Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН

А. Н. Карпов, С. В. Усенков, Н. Л. Шварц

Новосибирский государственный технический университет

Е. А. Михантьев

Изучен процесс формирования нанокластеров кремния при отжиге одиночных слоев состава SiO и слоистых структур SiO₂—SiO—SiO₂ и осаждении кремния на поверхность диоксида кремния. Предложена кинетическая Монте—Карло−модель формирования нанокластеров кремния при высокотемпературном отжиге слоев SiO_x нестехиометрического состава, учитывающая процессы образования и распада монооксида кремния. Установлено, что при отжиге слоистых структур SiO₂—SiO—SiO₂ на размеры нанокластеров, помимо температуры и длительности отжига, влияла и толщина слоя SiO. С помощью моделирования показано, что важную роль в процессе формирования нанокластеров играет газообразный монооксид кремния, образующийся в системе Si—SiO₂ при высоких температурах. Монооксид определяет и особенности формирования 3D−островков кремния при осаждении кремния на поверхность диоксида кремния.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 11−02−00045) и в рамках проекта «Механизмы роста и характеристики Si и Si/Ge−нановискеров» по программе фундаментальных исследований Президиума РАН № 21.30.

1. Khriachtchev, L. Optical gain in Si/SiO₂ lattice: Experimental evidence with nanosecond pulses / L. Khriachtchev, M. Rasanen, S. Novikov, J. Sinkkonen // Appl. Phys. Lett. − 2001. − V. 79, N 9. − P. 1249−51.
2. Pavesi, L. Optical gain in silicon nanocrystals / L. Pavesi, L. DalNegro, C. Mazzoleni, G. Franzo, F. Priolo // Nature. − 2000. − V. 408. − P. 440—444.
3. Torchynskaa, T. V. Photoluminescence and structure investigations of Si nanocrystals in amorphous silicon matrix / T. V. Torchynskaa, A. Vivas Hernandeza, Ya. Matsumoto, L. Khomenkovac, L. Shcherbina // J. Non−Crystalline Solids. − 2006. − V. 352. − P. 1188—1191.
4. Ng, C. Y. Influence of silicon−nanocrystal distribution in SiO₂ matrix on charge injection and charge decay / C. Y. Ng, T. P. Chen, M. S. Tse, V. S. W. Lim, S. Fung, A. A. Tseng // Appl. Phys. Lett. − 2005. − V. 86, N 15. − P. 152110 (1—3).
5. Das Sarma, S. Spin quantum computation in silicon nanostructures / S. Das Sarma, R. de Sousa, X. Hu, B. Koiller // Solid State Commun. − 2005. − V. 133, N 11. − P. 737—746.
6. Kachurin, G. A. Visible and near−infrared luminescence from silicon nanostructures formed by ion implantation and pulse annealing / G. A. Kachurin, I. E. Tysenko, K. S. Zhuravlev, N. A. Pazdnikov, V. A. Volodin, A. K. Gutakovsky, A. F. Leier, W. Skorupa, R. A. Yankov // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. B. − 1997. − V. 122, N 3. − P. 571—574.
7. Beyer, V. Dissociation of Si⁺ ion implanted and as−grown thin SiO₂ layers during annealing in ultra−pure neutral ambient by emanation of SiO / V. Beyer, J. von Borany, K.−H. Heinig // J. Appl. Phys. − 2007. − V. 101, N 5. − P. 053516 (1—6).
8. Tong, S. Study of photoluminescence in nanocrystalline silicon/amorphous silicon multilayers / S. Tong, X.−N. Liu, X.−M. Bao // Appl. Phys. Lett. − 1995. − V. 66, N 4. − P. 469 (1—3).
9. Dovrat, M. Radiative versus nonradiative decay processes in silicon nanocrystals probed by time−resolved photoluminescence spectroscopy / M. Dovrat, Y. Goshen, J. Jedrzejewski, I. Balberg, A. Sa`ar // Phys. Rev. B. − 2004. − V. 69, N 15. − P. 155311 (1—8).
10. Карпов, А. Н. Формирование SiO_x−слоев при плазменном распылении Si− и SiO₂−мишеней / А. Н. Карпов, Д. В. Марин, В. А. Володин, J. Jedrzejewski, Г. А. Качурин, E. Savir, Н. Л. Шварц, З. Ш. Яновицкая, I. Balberg, Y. Goldstein // Физика и техника полупроводников. − 2008. − Т. 42, № 6. − С. 753—758.
11. Comedi, D. X−ray−diffraction study of crystalline Si nanocluster formation in annealed silicon−rich silicon oxides / D. Comedi, O. H. Y. Zalloum, E. A. Irving, J. Wojcik, T. Roschuk, M. J. Flynn, P. Mascher // J. Appl. Phys. − 2006. − Т. 99, № 2. − P. 023518 (1—8).
12. Tsoukalas, D. Diffusivity measurements of silicon in silicon dioxide layers using isotopically pure material / D. Tsoukalas, C. Tsamis, P. Normand // Ibid. − 2001. − V. 89, N 12. − P. 7809—7813.
13. Fukatsu, S. Effect of the Si/SiO₂ interface on self−diffusion of Si in semiconductor−grade SiO₂ / S. Fukatsu, T. Takahashi, K. M. Itoh, M. Uematsu, A. Fujiwara, H. Kageshima, Y. Takahashi, K. Shiraishi, U. Gösele // Appl. Phys. Lett. − 2003. − V. 83, N 19. − P. 3897—3899.
14. Furukawa, K. Observation of Si cluster formation in SiO₂ films through annealing process using X−ray photoelectron spectroscopy and infrared techniques / K. Furukawa, Y. Liu, H. Nakashima, D. Gao, K. Uchino, K. Muraoka, H. Tsuzuki // Ibid. − 1998. − V. 72, N 6. − P. 725—727.
15. Vinciguerra, V. Quantum confinement and recombination dynamics in silicon nanocrystals embedded in Si/SiO₂ superlattices / V. Vinciguerra, G. Franzo, F. Priolo, F. Iacona, C. Spinella // J. Appl. Phys. − 2000. − V. 87, N 11. − P. 8165 (1—9).
16. Zacharias, M. Size−controlled highly luminescent silicon nanocrystals: A SiO—SiO₂ superlattice approach / M. Zacharias, J. Heitmann, R. Scholz, U. Kahler, M. Schmidt, J. Blasing // Appl. Phys. Lett. − 2002. − V. 80, N 4. − P. 661 (1—3).
17. Jambois, O. Influence of the annealing treatments on the luminescence properties of SiO/SiO₂ multilayers / O. Jambois, H. Rinnert, X. Devaux, M. Vergnat // J. Appl. Phys. − 2006. − V. 100, N 12. − P. 123504 (1—6).
18. Shklyaev, A. A. Three−dimensional Si islands on Si(001) surfaces / A. A. Shklyaev, M. Ichikawa // Phys. Rev. B. − 2001. − V. 65, N 4. − P. 045307 (1—6).
19. Shklyaev, A. A. Photoluminescence of Si layers grown on oxidized Si surfaces / A. A. Shklyaev, Y. Nakamura, M. Ichikawa // J. Appl. Phys. − 2007. − V. 101, N 3. − P. 033532 (1—5).
20. Guerra, R. Size, oxidation, and strain in small Si/SiO₂ nanocrystals / R. Guerra, E. Degoli, S. Ossicini // Phys. Rev. B. − 2009. − V. 80, N 15. − P. 155332 (1—5).
21. Zhang, R. Q. Silicon monoxide clusters: the favorable precursors for forming silicon nanostructures / R. Q. Zhang, M. W. Zhao, S. T. Lee // Phys. Rev. Lett. − 2004. − V. 93, N 9. − P. 095503 (1—4).
22. Kirichenko, T. A. Silicon interstitials at Si/SiO₂ interfaces: Density functional calculations / T. A. Kirichenko, D. Yu, S. K. Banerjee, G. S. Hwang // Phys. Rev. B. − 2005. − V. 72, N 3. − P. 035345 (1—6).
23. Boero, M. Free energy molecular dynamics simulations of pulsed laser irradiated SiO₂: Si—Si— bond formation in a matrix of SiO₂ / M. Boero, A. Oshiyama, P. L. Silvestrelli, K. Murakami // Appl. Phys. Lett. − 2005. − V. 86, N 20. − P. 201910 (1—3).
24. Chu, T. S. Geometric and electronic structures of silicon oxide clusters / T. S. Chu, R. Q. Zhang, H. F. Cheung // J. Phys. Chem. B. − 2001. − V. 105, N 9. − P. 1705—1709.
25. Зверев, А. В. Решеточная Монте—Карло−модель SiO_x−слоев / А. В. Зверев, И. Г. Неизвестный, Н. Л. Шварц, З. Ш. Яновицкая // Российские нанотехнологии. − 2008. − Т. 3, № 5–6. − С. 175—185.
26. Zimina, A. Electronic structure and chemical environment of silicon nanoclusters embedded in a silicon dioxide matrix / A. Zimina, S. Eisebitt, W. Eberhardt, J. Heitmann, M. Zacharias // Appl. Phys. Lett. − 2006. − V. 88, N 16. − P. 163103 (1—3).
27. Зверев, А. В. Монте—Карло моделирование процессов роста наноструктур с алгоритмом планирования событий на шкале времени / А. В. Зверев, К. Ю. Зинченко, Н. Л. Шварц, З. Ш. Яновицкая // Российские нанотехнологии. − 2009. − Т. 4, № 3–4. − С. 85—93.
28. Бабич, В. М. Кислород в монокристаллах кремния / В. М. Бабич, Н. И. Блецкан, Е. Ф. Венгер // Київ: Iнтерпрес ЛТД, 1997. − 240 с.
29. Красников, Г. Я. Математическое моделирование кинетики высокотемпературного окисления кремния и структуры пограничного слоя в системе Si—SiO₂ / Г. Я. Красников, Н. А. Зайцев, И. В. Матюшкин // Физика и техника полупроводников. − 2003. − Т. 37, № 1. − С. 44—49.
30. Bahloul−Hourlier, D. Thermodynamics of the Au—Si—O system: Application to the synthesis and growth of silicon—silicon dioxide nanowires / D. Bahloul−Hourlier, P. Perrot // J. Phase Equilibria and Diffusion. − 2007. − V. 28, N 2. − P. 150—157.
31. Streit, D. C. Thermal and Si−beam assisted desorption of SiO₂ from silicon in ultrahigh vacuum / D. C. Streit, F. G. Allen // J. Appl. Phys. − 1987. − V. 61, N 8. − P. 2894—2897.
32. Ferguson, F. T. Vapor pressure of silicon monoxide / F. T. Ferguson, J. A. Nuth III // J. Chem. and Eng. Data. − 2008. − V. 53, N 12. − P. 2824—2832.