文摘

我们已经优化的非晶硅锗薄膜的沉积条件与嵌入纳米晶体等离子体增强化学气相沉积(PECVD) "反应堆,在一个标准的工作频率为13.56 MHz。的目标是生产电影非常大的电阻温度系数(TCR),这是一个签名热探测器的灵敏度(微型测辐射热仪)。形态、电气和光学特性进行的电影,我们发现最优条件获得电影具有很高的热阻力系数(TCR值K = 7.9%⁻¹)。我们的结果表明,非晶硅锗薄膜嵌入纳米晶体可以作为热敏的电影在高性能红外焦平面阵列(平面芯片)用于商业热相机。

1。介绍

探测器和红外焦平面阵列(平面芯片),也称为热探测器(或热)成就,被用于各种各样的应用程序作为工业、医疗、安全、监控、和军事1- - - - - -4]。感温探测器,红外(IR)事件由热敏的辐射吸收材料,导致其物理性质的改变,用于获得一个电信号输出。在热探测器,thermosensing材料必须有高灵敏度的温度和硅(Si) CMOS兼容标准的制造过程中,低成本制造和集成与Si CMOS读出集成电路(ROIC)。

的温度灵敏度是由材料的电阻温度系数(TCR),与活化能()的材料(1),波尔兹曼常数和吗温度:

到目前为止,非晶态半导体热敏的材料被广泛应用于商业微型测辐射热仪阵列(平面芯片)。这些材料有优于其他热敏的材料,因为它们与标准兼容的硅CMOS技术和高细胞受体)和高值。

在这方面,硅:H直接带隙(1.6 - -1.8 eV),高活化能(电动汽车),和非常高的热阻力系数K (TCR =−10%⁻¹),也有一个非常高的室温电阻率(~ 10⁹Ωcm)不相容的硅CMOS ROIC输入阻抗。

为了减少硅的高阻:H,硼掺杂已经使用。硼掺杂硅:H电影有一个改进的室温电导率()在几个数量级,还显示高减少(0.22 eV)和细胞受体(−2.8% K⁻¹)[5,6]。尽管上面,晶硅:H、B微型测辐射热仪采用红外传感膜已经包含在非常大的平面芯片(1024×768)(4,6,7]。最近,BCl的控制₃/硅₄气体流速在晶硅:H、B电影沉积PECVD已经证明",为了提高TCR值一样大−3.9% K⁻¹(7]。

中使用的其他材料,热探测器是氧化钒(),是第一个材料用于高性能微型测辐射热仪,由于其相对较高的TCR−2% K⁻¹(8];然而,这种材料与硅CMOS技术不兼容。

非晶锗硅氧化物()由射频溅射沉积也报道了大TCR−4.8% K值⁻¹(9)和半导体钡铜氧化钇(氧)研究了红外传感薄膜,用大型TCR值−3.4% K⁻¹(10]。

最近,纳米电影用很大的TCR值在微型测辐射热仪已报告−5.6% K⁻¹(11]。然而,这种材料也与硅CMOS工艺兼容,这限制了其公司在非常大的平面芯片基于硅CMOS技术。

另一方面,尽管非晶半导体硅:H, B是红外传感材料的选择在最发达的平面芯片,他们由于其固有的一些缺点在带隙态密度高,高密度的缺陷,可怜的交通特性,对辐射稳定性差(12]。

最近,与嵌入式非晶态半导体纳米晶体的生产已经证明;这些材料被引用作为多功能的半导体、多形态的硅(pm-Si: H) [12- - - - - -15),主要研究应用于薄膜太阳能电池。嵌入在非晶纳米晶体的存在矩阵对材料特性的影响,减少了态密度和缺陷以及对辐射传输特性的改善与稳定。此外,多功能的半导体保护非晶态半导体的特点是直接带隙,高细胞受体),高(12,13]。

多功能的半导体几乎没有用于热检测应用程序;然而,他们都是优秀的候选人作为thermosensing材料在商业平面芯片的高性能微型测辐射热仪。在我们之前的工作中,我们已经表明,它可以生产:H薄膜在低频等离子体增强化学汽相淀积(LF-PECVD)反应堆在110 KHz,使用硅₄和GeH₄作为前体气体(16]。然而,一种LF-PECVD技术不是在微电子行业标准,而且在这种技术,由于其低频率,等离子体中的离子有贡献和沉积薄膜的性质可以影响。等离子体中的离子可以帮助更有效地分离活性物种,也可以产生损害在影片中,由于离子轰击。因此,结果得到LF-PECVD PECVD反应堆"不能重现在标准工作13.56 MHz的射频(RF),这是用于微电子工业。

在目前的工作中,我们研究了沉积:H薄膜RF-PECVD反应堆工作频率为13.56 MHz。此外,我们研究了影响最重要的沉积参数(沉积压力和硅₄/ GeH₄流量比率)电气、形态、和光学特征的电影,与客观生产电影非常大和细胞,维护一个温和的电阻率。

2。实验

我们研究了燃烧室压力和硅氮的影响₄/ GeH₄流动比率的热灵敏度(TCR)和产生的电影。两个系列的硅(Si)锗(Ge)电影存入一个工业兼容的容性耦合PECVD反应堆(从MVSystem Inc .)在"标准的无线电频率为13.56 MHz,功率密度为86 mW /厘米²衬底温度(200°C),三种不同燃烧室压力值(500毫托,1000毫托,1200毫托)。

系列的电影# 1沉积前体气体流速的H₂= 110 sccm,硅₄= 50 sccm, GeH₄= 50 sccm(导致硅₄/ GeH₄= 1),而电影系列# 2沉积前体气体流速的H₂= 110 sccm,硅₄= 90 sccm, GeH₄= 10 sccm(导致硅₄/ GeH₄= 9)。请注意,硅₄和GeH₄被稀释10%用于H₂,因此H₂稀释高(H₂/(硅₄+ GeH₄)= 20)。

用于两个系列的沉积条件表进行了总结1。系列电影都是在各种类型的基质沉积电气、结构和成分特征。电影口供康宁玻璃上同时进行2974年,1737年康宁玻璃,康宁玻璃2974钛金属接触,和高电阻率的硅基质。

原子力显微镜(AFM Nanosurf容易扫描2.3)被用来分析电影的表面粗糙度,从而确定可能出现的制备提出了表面的电影。大表面粗糙度的纳米晶体的存在,甚至在影片的大部分微晶核(17]。

除了AFM表征,超高分辨率场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)被用来分析薄膜表面和横向结构的电影,以AFM结果相关联。

可见-紫外透光率进行了测量在一个优秀的λ3 b光谱仪,在200 - 900纳米的范围。这些测量是为了确定执行沉积薄膜的光学参数,消光系数()和光学带隙()。

电影也分析了傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪(力量、矢量22);红外光谱测量进行分析沉积薄膜的分子组成。对于测量电导率的温度依赖性,样本被放置在一个恒温器的压力30毫托。温度控制器(331温度控制器,湖岸)被用来调整样品的温度。温度变化从300 K到400 K, 10 K的步骤。在每一个步骤,温度测量是获取电流电压特征(())的电影。有了这个特性,我们获得的值、识别和导电性在室温下()。

3所示。结果与讨论

原子力显微镜(AFM)进行测量以描述表面粗糙度()的两个系列电影。图1显示的依赖与沉积压力这两部电影系列中,我们可以看到大电影中沉积压力在1000毫托- 1200毫托的范围。平均表面粗糙度从统计分析获得了扫描面积4μm×4μ表面的电影。

图2表明AFM薄膜表面的3 d图像对应沉积压力500毫托,1000毫托,和1200毫托,两个系列。图中可以看出电影沉积在500毫托有平坦表面的压力比电影(和更低的粗糙度)沉积在1000毫托和1200毫托。在这方面,重要的是要强调,AFM技术用于关联表面粗糙度在大部分纳米晶体的存在。大相关的微/纳米晶体嵌入到非晶网络。约4海里(更高)的纳米晶体的存在表明非晶矩阵(17];然而,这种技术本身是不够的完全确定散装材料的组成结构。

图3显示了一个超高分辨率FE-SEM电影(表面的图像大约5海里);图中存在Si-Ge束约50纳米的大小。在图4,HRTEM横截面视图显示相同的电影,这是沉积在康宁玻璃(一条线画的分离膜衬底)。几种纳米晶体的大小约2 nm-3纳米标记的插图也包括2纳米晶体的放大图像。上述分析与AFM结果一致,表明影片的多形态的本质。

图5显示了沉积速率()作为沉积压强的函数:H系列电影。系列# 1,在0.79 A / s - 2.72 / s,同时,对系列# 2,范围是在1 A / s - 1.5 A / s。系列# 1,最大的得到的薄膜沉积在1200毫托燃烧室压力,同时,对系列# 2,最大的获得了1000年电影沉积在燃烧室压力毫托。已经观察到沉积率高与大型水晶分数在微晶片(18]。这是有关这一事实,影片中,氧合并降低,血浆和纳米晶体的形成是晋升。

可见-紫外透光率进行测量确定带隙()的电影:H。透光率的测量,我们获得一个数据文件,处理使用彪马(逐点的无约束极小化方法)。电影的特点的软件提供信息与透光率测量数据(19]。获得重要的数据从彪马是消光系数(),这是转换为吸收系数()

图6显示了Tauc系列的情节电影:H。我们可以确定从Tauc情节,提取的线性外推的情节走向能源轴的一部分,和拦截显示的电影。系列电影的# 1,值范围在1.2 eV - 1.28 eV,, # 2的电影系列,值范围在1.37 eV - 1.66 eV。上面是Si和通用电气内容相关的电影;# 1系列,通用电气内容大于系列# 2(由于GeH更大₄流量用于沉积)。在这方面,据报道,非晶硅锗薄膜(a-SiGe: H)硅的流量比₄/ GeH₄= 1的结果在电影与坚实的锗浓度约为85%,而流量硅氮的比例₄/ GeH₄= 9导致电影与固体锗浓度约为45%;分析了使用二次离子质谱(SIMS) [20.]。

电影也与红外光谱分光光度计分析,它提供了一系列的吸光度(或透光率)在任意单位。在图7,我们观察两个系列的吸收光谱:H电影从400厘米不等⁻¹到2200厘米⁻¹。可以看出这两个红外光谱光谱非常相似;最相关峰的光谱如下所述。

在该地区的500厘米之间⁻¹和700厘米⁻¹有两个高峰集中在560厘米⁻¹在640厘米⁻¹Ge-H相关和Si-H弯曲振动模式,分别为(21]。峰值接近735厘米⁻¹有关Ge-O债券,而峰值附近885厘米吗⁻¹有关Si-H债券。近960厘米⁻¹有一个相关峰Ge-O债券和1100厘米⁻¹有一个相关峰Si-O债券。终于接近2000厘米⁻¹有一个峰值归因于Si-H拉伸模式。所有这些光谱峰存在。

1880厘米附近的吸收峰⁻¹是由于Ge-H的伸缩振动20.];这个峰值只出现在光谱的电影系列# 1,表明更高的通用内容比电影系列(# 2)。上面是在协议与带隙分析(Tauc情节)和大GeH₄流量用于沉积系列# 1。

在图8的依赖作为一个在一系列沉积压强的函数:H电影显示,观察到大电影中沉积压力在1000毫托- 1200毫托的范围。上面的结果是很有趣的,因为它表明,沉积压力,在这个范围内,促进电影更好的结构秩序,由于纳米晶体的存在,这些纳米晶体在电影提高电子迁移率(),因此。

在图8,也观察到# 1(硅系列的电影₄/ GeH₄= 1)大近两个数量级对# 2(硅系列的电影₄/ GeH₄= 9),这是与GeH有关₄流量用于沉积(通用电气和更高的内容)。

我们测量电导率的温度依赖性,,在这两个系列的如图:H电影9。我们确定从ln(电导率)与阿列纽斯曲线。  的电导率有关(3),在(重写4),表达的形式。然后,通过拟合直线的曲线,其斜率计算如下:

图10显示和识别一系列的沉积压力的函数电影:H。系列# 1,获得的最大价值电动汽车和TCR = 5.9% K⁻¹同时,系列# 2,获得的最大的价值电动汽车和TCR = 7.9% K⁻¹。上述有关的电影系列# 2和较大的硅沉积₄流量(因此有较大Si内容)的电影系列# 1。

最后,在研究了沉积压力和硅氮的影响₄/ GeH₄流量比的特点:H的电影,我们可以得出这样的结论:大压力值(1000毫托- 1200毫托)适用于非晶薄膜的纳米晶体的形成,提高其稳定性和电特性。另一方面,根据硅₄/ GeH₄流量比率用于薄膜沉积,可以生产薄膜TCR值K的4.3%⁻¹-7.9% K⁻¹,主持。上述特征是更好的比晶硅:H、B电影用于商业平面芯片。

4所示。结论

在这项工作中,我们研究了非晶硅锗薄膜的沉积和表征与嵌入纳米晶体(:H)。我们学习了电影特征沉积参数的影响下燃烧室压力和流量比率(硅前体气体₄/ GeH₄)。我们得出的结论是,有一个最佳沉积压力,促进形成非晶态纳米晶体的电影(1000毫托- 1200毫托)和对电影的电特性和稳定性的影响。另一方面,通过改变硅₄/ GeH₄流量比,可以有所不同的电影(约两个数量级),以及4.3%的细胞在K⁻¹-7.9% K⁻¹。

最后,我们得出结论,:H电影优势基于硼掺杂非晶薄膜硅:H,由于他们非常大的TCR值减少的值由于剪裁的可能性,此外,这些特征来满足特定需求。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。