Исследование свойств динамической памяти, на основе Si3N4/Si и формирование нанокластеров кремния с повышенной интенсивностью фотолюминесценции

ГФ ИРН AP09058002

Конкурс: Конкурс на грантовое финансирование молодых ученых по научным и (или) научно-техническим проектам на 2021-2023 годы со сроком реализации 36 месяцев (МОН РК)

Тема: «Исследование свойств динамической памяти, на основе Si3N4/Si и формирование нанокластеров кремния с повышенной интенсивностью фотолюминесценции»

Цель:  Определение условий повышения времени жизни ловушек заряда и исследование процесса формирования нанокластеров кремния, при комнатных температурах.

Актуальность: Время жизни – основная характеристика ловушек заряда. От нее зависят свойства ячеек памяти. Известно, что заряд в ловушках Si3N4/Si удерживается 10 лет, при 400 К.Однако, в повседневной жизни, карты памяти работают при других температурах.

Нанокристаллы кремния в диэлектрической матрице Si3N4 – это эффективный люминофор. Окрытым остается вопрос их формирования при комнатных температурах. При этом на практике, необходим излучатель, работающий именно в таких условиях.

Поэтому, вопрос повышения времени жизни ловушек заряда, в структурах Si3N4/Si и формирования кластеров кремния,  при комнатной температуре актуален.

Руководитель: Мурзалинов Данатбек Онгарбекович - PhD, заведующий лабораторией. Опыт работы в области ионного облучения более 7 лет. Индекс Хирша-2. Scopus Author ID: 57193351552; ORCID ID 0000-0001-6519-1969. Специалист в области материаловедения и физики конденсированного состояния. Направление и характер работы: курирование всех направлений работ, постановка экспериментов, подготовка и защита отчетов, публикаций, анализ и теоретическое обобщение результатов экспериментов.

Исполнители:

Дмитриева Е.А.– ведущий научный сотрудник, химик, кандидат физико-математических наук по специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния». Опыт работы по направлению проекта более 15 лет. Индекс Хирша-6. Author ID в Scopus - 57196932903; Researcher ID Web of Science - S-1753-2017; ORCID ID 0000-0002-1280-2559.

Федосимова А.И. – PhD, Старший научный сотрудник. Индекс Хирша-2. Author ID в Scopus – 57188704820; Researcher ID Web of Science - AAD-5106-2020; ORCID ID – 0000-0001-9607-6074.

Бондарь (Грушевская) Е.А. –научный сотрудник, докторант. Индекс Хирша-1. Author ID в Scopus – 57194763931, ORCID ID – 0000-0001-6745-5462; Google Scholar – Yekaterina Grushevskaya.

Ибраимова С.А.– Инженер. Индекс Хирша-1. Author ID в Scopus – 56294053100; ORCID ID 0000-0002-6652-9252.

Аймаганбетов К.П.– научный сотрудник, докторант. ORCID ID 0000-0001-6367-9135.

Жантуаров С.Р.– научный сотрудник Физико-технического института, докторант. Индекс Хирша-1. Author ID в Scopus – 56497182800; Researcher ID Web of Science - AAD-3750-2020; ORCID ID 0000-0002-2467-0178.

Краткий отчет и достигнутые результаты

Доказано, что интенсивность ФЛ зависит от температуры и атмосферы отжига. Для исходного (неотоженного) образца 1, с избыточным содержанием Si максимум ФЛ находится в красной области (670 нм), тогда как для образца 2, с избытком N– в синей области спектра (450 нм).

Для нитрида, обогащенного кремнием, наиболее интенсивная ФЛ наблюдается после отжига при 600 ºC в аргоне, тогда как нитрид с избытком азота сильнее излучает после отжига при 800 ºC на воздухе. Зависимость интенсивности свечения от температуры и атмосферы отжига объясняется увеличением концентрации K- и N-центров

Присутствие Si–H и N–H связей в исходных (неотоженных) образцах подтвердилось методом спектроскопии КРС с применением методики, повышающей чувствительность (накопление сигнала вдоль спектра).

В спектре сходного образца (после синтеза) преобладает структурированный ЭПР сигнал с признаками анизотропии, шириной магнитного поля  ~1,8 мТл и g – фактором около 2,00. Уширение сигнала можно отнести к частичной аморфизации промежуточного слоя на границе раздела SiNx/ Si. Характерной чертой ЭПР спектров образцов после отжига при температуре 6000C является присутствие уширенного сигнала с ростом интенсивности поглощения в области более сильного поля. Это позволяет предположить наложение сигналов связанных центров в следствие разупорядоченности структуры. Различие спектров после отжига при 600оС и исходного образца можно объяснить перестройкой кремниевых центров и замыканием связей на азот. Динамика изменений ЭПР спектра при температуре 800 - 11000C указывает на переход к более упорядоченному состоянию. Сравнение спектров при данных температурах отжига показало, что, основные структурные изменения происходят, по-видимому, в интервале до 800 – 900⁰C.

Новизна:

1.При изменении стехиометрического параметра от 1,5 до 1,1 происходит изменение максимума ФЛ нитридной пленки из синей в красную область спектра. Максимальная интенсивность ФЛ достигается после отжига в атмосфере Ar при 600 °C для образца 1 и на воздухе при 800 °C для образца 2. Это позволяет создать светоизлучающие структуры с расширенным спектральным диапазоном.

2.Впервые для идентификации парамагнитных центров нитрида кремния была применена методика накопления сигнала вдоль спектра. Данная методика в совокупности со стандартным методом усреднения по времени позволила детально определить причины свечения исследуемых образцов.

Результаты были доложены в Международных конференциях и опубликованы:

1.Инфракрасные спектры образцов sio2/si, облученных быстрыми ионами, А.И. Федосимова, Д.О. Мурзалинов, И.А. Лебедев, С.А. Ибраимова, Е.А. Дмитриева, Е.А. Бондарь, Сатпаевские чтения-2021, стр 1262, https://official.satbayev.university/download/document/20338/%D0%A1%D0%B0%D1%82%D0%BF%D0%B0%D0%B5%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D0%A7%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%202021%20-%201%20%D1%82%D0%BE%D0%BC.pdf

2.Фотолюминесценция образцов SiO2/Si, облученных быстрыми ионами Шайкенова А., Федосимова А., Ракыметов Б., Мурзалинов Д., Бондарь Е. , Фараби алемі-2021, КазНУ им. Аль-Фараби.

3.Вытравливание треков в оксиде и нитриде кремния и исследование морфологии сформированных облучением БТИ нанопористых слоев, Шайкенова А., Федосимова А., Ракыметов Б., Мурзалинов Д., Бондарь Е., Форум и 13-ой международной конференции по Ядерной и радиационной физике (ИЯФ), стр 112, https://inp.kz/wp-content/uploads/2021/09/%D0%A1%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%B2_1909.pdf