Sintesi e caratterizzazione dei nanodots di Si

Dott. ssa M. MiritelloDott.ssa L.RomanoDott. ssa S. Scalese

.

Gruppo di lavoro:

Buscema MarziaDigeronimo GiuliaDi Prima Giorgia

A.A. 2010/2011

OUTLINE

• Introduzione, proprietà, stato dell’arte,applicazioni

• Esperimento:• Preparazione dei campioni: Sputtering e Annealing

• Studio della proprietà ottiche (LASER)

• Analisi dati e risultati

• Conclusioni

Nanodots Si

Particelle confinate lungo le tre direzioni spaziali (0D)

F.Q. Zhu, Large Enhancement of Coercivity of Magnetic Co/Pt Nanodots with Perpendicular Anisotropy, J. Appl. Phys. 101, 09J101 (2007)

Proprietà strutturali e ottiche

Fissata la percentuale di Si Fissata la temperatura di Annealing

1140nm

Optoelettronica

Problema

Limite della velocità di trasmissione dei dati al

diminuire delle dimensioni dovuto all’aumentare delle

interconnessioni

Soluzione

Trasmissione dei dati tramite fotoni anziché

elettroni:

•Velocità della luce•No dispersioni

Microelettronica

R. Kirchain and L.C. Kimerling, Nat. Phot. 1, 303 (2007) G.T. Reed and C.E. Jason Png, Materials Today 8, 40 (2005)

Stato dell’arte

W. L. Zhang, S. Zhang, M. Yang, T. P. Chen, J. Phys. Chem. C 114 (6), 2414 (2010)

M. Miritello, A. Irrera, D. Pacifici, F. Iacona, G.Franzò, D. Sanfilippo et. al., Appl. Phys. Lett. 81, 3242 (2002)

S. Park, J. Jun, H. Woo Kim and C. Lee, J. Kor. Phys. Soc. 55, 15911595 ( 2009)

B. T. Sullivan, D. J. Lockwood, H. J. Labbe, Z. H. Lu, Appl. Phys. Lett. 69, 3149 (2009)

C. Ternon, , F. Gourbilleau, R. Rizk and C. Dufour, Phys. E. 16, 517 (2003)

X. J. Sun, S. Y. Ma , J. J. Wei , X. L. Xu, G. P. X. Y. G. P. F. X. 28(9),2033 (2008)

D. J. Fisher, Def. Diff. For. X, 87 (2008)

F. Iacona, A. Irrera, G. Franzo, D. Pacifici, I. Crupi, M. Miritello, C. D. Presti, F. Priolo, Sel. Top, Q. Elec. 12, 1596 (2007)

A. Irrera, F. Iacona, G. Franzò, S. Boninelli, D. Pacifici, M. Miritello, C. Spinella et al., Opt. Mat. 27, 1031 (2005)

G.G. Ross, D. Barba, F. Martin, I.J.N.T. 5, 9-12 (2008)

B. Garrido, M. Lopez, O. Gonzalez, A. Perez-Rodriguez, J. R. Morante, C. Bonafos, Appl. Phys. Lett. 77, 3143 (2010)

Y. Kanemitsu, T. Ogawa, K. Shiraishi, and K. Takeda, Phys. Rev. B 48, 4883 (1993)

J. Linnros, N. Lalic, A. Galeckas, and V. Grivickas, J. Appl. Phys. 86, 6128 (1999)

F. Iacona, G. Franzò, and C. Spinella, J. Appl. Phys. 87, 1295 (2000)

P. Photopoulos and A. G. Nassiopoulou, Appl. Phys. Lett. 77, 1816 (2000)

Esperimento• Sputtering SiOx:

» 35% di Si

» 38% di Si

» 42% di Si

• Annealing:» 1000 ˚C

» 1050 °C

» 1100 °C

• Analisi spettri PL e vite medie

Sputtering• Tecnica PVD (physical

vapor deposition) in UHV

• Crescita film mediante erosione meccanica del materiale

• Tre Step:

- produzione plasma

- erosione target

- crescita film sul substrato

Caratteristiche proprie dello Sputtering

• Versatilità: – Metalli

– Isolanti

– Leghe

• Estrema pulizia del film (UHV)

• Qualità del film:– Temperatura substrato

– Pressione plasma

Debole dipendenza dal materiale

•Zona 1 : struttura colonnare•Zona T: grani fibrosi•Zona 2 : grani colonnari•Zona 3: alta densità

Preparazione Campioni

Sputtering

• Pressione precamera: 10-7mbar(pompe: rotativa, turbomolecolare)

• Pressione camera: 10-9 mbar(pompa criogenica)

• Pressione plasma: 5 x 10-3 mbar

• Temperatura substrato: 500 ˚C

(400 ˚C effettivi)

• Rotazione campione: 15 giri al min

• Target:– Si (potenza generatore RF 40 W)

– SiO2 (potenza generatore RF 500W)

• Tempo di deposizione :

1h 3min 4sec

• Spessore depositato: 250 nm

Annealing

•Pressione camera iniziale:6 x 10-3 mbar (pompa rotativa)

•Flusso costante di N2 : 2.5 sccm

•Temperature: 1000 ˚C 1050 ˚C 1100 ˚C

(rampe lente di 10 ˚C al min)

•Tempo: 1h

• Fascio laser:

– λ = 488 nm

– P = 10 mW

• Frequenza del segnale impulsato: 55 Hz

• Monocromatore:– Massimo di lavoro 30 nA

– Reticolo diffrazione

• Filtri

• Range rivelazione PMT (AsInGa):– 400-1200 nm

– Max efficienza 800-1200 nm

• Lettore a multicanale:– n. canali 4096

– binwidth

Studio proprietà ottiche: Laser

Analisi Dati

• PL:

– Lunghezza d’onda dei massimi Dimensioni nanodots

–

• Vite medie:

– (0 ≤ β≤1)

radrad

PL NN

I

*

)/( t

PL eI )( Ax

Ax

ey

ey

FIT

radnorad

111

Spettri PL a T costante

λ = 785±124 nm I = 0,199λ = 795±131 nm I = 0,154λ = 831±151 nm I = 0,083

λ = 773±174 nm I = 0,011λ = 794±151nm I = 0,014λ = 840±141 nm I = 0,031

λ = 786±120 nm I = 0,070λ = 787±121 nm I = 0,083λ = 831±138 nm I = 0,072

Spettri PL a %Si costante

λ = 773±174 nm I = 0,011λ = 786±120 nm I = 0,070λ = 785±124 nm I = 0,199

λ = 794±151 nm I = 0,014λ = 787±121 nm I = 0,083λ = 795±131 nm I = 0,154

λ = 840±141 nm I = 0,031λ = 831±138 nm I = 0,072λ = 831±151 nm I = 0,083

Vite medie

τ = 5,11 ± 0,04 μsβ= 0,504 ± 0,002

τ = 16,03 ± 0,06 μsβ= 0,663 ± 0,002

τ = 38,18 ± 0,08 μsβ= 0,714 ± 0,002

τ = 7,16 ± 0,25 μsβ= 0,550 ± 0,014

τ = 17,77 ± 0,18 μsβ= 0,672 ± 0,007

τ = 34,21 ± 0,13 μsβ= 0,741 ± 0,003

τ = 12,45 ± 0,04 μsβ= 0,578 ± 0,001

τ = 16,69 ± 0,05 μsβ= 0,660 ± 0,002

τ = 32,30 ± 0,09 μsβ= 0,708 ± 0,002

Conclusioni• Studio delle proprietà ottiche di nanodots di Si al variare della

temperatura di annealing e della % Si depositata mediante sputtering

• Spettri PL a T costante:– la lunghezza d’onda del picco aumenta all’aumentare della % Si poiché

aumenta la dimensione dei nanodots

– l’intensità PL non segue alcun ordine

• Spettri PL a % Si costante:– spostamento disordinato delle lunghezze d’onde dei picchi al variare di

T

– aumento dell’intensità PL all’aumentare della temperatura di annealing

• Vite medie:– τ aumenta sensibilmente all’aumentare della temperatura fissata % Si

– β aumenta al crescere di T, fissata %Si

( 1000 °C -> 0.5 ; 1050 °C -> 0.6; 1100 °C -> 0.7)

all’aumentare di T la distribuzione in taglia dei nanodots è più omogenea e diminuisce la loro interazione

Bibliografia

• M. Miritello presentazione Sintesi e caratterizzazione di nanodots di Silicio (2011)

• M.Miritello, A. Irrera, D. Pacifici, F.Iacona, G.Franzò, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P. Fallica, and F. Priolo, Abstract Silicon Workshop 2004

• J. A. Thornton, Coating Deposition by Sputtering, Cap. 5 of Handbook of Deposition technologies for films and coating, ed. F. Bunshah et al. (1994)

• P. C. Zalm, Quantitative Sputtering, Cap. 6 of Handbook of ion beam processing technology, ed. Cuomo et al. (1989)

• F.Q. Zhu, Large Enhancement of Coercivity of Magnetic Co/Pt Nanodots with Perpendicular Anisotropy, J. Appl. Phys. 101, 09J101 (2007)

• G.T. Reed and C.E. Jason Png, Materials Today 8, 40 (2005)

• R. Kirchain and L.C. Kimerling, Nat. Phot. 1, 303 (2007)