and high impurity doping (>1020 cm−3). These features are useful for improving the performance, productivity and versatility of various devices, such as solar cells, transistors, thermoelectric generators and rechargeable batteries. We briefly review the findings and achievements from over 20 years of LE studies, including recent progress on device applications.

Flexible Thermoelectric Generator Based on Polycrystalline SiGe Thin Films

“…The carrier mobility, Hall coefficient, and carrier concentration were found to be 19 cm 2 V −1 s −1 , 0.066 cm 3 C −1 , and 9.5 × 10 19 cm −3 for the p-type sample, and 4.4 cm 2 V −1 s −1 , 0.23 cm 3 C −1 , and 2.7 × 10 20 cm −3 for the n-type sample, respectively. These high carrier concentrations, despite the low process temperature, are attributed to the property that impurities diffuse and activate at the solid solubility limit during LE in SiGe [30]. Figure 2a shows the Raman spectra obtained for the p-and n-type samples after metal removal.…”

“…However, metal-induced layer exchange (LE) can be used to overcome these issues. When metal and amorphous semiconductor layers are stacked and heated, LE occurs via the following stages: diffusion of semiconductor atoms into the metal layer; generation of semiconductor crystal nuclei in the metal; lateral growth of semiconductor crystals; and extrusion to the top of the metal [30]. Through this reaction between the metal and semiconductor, LE enables low-temperature synthesis and high-concentration doping in polycrystalline SiGe thin films.…”

Золото-Индуцированная Кристаллизация Тонких Пленок Аморфного Субоксида Кремния

“…В последние десятилетия особое внимание уделяется методам получения тонких пленок поликристаллического кремния (poly-Si) высокого качества на дешевых нетугоплавких подложках. Такой материал широко используется для нужд электроники и фотовольтаики [1,2]. Одним из перспективных способов получения тонких пленок poly-Si на подложках из стекла является металл-индуцированная кристаллизация (metal-induced crystallization, MIC) аморфного кремния (a-Si), поскольку использование металла в качестве катализатора процесса позволяет существенно снизить температуру и уменьшить время, а также повысить качество получаемого материала по сравнению с широко распространенным методом твердофазной кристаллизации [1,3].…”

“…Такой материал широко используется для нужд электроники и фотовольтаики [1,2]. Одним из перспективных способов получения тонких пленок poly-Si на подложках из стекла является металл-индуцированная кристаллизация (metal-induced crystallization, MIC) аморфного кремния (a-Si), поскольку использование металла в качестве катализатора процесса позволяет существенно снизить температуру и уменьшить время, а также повысить качество получаемого материала по сравнению с широко распространенным методом твердофазной кристаллизации [1,3]. Одним из таких катализаторов является золото, в настоящее время активно ведутся исследования кинетики процесса золото-индуцированной кристаллизации (Au-induced crystallization, AuIC) a-Si, а также структуры и кристаллических свойств получаемого poly-Si в зависимости от температуры, времени кристаллизации и характеристик исходных слоев a-Si/Au [4][5][6].…”

“…1, a), присутствуют широкий пик с цен-тром ∼ 480 cm −1 , источником которого является пленка a-SiO 0.2 в верхнем слое образца, а также узкий пик с положением ∼ 520 cm −1 , характерный для poly-Si [7]. Мы предполагаем, что произошло формирование кристаллического кремния в нижнем слое образца в процессе AuIC [1,4,11]. Кроме того, можно наблюдать узкий интенсивный пик poly-Si в спектре КРС, полученном в трещине (точка 2), что дополнительно подтверждает формирование кристаллического кремния в процессе отжига.…”