Кристаллизация плeнок аморфного германия и многослойных структур a-Ge/a-Si под действием наносекундного лазерного излучения

Abstract

The processes of the crystallization of amorphous germanium films and multilayer germanium/silicon structures upon exposure to nanosecond (70 ns) ruby laser radiation (λ = 694 nm) are studied. The samples are grown on silicon and glassy substrates by plasma-enhanced chemical vapor deposition. Pulsed laser annealing of the samples is conducted in the range of pulse energy densities E _ p from 0.07 to 0.8 J cm^–2. The structure of the films after annealing is determined by analyzing the scanning electron microscopy data and Raman spectra. It is established that, after annealing, the films are completely crystallized and, in this case, contain regions of coarse crystalline grains (>100 nm), whose fraction increases, as E _ p is increased, and reaches 40% of the area. From analysis of the position of the Raman peaks, it is conceived that the crystalline grains, whose dimensions exceed 100 nm, either contain structural defects or stretching strains. The correlation length of optical vibrations is determined from the phonon confinement model and found to increase from 5 to 8 nm, as E _ p is increased. Pulsed laser annealing of multilayer Ge(10 nm)/Si(5 nm) structures induces partial intermixing of the layers with the formation of Ge–Si alloys.

Фемтосекундный Лазерный Отжиг Многослойных Тонкопленочных Структур На Основе Аморфных Германия И Кремния

“…Поскольку последний материал является практически прозрачным в интервале длин волн 1.1−1.7 µm, наличие включений кристаллического германия (c-Ge) в аморфной матрице приводит к увеличению оптического поглощения в этой спектральной области [5]. Ранее был продемонстрирован наносекундный ИЛО многослойных структур a-Si : H/a-Ge : H [6], в результате которого наблюдались кристаллизация a-Ge : H и смешивание слоев кремния и германия, приводящее к образованию их твердого раствора. Этот эффект является нежелательным из-за крайне малого сечения поглощения фотонов в таком материале.…”

“…3, а, в результате ИЛО многослойной структуры произошла полная кристаллизация слоев a-Ge : H, о чем свидетельствует трансформация полосы 200−320 cm −1 в линию около 295 cm −1 . Вероятнее всего, формируемая германиевая структура является кристаллической: наблюдаемое различие с характерной для c-Ge линией 300 cm −1 может быть объяснено либо проявлением дисперсии фононов из-за возникновения в результате облучения нанокристаллов германия (nc-Ge) размером менее 10 nm, либо наличием механических напряжений в германиевых слоях [6].…”

“…Коэффициенты поглощения света a-Ge : H и a-Si : H для длины волны 1250 nm составляют около 16 000 [13] и 10 cm −1 [14] соответственно, а следовательно, увеличение интенсивности ИЛО на длине волны 1250 nm может привести как к абляции a-Ge : H, так и к недостаточному нагреву слоя a-Si : H из-за низкого коэффициента поглощения, что не вызывает впоследствии роста сигнала КРС от твердого раствора Ge−Si. Ранее в работе [6] при наносекундном ИЛО на длине волны излучения 694 nm были зафиксированы кристаллизация слоев a-Ge : H и отсутствие фазовых изменений в слоях a-Si : H, а также увеличение интенсивности сигнала КРС от твердого раствора Ge−Si с ростом плотности энергии лазерных импульсов. Это отличие можно объяснить тем, что для длины волны 694 nm коэффициенты поглощения a-Ge : H и a-Si : H составляют 88 000 [12] и 47 400 cm −1 [13], что, напротив, может привести к значительному нагреву слоев с последующим их смешиванием.…”

Вертикальное упорядочение аморфных нанокластеров Ge в многослойных гетероструктурах a-Ge/a-Si:H

“…Внедрение наночастиц германия и олова в нелегированный слой p−i−n-структур на основе пленок аморфного и микрокристаллического кремния позволяют повысить КПД солнечных элементов [6][7][8][9] и расширить спектр поглощения в длинноволновой области для солнечных элементов и фотодиодов [10]. Для создания подобных структур на широкоформатных нетугоплавких подложках используются плазмохимические методы осаждения и последующие импульсные лазерные отжиги [11]. Известно, что различие постоянных решеток германия и кремния играет большую роль в механизмах самоорганизации наноструктур (квантовых точек) германия [2, 12,13].…”