Нестехіометричний оксид кремнію SiOx (x < 2)
Анотація
Огляд присвячено аналізу експериментально і теоретично отриманих даних щодо методів синтезу, структури та властивостей нестехіометричного оксиду кремнію SiOx (x<2) в широкому діапазоні вмісту кисню. Описано основні області застосування субоксиду кремнію в мікро- та оптоелектроніці, зокрема, при виготовленні сонячних елементів. Розглянуто переваги та недоліки основних теоретичних моделей, що використовуються при дослідженні властивостей SiOx матеріалів – моделі випадкових зв'язків і моделі випадкових сумішей. Показано, що жодна з цих моделей не дозволяє відтворити положення лінії Si2p-остовного рівня зразків SiOx при різних значеннях x в експериментально отриманому фотоелектронному спектрі. Описана також так звана проміжна модель, результат застосування якої дає наочну двовимірну картину елементного складу поверхні та залежність положень дна зони провідності і верхнього рівня валентної зони зразків SiOx. Отримано і проаналізовано ІЧ-спектри різних зразків SiOx, що дозволило використовувати коливальну спектроскопію для встановлення їхніх структурних особливостей і визначення концентрації кисню в них. Проаналізовано енергетичні ефекти реакцій диспропорціонування Si2+ + Si2+ → Si+ + Si3+ та Si+ – Si3+ → Si0 – Si4+, в межах яких з'являється можливість пояснити механізм утворення нанокластерів кремнію в об'ємній фазі SiOx. Результати розрахунків методом теорії функціоналу густини показали, що тетраедричне оточення атома Силіцю атомами Si стає можливим лише при наявності понад 5 цих атомів в кластері.
Посилання
1. Dabrowski J., Mussig H.-J. Silicon Surfaces and Formation of Interfaces: Basic Science in the Industrial World. (Singapore: World Scientific, 2000). https://doi.org/10.1142/3615
2. Philipp H. Optical properties of non-crystalline Si, SiO, SiOx and SiO2. J. Phys. Chem. Solids. 1971. 32(8): 1935. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(71)80159-2
3. Novikov Yu.N., Gritsenko V.A. Large-scale potential fluctuations caused by SiOx compositional inhomogeneity. Phys. Solid State. 2012. 54(3): 493. [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S1063783412030201
4. King S.W., Bielefeld J., Xu G., Lanford W.A., Matsuda Y., Dauskardt R.H., Kim N., Hondongwa D., Olasov L., Daly B., Stan G., Liu M., Dutta D., Gidley D. Influence of network bond percolation on the thermal, mechanical, electrical and optical properties of high and low-k a-SiC:H thin films. J. Non-Cryst. Solids. 2013. 279: 67. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2013.07.028
5. Fujiwara H., Kaneko T., Kondo M. Application of hydrogenated amorphous silicon oxide layers to c-Si heterojunction solar cells. Appl. Phys. Lett. 2007. 91(13): 133508. https://doi.org/10.1063/1.2790815
6. Ding K., Aeberhard U., Finger F., Rau U. Silicon heterojunction solar cell with amorphous silicon oxide buffer and microcrystalline silicon oxide contact layers. Phys. Status. Solidi. RRL. 2012. 6(5): 193. https://doi.org/10.1002/pssr.201206030
7. Nakada K., Miyajima S., Konagai M. Amorphous silicon oxide passivation films for silicon heterojunction solar cells studied by hydrogen evolution. Jpn. J. Appl. Phys. 2014. 53(4S): 04ER13. https://doi.org/10.7567/JJAP.53.04ER13
8. Sriprapha K., Piromjit C., Limmanee A., Sritharathikhun J. Development of thin film amorphous silicon oxide/microcrystalline silicon double-junction solar cells and their temperature dependence. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2011. 95: 115. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2010.05.010
9. Hishida M., Sekimoto T., Terakawa A. Designing band offset of a-SiO:H solar cells for very high open-circuit voltage (1.06 V) by adjusting band gap of p–i–n junction. Jpn. J. Appl. Phys. 2014. 53(9): 092301. https://doi.org/10.7567/JJAP.53.092301
10. Wang S., Smirnov V., Chen T., Holländer B., Zhang X., Xiong S., Zhao Y., Finger F. Effects of oxygen incorporation in solar cells with a-SiOx:H absorber layer. Jpn. J. Appl. Phys. 2015. 54(1): 011401. https://doi.org/10.7567/JJAP.54.011401
11. Gavryliuk O.O., Semchuk O.Yu., Lytovchenko B.V. Theoretical and experimental investigations of laser annealing non-stoichiometric SiOx films. Physics and Chemistry of Solid State. 2015. 16(4): 675.
12. Khriachtchev L., Rasanen M., Novikov S., Sinkkonen J. Optical gain in Si/SiO2 lattice: Experimental evidence with nanosecond pulses. Appl. Phys. Lett. 2001. 79(9): 1249. https://doi.org/10.1063/1.1391406
13. Ng C.Y., Chen T.P., Tse M.S., Lim V.S.W., Fung S., Tseng A.A. Influence of silicon-nanocrystal distribution in SiO2 matrix on charge injection and charge decay. Appl. Phys. Lett. 2005. 86(15): 152110. https://doi.org/10.1063/1.1901831
14. Sarma S.D., Sousa R, Hu X., Koiller B. Spin quantum computation in silicon nanostructures. Solid State Commun. 2005. 133(11): 737. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2004.12.037
15. Gritsenko V.A., Tyschenko I.E., Popov V.P., Perevalov T.V. Dijelektriki v nanojelectronike. (Novosibirsk: CO RAN, 2010) [in Russian].
16. López J.A.L., López J.C., Valerdi D.E., Salgado G.G., Díaz-Becerril T., Pedraza A.P., Gracia F.J.F. Morphological, compositional, structural, and optical properties of Si-nc embedded in SiOx films. Nanoscale Res. Lett. 2012. 7: 604. https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-604
17. Hübner K. Chemical bond and related properties of SiO2. VII. Structure and electronic properties of the SiOx region of Si–SiO2 interfaces. Phys. Status Solidi A. 1980. 61(2): 665. https://doi.org/10.1002/pssa.2210610241
18. Iftiquar S.M. Structural studies on semiconducting hydrogenated amorphous silicon oxide films. High Temp. Mater. Processes. 2002. 6(1): 40. https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.v6.i1.40
19. Shallenberger J.R. Determination of chemistry and microstructure in SiOx (0.1<x<0.8) films by x-ray photoelectron spectroscopy. Journal of Vacuum Science & Technology A. 1996. 14(3): 693. https://doi.org/10.1116/1.580373
20. Carrier P., Abramovici G., Lewis L.J., Dharma-Wardana M.W.C. Electronic and Optical Properties of Si/SiO2 Superlattices from First Principles: Role of Interfaces. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2001. 677: AA4.10.1.
21. Gritsenko V.A. Stroeniye i elektronnaya struktura amorfnykh dielektrikov v kremniyevykh MDP strukturakh. (Novosibirsk: Izdatelstvo «Nauka» Sibirskoe otdeleniye, 1993) [in Russian].
22. Gritsenko V.A. Atomnaya struktura amorfnykh nestekhiometricheskikh oksidov i nitridov kremniya. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2008. 178(7): 727. [in Russian].
23. Barranco A., Yubero F., Espinos J.P., Holgado J.P., Caballero A., Gonzalez-Elipe A.R., Mejias J.A. Structure and chemistry of SiOx (x<2) systems. Vacuum. 2002. 67(3–4): 491. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(02)00218-X
24. Novikov Yu.N., Gritsenko V.A. Short-range order in amorphous SiOx by x-ray photoelectron spectroscopy. J. Appl. Phys. 2011. 110: 014107. https://doi.org/10.1063/1.3606422
25. Gritsenko V.A., Zhuravlev K.S., Nadolinnyy V.A. Kvantovaniye elektronnogo spektra i lokalizatsiya elektronov i dyrok v kremniyevykh kvantovykh tochkakh. Fizika tverdogo tela. 2011. 53(4): 803 [in Russian].
26. Tomozeiu N., Hapert J.J., Faassen E.E., Arnoldbik W. Structural properties of a-SiOx layers deposited by reactive sputtering technique. J. Optoelectron. Adv. Mater. 2002. 4(3): 513.
27. Zacharias M., Drusedau T., Panckow A., Freistedt H., Garke B. Physical properties of α-SiOx:H alloys prepared by dc magnetron sputtering with water vapour as oxygen source. J. Non- Cryst. Solids. 1994. 169(1–2): 29. https://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90221-6
28. Kim B.-H., Kim G., Park K., Shin M., Chung Y.-C., Lee K.-R. Effects of suboxide layers on the electronic properties of Si(100)/SiO2 interfaces: Atomistic multi-scale approach. J. Appl. Phys. 2013. 113: 073705. https://doi.org/10.1063/1.4791706
29. Bondi R.J., Lee S., Hwang G.S. First-principles study of the mechanical and optical properties of amorphous hydrogenated silicon and silicon-rich silicon oxide. Phys. Rev. B. 2010. 81(19): 195207. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.195207
30. Lee S., Bondi R.J., Hwang G.S. Ab initio parameterized valence force field for the structure and energetics of amorphous SiOx (0 < x < 2) materials. Phys. Rev. B. 2011. 84: 045202. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.045202
31. Korkin A., Bartlett R.J., Karasiev V., Greer J.C., Henderson T.M., Bersuker G. Computational design of silicon suboxides: chemical and mechanical forces on the atomic scale. J. Comput.-Aided Mater. Des. 2006. 13: 185. https://doi.org/10.1007/s10820-006-9010-4
32. Burlakov V.M., Briggs G.A.D., Sutton A.P. Monte Carlo simulation of growth of porous SiOx by vapor deposition. Phys. Rev. Lett. 2001. 86(14): 3052. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.3052
33. Yu D., Lee S., Hwang G.S. On the origin of Si nanocrystal formation in a Si suboxide matrix. J. Appl. Phys. 2007. 102: 084309. https://doi.org/10.1063/1.2800268
34. Kirichenko T.A., Yu D., Banerjee S.K., Hwang G.S. Silicon interstatials at Si/SiO2 interfaces: Density functional calculation. Phys. Rev. B. 2005. 72(3): 035345. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.035345
35. Korkin A., Greer J.C., Bersuker G., Karasiev V.V., Bartlett R.J. Computational design of Si/SiO2 interfaces: Stress and strain on the atomic scale. Phys. Rev. B. 2006. 73(16): 165312. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.165312
36. Bongiorno A., Pasquarello A. Oxygen diffusion through the disordered oxide network during silicon oxidation. Phys. Rev. Lett. 2002. 88(12): 125901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.125901
37. Zhang R.Q., Zhao M.W., Lee S.T. Silicon monoxide clusters: The favorable precursors for forming silicon nanostructures. Phys. Rev. Lett. 2004. 93(9): 095503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.095503
38. Muller T., Heinig K.-H., Moller W. Nanocrystal formation in Si implanted thin SiO2 layers under the influence of an absorbing interface. Mater. Sci. Engin. B. 2003. 101(1–3): 49. https://doi.org/10.1016/S0921-5107(02)00711-0
39. Zverev A.V., Neizvestnyy I.G., Shvarts N.L. Reshetochnaya Monte-Karlo model SiOx-sloev. Rossiyskiye nanotekhnologii. 2008. 3(5–6): 175. [in Russian].
40. Beyer V., Borany J., Heinig K.-H. Dissociation of Si+ ion implanted and as-grown thin SiO2 layers during annealing in ultra-pure neutral ambient by emanation of SiO. J. Appl. Phys. 2007. 101(5): 053516. https://doi.org/10.1063/1.2436834
41. Mikhantev E.A., Neizvestnyy I.G., Usenkov S.V. Modelirovaniye protsessa formirovaniya nanoklasterov kremniya pri otzhige SiOx-sloev. Avtometriya. 2011. 47(5): 88. [in Russian].
42. Mikhantev E.A., Neizvestnyy I.G., Usenkov S.V. Vliyaniye monooksida kremniya na protsess formirovaniya kremniyevykh nanoklasterov (modelirovaniye metodom Monte-Karlo). Fizika i tekhnika poluprovodnikov. 2014. 48(7): 917. [in Russian].
