A Transmission electron microscopy study of the interaction betweeen defects in amorphous silicon and a moving crystalline amorphous interface

par Amy Sarah Gandy

Thèse de doctorat en Milieux denses, matériaux et composants

Sous la direction de Stephen Eastwood Donnelly et de Marie-France Beaufort.

Soutenue en 2008

à Poitiers en cotutelle avec Salford (UK) .

  • Titre traduit

    Interaction entre les défauts et une interface cristal/amorphe dans le silicium amorphe, étude en microscopie électronique en transmission


  • Résumé

    L'endommagement induit par implantation de xénon dans le silicium a été étudié par microscopie électronique à transmission (MET). Les implantations réalisées à 350°C, à une énergie de 250keV et pour des fluences supérieures à >1x1016 Xe ions/cm2 conduisent à la formation d'une couche amorphe enterrée. Les observations effectuées sur les échantillons recuits montrent la présence d'une rangée de grandes cavités allongées dans la direction perpendiculaire à l'interface. Ceci suggère que, lors de la recristallisation du silicium, le déplacement simultané des deux interfaces entraîne le déplacement du gaz jusqu'à son confinement dans de larges bulles. Afin de mieux appréhender les mécanismes qui conduisent au mouvement des bulles, de l'hélium à faible dose a été implanté dans du silicium préalablement amorphisé par implantation de Li à basse température. L'implantation d'hélium dans le silicium amorphe conduit à la formation de bulles de forme irrégulière. Ce résultat diffère du silicium cristallin où des bulles sphériques sont obtenues pour des conditions d'implantation identiques. Les expériences réalisées ‘in situ’ dans le MET montrent clairement d'une part que les bulles sont poussées par l'interface, et d'autre part la nucléation de micromacles. Il a été mis en évidence au cours de cette étude que les bulles sont mobiles à plus basse température dans le silicium amorphe que dans la phase cristalline. Lors de la recristallisation, les bulles se trouvent alors confinées dans le matériel amorphe, ce qui résulte en leur coalescence et à la formation de larges bulles une fois que les deux fronts de recristallisation se sont rejoints. De plus, il a été établi que la formation de micromacles dans la région recristallisée est liée à un excès de défauts de type interstitiels dans la zone amorphe. Ce résultat est contraire aux modèles de la littérature qui suggèrent que les micromacles se forment soit sur des plans {111} soit sur les bulles.


  • Résumé

    Transmission electron microscopy (TEM) has been used to investigate the damage produced following high temperature (350˚C) Xe implantation into [100] Si at fluencies (>1x1016 Xe ions/cm2) and energy (250keV) which produce a buried amorphous layer; and the defect structures produced following thermal anneals of 400˚C, 600˚C or 800˚C for 30 minutes. Analysis of these samples yielded results which suggested that the Xe gas contained within the amorphous layers was swept by the amorphous/crystalline interfaces during solid phase epitaxial re-crystallisation (SPEG) into large bubbles elongated along a direction perpendicular to the interfaces. In order to further investigate this sweeping effect, buried amorphous layers were produced in Si by implanting Li at liquid nitrogen temperature and post implanting the layers with 1x1016 He ions/cm2. Contrary to the spherical bubbles produced under similar conditions in crystalline Si, irregular shaped bubbles were formed in the amorphous layer. Results from in-situ TEM studies showed that these bubbles are mobile at temperatures lower than expected in crystalline Si. Thus, upon reaching the moving interfaces between amorphous and crystalline Si, the bubbles are forced back into the amorphous material which ultimately results in coalescence of the gas into larger bubbles once the two interfaces combine. In addition, microtwins have been shown to form in regions of the re-crystallising layer where there exists an excess of interstitial-type defects. This is contrary to previous microtwin nucleation models which suggested that microtwins are either formed on [111] planes or on bubbles.

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  • Détails : 1 vol. (XVII-202 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 140 réf.

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