在AFM诱导的a-Si中， H薄膜中纳米凹坑对硅晶体生长的影响

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文|小昕

编辑|小昕

在过去的几十年里，通过各种化学和物理方法实现硅纳米结构的合成，取得了一定的成功。

然而，现有的方法往往受限于成本高、生长速度慢、无法精确定位和困难控制等问题。因此，开发一种低成本、高效率且可控制的硅纳米结构生长方法仍然是当前研究的热点之一。

近年来，通过原子力显微镜（AFM）诱导的金属诱导有序凝聚方法引起了广泛的兴趣。该方法利用AFM尖端的局部压力和电流，在薄膜表面诱导出导电凹坑，从而促进硅晶体的有序生长。这种方法具有成本低、易于实现、可控性高等优势，因此被认为是一种有潜力的硅纳米结构制备方法。

我们将研究在AFM诱导的a-Si中，H薄膜中纳米凹坑对硅晶体生长的影响。

●○实验方法○●

使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，在康宁7059玻璃基板上沉积了厚度约为170 nm（±30 nm）的氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜。底板温度为50°C，使用SiH稀释度为0.02%的氦气作为载气，并且薄膜中的氢含量为20-45 at.%。

在进行场发射-金属绝缘体-导体（FE-MISPC）实验时，采用了原子力显微镜（AFM）和具有锋利导电尖端的局部电场施加。选择的尖端类型是Pt/Cr涂层掺杂硅（ContE）或导电金刚石涂层硅（DCP11，NT-MDT），其尖端半径通常在10-70 nm之间。

尖端以10-500 nN的力与a-Si:H薄膜接触，并通过连接到底部镍电极的电流源进行电极偏置。镍电极采用负偏置，以促进FE-MISPC过程。由于AFM尖端的极性不会引起局部阳极氧化，因此硅表面的氧化并不重要。

FE-MISPC过程中，使用-0.5 nA的采样电流，该电流是外部电流源单元施加的恒定电流（-237 nA）的一部分。FE-MISPC处理前后，利用电流感应原子力显微镜（CS-AFM）和样品偏置电压为-25V对薄膜的微观形貌和局部电导率进行了表征。

采用较高的样品偏置电压是因为原始薄膜的无定形性质（导电性较低）以及薄膜界面上天然氧化物形成的附加隧道屏障。

通过上述实验和表征技术，我们可以获得a-Si:H薄膜的微观形态和局部电导率信息，从而深入研究其结构和性能特征。这为进一步理解和优化a-Si:H薄膜的电学特性以及其在电子器件和光电应用中的潜在应用奠定了基础。

在完成FE-MISPC工艺后，对初始薄膜的顶部进行了第二层硅层的沉积，沉积温度为100°C，厚度约为200 nm（±30 nm）。这次沉积是在非晶硅和微晶硅生长的边界条件下完成的。

随后，在之前处理的区域再次进行了CS-AFM实验，以评估第二次沉积对FE-MISPC诱导特征的影响。使用微拉曼光谱（采用二极管激光器，波长λ = 785 nm，功率P = 1 mW，物镜放大倍数为100×）对第二次沉积后FE-MISPC暴露区域的结晶度进行了表征。

为了确定第二层沉积后的暴露区域，使用激光（HeCd激光器，波长λ = 442 nm，功率P = 30 mW）对样品进行标记。这样可以在FE-MISPC工艺之前，通过激光标记的区域，定位并识别第二层沉积后的特定区域。

这种标记方法有助于确保CS-AFM实验在正确的区域进行，以研究第二次沉积对FE-MISPC特征的影响。

通过以上实验步骤，我们能够评估第二层硅沉积对FE-MISPC过程和特征的影响，并利用微拉曼光谱技术对第二次沉积后的结晶度进行表征。

这些研究结果对于了解和优化FE-MISPC工艺的性能和应用具有重要意义。

图中展示了经过FE-MISPC实验后的典型局部地形，该实验在设定点上显示出电流尖峰。可以观察到凹坑的直径约为300 nm，并且可以看到一些材料在凹坑周围积聚。

横截面描绘了凹坑的深度为100 nm，而半峰全宽（FWHM）为200 nm。图1e展示了在-25 V的样品偏置电压下获得的相同区域的局部电导率图像。导电区域主要集中在凹坑内部。

通过以上观察，我们可以得出以下结论：FE-MISPC过程能够在硅薄膜表面形成具有特定形貌的凹坑，并且在这些凹坑中观察到局部电流增强的现象。

凹坑的形貌和尺寸与电流尖峰的形成密切相关，表明FE-MISPC具有高度局域性和空间选择性。此外，局部电导率图像进一步证实了导电区域主要分布在凹坑内部，与电流尖峰的形成相一致。

这些结果为我们深入理解FE-MISPC过程的机制和特征提供了重要线索。

进一步的研究可以通过结合图中的地形和电导率信息，探索凹坑形成的原因、电流尖峰的形成机制以及凹坑内部的电子输运行为。这将有助于优化FE-MISPC工艺，并为其在纳米电子学和光电子学等领域的应用提供更深入的指导。

在第二层沉积后，在-25 V样品偏置电压下获得的与图a和e完全相同区域的局部形貌和电导率图。AFM形貌图显示了典型的硅微晶和纳米晶体的积累。CS-AFM显示了位于凹坑内的导电区域。

需要注意的是，由于第二次沉积引入的单个硅晶体看起来不导电，这是因为电流前置放大器设置（灵敏度= 1 nA/V）已根据凹坑中的电流大小进行调整。

然而，通过以更高的电流灵敏度（1 pA/V）扫描相同区域，可以显示出形貌中每个晶体的电导率。图2d和h中的横截面显示凹坑深度现在为175 nm（FWHM为200 nm），而导电区域显示出670 pA的电流峰值（FWHM为30 nm）。

根据上述观察结果，我们可以得出以下结论：第二层硅的沉积在FE-MISPC后导致了硅微晶和纳米晶体的积累。局部电导率图像表明，凹坑内部仍存在导电区域。

需要注意的是，单个硅晶体看起来不导电，这可能是由于扫描参数的调整。然而，通过增加电流灵敏度，我们可以观察到晶体的电导率。

进一步的研究可以集中在探索第二层硅沉积后的晶体生长机制和电子输运行为方面。通过深入理解硅微晶和纳米晶体的形成过程以及导电区域的分布和特性，我们可以优化FE-MISPC工艺并扩展其应用领域。

除了深度的变化，还可以观察到坑内形貌的改变。底部从光滑变为粗糙。需要注意的是，图像经过优化，以突出显示凹坑在z方向上的特征，因此其实际纵横比可能不被保持。

晶体硅峰位于521 cm^-1处，可以清晰地分辨出来，即使在更明显的非晶带的叠加下。这是因为拉曼信号主要来自非晶材料，而在焦点上只有约2%的区域是晶体。

考虑到拉曼焦点直径约为700 nm（物镜100×，λ=785 nm）和晶体区直径为100 nm，晶体的信号只占检测面积的很小比例。

在第二次沉积之前对各种FE-MISPC暴露点进行的拉曼测量仅显示较宽的非晶带，这明显是因为晶体相的信号低于检测阈值。

基于上述结果，我们可以得出以下结论：第二次沉积后，导电凹坑的形貌发生了改变，底部由光滑变为粗糙。通过微拉曼光谱测量，我们可以观察到晶体硅峰的存在，尽管受到非晶带的干扰。

需要进一步研究晶体和非晶材料在FE-MISPC过程中的形成和演化机制，以及它们对器件性能的影响。

FE-MISPC的结果受到AFM尖端的关键影响。当使用新的尖端时，在初始的几次实验中，无论暴露电流如何，它都会导致更大的导电凹坑。在这些实验中，尖端正在经历“成型”过程。

一旦尖端“成型”完成，使用0.05-0.15 nA范围内的暴露电流总是产生非导电凹坑，正如之前所述。生产小的导电凹坑取决于电流的限制，同时允许电流的波动，目前的典型产率约为70%。

通过将微拉曼光谱中增加的局部电导率与晶体硅峰或至少一个峰肩（因为晶体相仅占检测面积的<2%）相关联，可以得出以下结论：在第二次沉积后，凹坑内形成了硅纳米晶体。

这一结论也得到了局部形貌变化的支持。正如图所示，凹坑的底部从光滑变为粗糙。此外，第二次沉积后凹坑的深度增加小于沉积层的厚度增加（在导电凹坑的情况下增加了75 nm，在非导电凹坑的情况下增加了10 nm，而第二层薄膜的厚度增加了200 nm）。

这表明凹坑内也发生了一定程度的生长。这种效应可能特别明显，因为第二次硅沉积是在非晶和微晶生长的边界条件下进行的，而硅晶体通常突出于非晶膜上方，因为它们的生长速率更快。

在边界沉积条件下，硅纳米晶体及其聚集体（被称为微晶柱）在均匀的非晶硅（a-Si:H）中以随机位置发生成核。使用局部FE-MISPC工艺后，成核开始聚焦在加工区域。

对于最初的导电凹坑情况，与远离凹坑的区域相比，凹坑周围的纳米晶体密度也增加。这可能是由于第一层a-Si：H薄膜在加工区域周围引入了一些额外的局部应力和/或原子尺度缺陷，从而改变了薄膜的形貌和结构。

在非导电凹坑的情况下，纳米晶体的整体密度保持均匀，即纳米晶体以随机分布的方式出现在表面上，除了在凹坑内完全聚焦的生长区域。

非导电凹坑的形成很可能在薄膜的局部结构中引入较少的应力和缺陷，因此不会增强凹坑周围的晶体成核。与初始电阻状态相比，非导电凹坑在第二次沉积后的电导率显著增加。

由于背景电导率在<5 pA的范围内（受到所选电流范围内的电流前置放大器噪声的影响），第二次沉积导致电导率的增加超过了一个数量级。

这表明新的硅纳米晶体形成并定位在凹坑内。因此，非导电凹坑是选择性生长硅微晶和纳米晶体的最有希望的区域。

这些发现表明，FE-MISPC过程中的凹坑类型对硅纳米晶体的形成和分布具有重要影响。

导电凹坑周围的晶体密度增加可能是由于局部应力和缺陷的引入，而非导电凹坑则保持了均匀的纳米晶体分布。选择性生长纳米晶体的能力使非导电凹坑成为最理想的区域。

这些结果对于进一步优化FE-MISPC过程以控制硅纳米晶体的形成和性能具有重要意义。

H薄膜中纳米凹坑对硅晶体生长的影响进行了深入探究。我们观察到不同类型的凹坑对硅晶体的生长和定位产生了显著的影响。

我们发现导电凹坑周围的晶体密度明显增加，这可能是由于导电凹坑引入的局部应力和缺陷导致的。通过AFM诱导的电流作用，硅纳米晶体有序聚集在导电凹坑周围区域，形成了高密度的晶体结构。这为控制硅纳米晶体的生长位置和密度提供了一种有效的方法。

相反，在非导电凹坑的情况下，我们观察到纳米晶体保持均匀分布在表面上，除了凹坑内部的高密度生长区域。非导电凹坑的形成可能引入较少的应力和缺陷，从而不会增强凹坑周围的晶体成核。

此外，我们还发现，非导电凹坑在第二次硅沉积后的电导率显著增加，表明新的硅纳米晶体在凹坑中形成并定位。