Deliverables and Services - IHP Microelectronics

Lichtinduzierte Kristallisation von
a-Si/SiO 2 -Nanostrukturen
A U S G E w ä H L T E P R O J E K T E – S E L E C T E d P R O J E C T S
Unser Ziel war es, eine möglichst vollständige Umwandlung
von amorphen Si-Schichten (a-Si) in nanokristalline
Si-Schichten (nc-Si) für multiple Si / SiO 2 -Quantentopf-Strukturen
(MQW), die mittels PCVD abgeschieden
wurden, zu erreichen.
Nanostrukturen aus Si stellen Grundelemente für eine
zukünftige Elektronik, Photonik und Photovoltaik dar.
Durch Ausnutzung des sogenannten Quanten-Confinement
in Nanostrukturen lässt sich beispielsweise die
Bandstruktur von Halbleitern beeinflussen, wodurch die
elektrischen und optischen Eigenschaften einstellbar
werden. Quantentopf-Strukturen (MQW) aus alternierenden
Si- und SiO 2 -Schichten auf Substrat wurden an
der RWTH Aachen abgeschieden. Nach der Abscheidung
der MQW waren die Si-Schichten amorph. Da jedoch der
Grad der Kristallinität dieser Schichten über ihre Nutzbarkeit
entscheidet, sind nachträgliche Behandlungen
erforderlich, um die a-Si-Schichten in nc-Si-Schichten
zu verwandeln. Konventionelle Wärmebehandlungen
wie Ofentemperung, RTA und Laserausheilung oder deren
Kombination erlaubten aufgrund der unterschiedlichen
thermo-physikalischen Eigenschaften keine vollständige
Umwandlung der a-Si- in c-Si-Schichten.
Die von uns entwickelte neue Kristallisationsmethode
macht sich die selektive Wirkung von Licht mit spezieller
Wellenlänge und Leistungsdichte in den a-Si-Schichten
zu Nutze. Diese Wirkung basiert auf der erhöhten Absorption
des Lichtes im Wellenlängenbereich 400-600
nm in den a-Si-Schichten, im Vergleich zu nanokristallinem
Si, SiO 2 und Substrat (Abb. 38). Das in den a-Si-
Schichten absorbierte Licht verursacht einen fest-fest
Phasenübergang, d.h. a-Si wird in nc-Si transformiert.
Dadurch wird die Lichtabsorption in den MQW stark reduziert
(negative Rückkopplung) und die Gesamtaufheizung
des Systems verringert. Als Folge der negativen
Rückkopplung kommt es nicht zum Aufschmelzen des
Si, wodurch eine schädliche Druckverspannung im MQW-
System vermieden wird.
Light Induced Crystallization of
Amorphous Si / SiO 2 Nanostructures
our goal was to achieve a complete conversion of
amorphous Si (a-Si) to nano-crystalline Si (Si-nc)
in pCVD deposited Si / Sio 2 multiple quantum wells
(MQW).
Silicon nano-structures will be basic elements for
future electronics, photonics, and photovoltaics.
utilizing the carrier quantum confinement effects in
nano-assembly one can design the band structure of
the resulting semiconductor and tune its electrical
and optical properties. MQW containing alternating
Si and Sio 2 layers deposited on a substrate were fabricated
by RWtH Aachen. After deposition Si layers in
the MQW are amorphous. Since the degree of crystallization
is critical for the performance of the devices,
additional treatments should convert a-Si to Si-nc.
Conventional heat treatments, i.e. furnace annealing,
RtA, laser annealing or their combinations did
not allow complete conversion of a-Si to Si-nc due to
differences in thermo-physical properties of the MQW
components.
the proposed crystallisation method utilizes the selective
heat impact on a-Si by light of special wavelength
and power density. this effect is based on the
enhanced absorption of light in a-Si in the wavelength
range 400-600 nm in comparison with Si-nc, Sio 2 and
the substrate (Fig. 38). light absorbed in a-Si layers
causes solid-to-solid, i.e. a-Si to Si-nc phase transition.
the transition itself leads to strong reduction
of the light absorption in MQW (negative feedback),
thus reducing overall further heating of the system.
Due to the negative feedback the melting conditions
for the Si are not reached, preventing appearance of
detrimental compressive stresses in the MQW system.
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