Формирование нанокластеров германия в плёнках GeSixOy тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Чжан Фань

• Чжан Фань
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Чжан Фань

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1. 1 Применение плёнок GeOx и GeSixOy в нано- и оптоэлектронике

1.1.1 Плёнки GeOx в МДП-транзисторах на основе германия

1.1.2 Плёнки GeOx и GeSixOy в энергонезависимой памяти

1.1.3 Применение оксидов германия в энергетике

1.1.4 Оксиды германия как жертвенный слой в технологии МЭМС

1.2 Методы роста и модификации плёнок субоксидов полупроводников

1.2.1 Методы роста плёнок оксидов и субоксидов полупроводников

1.2.2 Способы формирования аморфных нанокластеров и полупроводниковых нанокристаллов в нестехиометрических оксидах полупроводников

1.2.3 Квантово-размерный эффект в нанокристаллах германия в диэлектрической среде

1.2.4 Германосиликатные плёнки с нанокластерами и нанокристаллами германия в оптоэлектронике

Заключение к главе

ГЛАВА 2. Синтез и модификация тонких плёнок и методы их экспериментальных

исследований

2.1 Рост плёнок GeOx и GeSixOy методом физического осаждения в вакууме

2.2. Отжиги плёнок: печные, электронно-пучковые и лазерные

2.3 Спектроскопия комбинационного рассеяния света

2.4 Фурье ИК-спектроскопия ^ТЖ)

2.5 Спектроскопия пропускания и отражения света

2.6 Эллипсометрия

Заключение к главе

ГЛАВА 3. Формирование аморфных нанокластеров германия в плёнках GeOx

3.1. Определение сечения поглощения ИК-излучения на валентных колебаниях Ge - О связей в плёнках GeOx

3.2. Исследование кинетики формирования аморфных нанокластеров германия и определение энергии активации реакции диспропорционирования аморфной плёнки

GeOx в процессе печных отжигов при различных температурах

Заключение к главе

ГЛАВА 4. Формирование аморфных нанокластеров и нанокристаллов германия в плёнках [ОеОх]у^Ю]а-у) и ^еОх]о.5^Ю2]о.5 (0.25<у<1)

4.1 Исследование исходно-осаждённых плёнок ^еОх]у^О]а-у) и ^еОх]о.5^Ю2]о.5 (0.25<у<1)

4.2 Печные отжиги плёнок ^еОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0

4.2.1 Формирование аморфных нанокластеров и нанокристаллов германия в плёнках ^еОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0.5 в процессе печных отжигов при различных температурах

4.2.2 Трансформация структуры плёнок ^еОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0.5 из анализа спектров ИК-поглощения

Заключение к главе

ГЛАВА 5. Модификация плёнок [веОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0.5 с применением импульсных лазерных и электронно-пучковых отжигов

5.1 Формирование аморфных нанокластеров и нанокристаллов германия в плёнках ^еОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0.5 с применением импульсных лазерных отжигов

5.2 Отработка режимов электронно-пучковых отжигов для формирования аморфных нанокластеров и нанокристаллов германия в плёнках ^еОх]0.5^Ю]0.5 и

^еОх]0.5^Ю2]0

Заключение к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ВЫВОДЫ

БЛАГОДАРНОСТИ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование нанокластеров германия в плёнках GeSixOy»

Актуальность работы

В последние годы наблюдается интерес к плёнкам нестехиометрического оксида кремния или германия, содержащих аморфные нанокластеры или нанокристаллы (НК) кремния или германия, благодаря тому, что наночастицы в диэлектрической матрице являются квантовыми точками [1][2]. Используя квантово-размерные эффекты, можно управлять оптическими свойствами кластеров Ge [3], т.е. такие кластеры способны излучать свет в ближнем ИК-диапазоне и видимом диапазоне [4][5]. Кроме этого, плёнки GeOx и GeSixOy интересны и перспективны в качестве диэлектрического материала для электроники, например для создания структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) для полевых транзисторов. Известно, что подвижность электронов и дырок в германии больше, чем в кремнии, но пробивные напряжения диоксида германия меньше, чем у диоксида кремния, к тому же GeO2 химически нестоек, например растворяется в воде. Плёнки GeOx и GeSixOy более химически стабильны чем плёнки GeO2 [6]. Поэтому для создания МДП-транзисторов на основе германия используют плёнки оксинитрида германия либо диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k). В качестве переходного слоя между Ge и плёнкой high-k диэлектрика выступают слои GeOx либо GeSiOx. Другими перспективными областями применений плёнок GeOx и GeSixOy является их использование в мемристорах и в элементах энергонезависимой (флэш) памяти [7][8]. Плёнки GeOx можно осаждать при низкой температуре, поэтому они используются в качестве жертвенного слоя в микроэлектромеханических системах (МЭМС). Кроме того, плёнки нестехиометрических оксидов германия применяются в качестве анодных слоёв в аккумуляторных батареях и в качестве антиотражающего покрытия в солнечных элементах. Помимо аморфных оксидов германия, оксиды GeSiOx содержащие НК Ge, Si и их твердых растворов применяются в фоточувствительных детекторах. Оксид германия обладает высокой прозрачностью в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, а также относительно высоким коэффициентом преломления. Эти свойства позволяют использовать плёнки GeOx в различных устройствах, таких как светодиоды Р][10], солнечные батареи [11][12] и транзисторы [13].

Для практического использования плёнок GeOx и GeSixOy важно знать также их термическую стабильность. При повышении температуры в них происходит реакция диспропорционирования с образованием аморфных нанокластеров германия [14][15]. Для управления концентрацией и размерами данных нанокластеров важно знать кинетику их формирования. Также, помимо обычно применяемых печных отжигов, актуально искать другие воздействия для модификации структуры плёнок GeOx и GeSixOy, такие как импульсные лазерные отжиги (ИЛО) и электронно-пучковые отжиги.

Цели и задачи работы

Цель работы состояла в том, чтобы исследовать стабильность и физико-химические свойства нестехиометрических германосиликатных плёнок, полученных методом электронно-пучкового осаждения, а также определить режимы формирования в них аморфных нанокластеров и НК германия.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1) Определить сечение поглощения ИК-излучения на валентных колебаниях Ge-O связей в плёнках GeOx.

2) Исследовать кинетику формирования аморфных нанокластеров германия и определить энергию активации реакции диспропорционирования аморфных плёнок GeOx в процессе печных отжигов при различных температурах.

3) Определить условия формирования аморфных нанокластеров и НК германия в плёнках [ОеОх]у^Ю](1-у) (0.25<у<0.75) и [ОеОх]0.5^Ю2]0.5.

4) Найти режимы формирования аморфных нанокластеров и НК германия в плёнках ^еОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0.5 с применением импульсных лазерных и электронно-пучковых отжигов.

Научная новизна

Обнаружен эффект локализации оптических фононов в аморфных нанокластерах германия сверхмалых размеров.

Впервые определено сечение поглощения ИК-излучения на валентных колебаниях Ge-O связей.

В спектрах ИК-поглощения плёнок германосиликатных стёкол, полученных сораспылением порошков оксидов германия и кремния, обнаружены валентные моды колебаний связей Si-O-Ge.

Теоретическая и практическая значимость

Определена энергия активации реакции диспропорционирования

X X

ОеОх^-(1^^е+^ОеО2 при печных отжигах.

В исходных плёнках (0.25<у<0.75), осаждённых на холодные подложки

(температура 100 0С) при электронно-пучковом испарении мишеней GeO2 и SiO обнаружены нанокластеры аморфного германия.

Определены параметры печных отжигов для формирования, роста и кристаллизации нанокластеров германия в плёнках ^еОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0.5.

Определены параметры импульсных лазерных отжигов для формирования и кристаллизации нанокластеров германия в плёнках ^еОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0.5.

Найдены режимы электронно-пучкового отжига, необходимые для формирования НК германия в плёнках ^еОх]0.5^Ю]0.5 и ^еОх]0.5^Ю2]0.5.

Предложен подход для создания упорядоченных массивов нанокластеров и НК германия в плёнках GeSixOy с использованием электронно-пучкового отжига.

Методология и методы исследования

Исследуемые образцы представляли собой плёнки, состоящие из смеси SiO и GeOx (либо SiO2 и GeOx) на подложке кварца или кремния. Они были получены испарением мишеней SiO и GeO2 (либо SiO2 и GeO2) и их осаждением на холодную подложку в высоком вакууме. При испарении порошков диоксида германия ^еО2) на холодную подложку осаждается плёнка GeOx, по составу очень близкая к монооксиду германия.

Для модификации структуры плёнок GeSixOy, применялись печные, импульсные лазерные и электронно-пучковые отжиги. Печные отжиги проводились при различных температурах в атмосфере аргона либо в вакууме, температуры от 4000С до 900 0С. Импульсные лазерные отжиги проводились с использованием ультрафиолетового

импульсного ХеС1 лазера с длиной волны 308 нм, длительность импульса составляла 15 нс. Электронно-пучковые отжиги проводились с помощью электронной пушки на основе разряда с полым катодом. Плотность тока электронного пучка была 10 и 20 мА/см2, при энергии от 1 до 2 кэВ. Для анализа структуры плёнок применялись спектроскопия комбинационного рассеяния света, инфракрасная Фурье-спектроскопия, спектроскопия пропускания и отражения, эллипсометрия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и высокоразрешающая просвечивающая микроскопия с элементным анализом.

Положения, выносимые на защиту

1) Кинетика формирования аморфных нанокластеров германия в процессе реакции диспропорционирования плёнок GeOx соответствует модели Колмогорова-Аврами с энергией активации 0.9 - 1.0 эВ.

2) Аморфные нанокластеры германия формируются в плёнках [GeOx]v[SiO](l-v) (0.25<у<0.75) в процессе осаждения вследствие окислительно-восстановительной реакции GeO+SiO ^ Ge+SiO2.

3) При воздействии электронного пучка 2 кэВ кристаллизация нанокластеров германия в плёнках [GeOx]о.5[SiO2]о.5 начинается при плотности тока 10 мА/см2, а в плёнках [GeOx]о.5[SiO]о.5 при плотности тока 20 мА/см2.

Личный вклад автора

Личный вклад Чжан Фань состоит в том, что она непосредственно проводила все эксперименты, кроме роста исходных плёнок, самостоятельно проводила анализ литературы. Она участвовала в планировании экспериментов, в интерпретации данных, в написании статей. Статьи, в которых представлены основные результаты написаны ей лично.

Степень достоверности и апробация работы

Представленные в диссертационной работе данные достоверны, что следует из использования достаточно проверенных экспериментальных методов, основные методики

аттестованы в ЦКП ВТАН НГУ. Использовались апробированные теоретические модели,

7

достигалась хорошая воспроизводимость результатов.

Основные результаты были представлены автором на конференциях: МНСК 2020, 2021 и 2022; 29th International Conference on Amorphous & Nanocrystalline Semiconductors (ICANS 29), Нанкин, Китай 2022; Комбинационное рассеяние - 95 лет исследований, 5-9 июня 2023 г., Новосибирск.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 10 рецензируемых журналах, включённых в перечень ВАК, квартили, а две в журналах второй квартили.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка цитируемой содержащего 159 наименований. Работа изложена на 138 страницах и содержит

-ти статьях в международных одна из которых в журнале первой

литературы, 70 рисунков.

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1.1 Применение плёнок GeOx и GeSixOy в нано- и оптоэлектронике

Полупроводниковые приборы состоят не только из полупроводников, важной частью их являются металлы (которые обычно используются в качестве контактов) и диэлектрики. Более шестидесяти лет в качестве основного диэлектрика в микроэлектронике используется оксид кремния. Однако, в связи с тем, что в последние годы обычная кремниевая планарная технология подошла к достижению своего физического предела, в наноэлектронике стали применять другие диэлектрики, например, диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектрики). Если же переходить от кремния, как от базового материала электроники к другим материалам с большей подвижностью носителей заряда (например, к германию, на основе которого и были изготовлены первые транзисторы), то возможен отказ от оксидов и нитридов кремния в качестве базовых диэлектриков. Уже упоминавшиеся high-k диэлектрики имеют ряд преимуществ, однако методы их роста сложны и дороги.

Ранее в полевых транзисторах на основе германия предпринимались попытки в качестве подзатворного диэлектрика использовать стехиометрический диоксид германия ^еО2). Однако он химически не стабилен, растворяется в воде, его электрофизические свойства нестабильны. Для преодоления этих недостатков можно использовать нестехиометрические субоксиды германия, а также композитные смеси из оксида германия и других диэлектриков. Итак, плёнки GeOx и GeSixOy интересны и перспективны в качестве материала для электроники и оптоэлектроники. В данном обзоре рассматривается применение плёнок германосиликатных оксидов в нано и оптоэлектронике и их преимущества.

1.1.1 Плёнки GeOx в МДП-транзисторах на основе германия

Полевой транзистор - это электронный прибор, принцип действия которого основан на регулировании тока от истока к стоку в полупроводниковом канале электрическим полем,

подаваемым на затвор. Полевой транзистор также известен как униполярный транзистор, в

9

соответствии с различным типом проводимости канала, полевые транзисторы делятся на n-канальные (основными носителями заряда являются электроны) и p-канальные (основными носителями заряда являются дырки), такие полевые транзисторы называются соответственно NFET и PFET [16]. Полевые транзисторы разделяют на два основных типа -полевой транзистор с управляющим p-n переходом (в англоязычном обозначении junction-gate field-effect transistor - JFET) и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП, в англоязычной литературе -metal-oxide-semiconductor, MOS), который также известен как МДП (металл-диэлектрик-полупроводник, в англоязычной литературе -

metal-insulator-semiconductor, MIS), имеющий изолированный затвор, напряжение на котором изменяет проводимость канала. Основное различие между JFET и МОП транзистором заключается в том, что в МОП транзисторе электрод затвора электрически изолирован от основного токоведущего канала между стоком и истоком слоем изоляционного материала, которым обычно является аморфный (стеклообразный) диоксид кремния.

Транзисторы МОП имеют четыре контакта: исток, сток, затвор и база либо подложка.

Исток - это контакт, через который в МОП транзистор поступают основные носители заряда.

Сток - это контакт, через который основные носители заряда выходят из МОП транзистора.

Затвор - контакт, напряжение на котором изменяет сопротивление между истоком и стоком.

База - это подложка, на которой построен МОП транзистор.

Канал - это область, в которой основные носители проходят от истока к стоку. На рис. 1.1.1. показана схема МОП транзистора.

Рис. 1.1.1 Схема МОП транзистора.

Основной принцип МОП транзистора состоит в том, чтобы управлять током между истоком и стоком, используя напряжение, приложенное к затвору. Приповерхностный слой полупроводника, граничащий с оксидным слоем, расположенным между истоком и стоком, может быть инвертирован из р-типа в п-тип путём приложения положительного напряжения на затвор. При приложении достаточного положительного напряжения возникает п-канал. Положительное напряжение также притягивает в канал электроны из областей истока и стока п+. Если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течёт между истоком и стоком, а напряжение на затворе управляет концентрацией электронов в канале. При подаче отрицательного напряжения на затвор, под слоем оксида образуется область, обогащённая дырками и канал закрывается [17].

Текущая проектная норма для МОП транзисторов на основе кремния достигла 7 нм, и дальнейшее сокращение длины канала будет вызывает ряд негативных явлений (эффект короткого канала, повышенное рассеивание мощности и др.). Использование полупроводникового материала с более высокой подвижностью носителей в качестве канала устройства может обеспечить больший ток исток-сток без изменения структуры и размера устройства. Подвижность электронов и дырок в германии больше чем в кремнии [18], а

кристаллическая структура германия аналогична кристаллической структуре кремния, германий совместим с текущими процессами изготовления интегральных схем на основе кремния и считается многообещающим материалом - кандидатом на замену кремния в МОП транзисторах.

Подготовка высококачественного пассивирующего интерфейсного слоя в МОП и формирование канала с квантовой ямой - два распространенных метода повышения быстродействия транзистора на основе Ge [19]. Эксперименты показывают, что GeO2 является идеальным пассивирующим слоем для интерфейса high-k/Ge, то есть high-k/GeO2/Ge имеет низкую плотность поверхностных состояний и может обеспечить более высокую подвижность носителей заряда [20]. Однако GeO2 химически нестоек, например, хорошо растворяется в воде, к тому же ширина запрещенной зоны GeO меньше ширины запрещенной зоны GeO2, что сильно влияет на надежность устройства. Для получения высококачественного пассивирующего слоя в структуре high-k/Ge, были предложены следующие методы.

1) Технология окисления при высоком давлении и низкотемпературного отжига в кислороде (high-pressure oxidation and low-temperature oxygen annealing - HPO and LOA) для формирования структур с низкой плотностью поверхностных состояний [21].

2) Плазменное постокисление (plasma post-oxidation, PPO) и пост-окисление в озоне (ozone post-oxidation, OPO) [22][23], процесс которого показан в рис. 1.1.2. После пост-окислении в озоне, плотность поверхностных состояний уменьшается, а подвижность носителей заряда увеличивается, как показано на рис. 1.1.3.

Рис. 1.1.2 Процесс пост-окисления с образованием структуры high-k/GeOx/Ge.

Hnergy

Рис. 1.1.3 Сравнение свойств МОП транзистора (до и после постоксидирования). (а) плотность поверхностных состояний Dit; (б) подвижность носителей заряда от плотности поверхностных состояний.

3) Отжиг после азотирования оксида германия [24] позволяет эффективно подавлять взаимную диффузию подзатворных диэлектрических слоев подложки. Кроме того, легирование оксида иттрия (Y2O3) в GeO2 также может обеспечить хорошие свойства интерфейса. Легирование улучшает растворимость GeO2 в воде, уменьшая при этом количество центров захвата электронов в GeO2 [19].

Структура квантовой ямы является методом повышения быстродействия транзистора на основе Ge. В настоящее время наиболее распространенным методом является использование отклонения положения энергетической зоны между Si и Ge на конце валентной зоны, так что структура квантовой ямы Si/Ge формируется, когда канал Ge находится в режиме инверсии, чтобы эффективно избежать взаимодействия между носителями в канале и дефектами в интерфейсе или в подзатворном диэлектрике [25][26]. Однако эффект пассивации интерфейса структуры квантовой ямы применим только к p-МОП транзистору германия, а в n-МОП транзисторах для уменьшения влияния дефектов в интерфейсе используют слой SÍO2 на Si.

Кроме этих способов, в настоящее время активно ведётся исследование полевого

транзистора с отрицательной емкостью [27], т.е. добавление слоя плёнки из ферроэлектрического материала к подзатворному диэлектрику для реализации усиления электрического сигнала затвора. Например, при добавлении плёнки Hf0.5Zr0.5O2 в подзатворный диэлектрик транзистора (показано в рис. 1. 1.4), когда её ёмкость совпадает с ёмкостью диэлектрического слоя, эффект отрицательной ёмкости Hf0.5Zr0.5O2 увеличит конечную последовательную ёмкость и увеличит поверхностный потенциал, тем самым уменьшая напряжение питания.

Рис. 1.1.4 SEM и схема МОП-транзистора Ge (FinFETs) с отрицательной емкостью. 1.1.2 Плёнки GeOx и GeSixOy в энергонезависимой памяти

Энергонезависимой памятью, в англоязычной литературе - non volatile random access

memory, называется память с произвольным доступом, которая сохраняет данные без

14

FE HZO

GeOx

nGe

подачи питания. Она отличается от динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) и статической памяти с произвольным доступом (SRAM), которые хранят данные только при включённом питании. Одним из видов энергонезависимой памяти является флэш-память.

Прообразом флэш-памяти можно считать разработку МОП-транзистора с плавающим затвором (floating gate MOS - FGMOS), которая была предложена Kahng и Sze в 1967 году [28], в данном транзисторе затвор электрически изолирован, его потенциал зависит от его заряда, а ряд вторичных затворов или входов располагаются над плавающим затвором (ПЗ) и электрически изолированы от него. Между этими входами и ПЗ существует только ёмкостная связь. Поскольку ПЗ окружен высокоомным материалом, заряд, содержащийся в нем, остается неизменным в течение длительного периода времени, в настоящее время обычно превышающего 10 лет. Фудзио Масуока, работая в компании Toshiba, предложил новый тип памяти с ПЗ, который позволял быстро и легко стирать целые участки памяти, подавая напряжение на один провод, подключенный к группе ячеек. Это привело к изобретению Масуокой флэш-памяти в компании Toshiba в 1980 году [29]. Вследствие постоянного уменьшения размеров форма элементов флэш-памяти меняется для того, чтобы обеспечить большую степень интеграции. В последнее время традиционные двухбитные устройства (имеющие только два рабочих состояния, транзистор включен либо выключен) постепенно заменяются на многобитные, в которых есть ещё одно или несколько промежуточных состояний транзистора.

Транзистор с ПЗ представляет собой комплементарную технологию металл-оксид-полупроводник (CMOS), способную удерживать электрический заряд в запоминающем устройстве, используемом для хранения данных. Ячейки флэш-чипа расположены в виде решетки, на каждом пересечении которой находится транзистор. Каждый транзистор имеет два затвора: один известен как ПЗ, а другой называется управляющим затвором. Два затвора отделены друг от друга тонким диэлектрическим материалом, например оксидным слоем. Поскольку ПЗ электрически изолирован оксидным слоем, заряд, инжектируемый в него, хранится там. Именно это делает флэш-память энергонезависимой. Флэш-память работает путем добавления (зарядки) или удаления

(разрядки) электронов к ПЗ. Состояние бита 0 или 1 зависит от того, заряжен или разряжен

15

ПЗ. Когда электроны присутствуют в ПЗ, ток не может протекать через канал транзистора, и состояние бита равно 0. Это нормальное состояние транзистора с ПЗ, когда бит запрограммирован. Когда электроны удаляются с ПЗ, канал открывается, по нему может идти ток, и состояние бита равно 1.

Раньше ПЗ изготовлялся из поликристаллического кремния, разделённого от управляющего затвора и канала транзистора диэлектриком. Далее, в связи с уменьшением размеров памяти, в качестве ПЗ стали использовать нитрид кремния, так как в нём очень высока концентрация ловушек, в которых хранится заряд. В последнее время ведётся активный поиск новых диэлектриков и материалов ПЗ для развития флэш-памяти.

Растущее использование портативной электроники и встроенных систем требует создания флэш-памяти с низким энергопотреблением и высокой плотностью. Преимуществом использования материалов на основе германия является то, что флэш-память на основе НК Ge работает при более низком напряжении с большей скоростью записи/стирания информации, чем обычная флэш-память. Это объясняется тем, что потеря заряда сдерживается за счёт захвата носителей заряда в Ge НК, что позволяет зарядам туннелировать через оксидный слой. По сравнению с Si НК, Ge НК, встроенные в оксиды, обеспечивают улучшенные характеристики удержания заряда благодаря меньшей запрещённой зоне у германия, что обеспечивает более высокий барьер удержания для режима удержания и меньший барьер для режимов программного стирания [8].

Важным параметром энергонезависимых устройств памяти является ширина окна памяти, которая пропорциональна количеству хранимого заряда. Желательно иметь большое окно памяти. Оно позволяет легко различать запрограммированное и незапрограммированное состояние и облегчает реализацию многоуровневых (многобитовых) устройств памяти. Благодаря большому количеству публикаций, посвященных этому параметру, можно сравнить ширину окна памяти для различных материалов. В обзоре[30] показано, что встраивание НК Ge в аморфные оксиды помогает уменьшить негативное влияние границ зерен и связанных с ними дефектов. Эти дефекты могут выступать в качестве центров рекомбинации или путей быстрой утечки в устройствах памяти на основе Ge-НК. На рис. 1.1.5 показаны окна памяти для флэш-памяти на базе НК

Ge, внедрённых в АЬОз. Из анализа рисунков видно, что структуры памяти с одним слоем

16

для хранения заряда демонстрируют очень большие окна памяти. Ещё большие окна памяти до 6.4 В могут быть сформированы при использовании пяти слоев НК Ge, внедрённых в ЛШз.

Рис. 1.1.5 Наблюдаемые окна памяти для НК Ge, внедрённых в ЛЬОз, и (Ь) изменение ширины окна памяти в зависимости от напряжения на затворе для структур памяти с одним (НК^е 1Ц) и пятью (НК^е 5L) слоями памяти. [30]

Понятие «мемристор» было первоначально предложено Леоном Чуа в 1971 году, он ввёл четвертый фундаментальный элемент схемотехники чтобы дополнить симметрию схемотехники [31][32]. Устройство было предложено как отсутствующий пассивный элемент, который мог бы связать магнитный поток с электрическим зарядом, свойство, которое не может быть получено какой-либо комбинацией трех других основных элементов, а именно резистора, конденсатора и катушки индуктивности. Стоит отметить, что современное представление о мемристоре отличается от предложенного Леоном Чуа, сейчас под мемристором понимают резистор, сопротивление которого зависит от того, какой ток (заряд) был через него пропущен. Само слово (на английском) memristor состоит из двух корней -memory (память) и resistor (сопротивление). Элементарный мемристор можно рассматривать как двухконтактное устройство с многослойной структурой (обычно металл/изолятор/металл (metal-insulator-metal - MIM)), которое обычно интегрируется в элементарную схему, как показано на рис.1.1.6.

Рис. 1.1.6 Схема структуры мемристора с конфигуряцией металл-изолятор-металл.

В 2008 году Hewlett-Packard (HP) Labs объявила о первой физической реализации мемристора на основе TiOx [33]. Используя простую модель, исследователи из лаборатории HP продемонстрировали, что явление управляемого переключения состояний сопротивления (мемристорный эффект) естественным образом возникает в наноструктурах. Мемристоры продолжают стимулировать непрерывный рост мирового исследовательского рынка в качестве многообещающей альтернативы классическим МОП-транзисторам благодаря их потенциальной масштабируемости и низкому энергопотреблению для приложений памяти.

Обычно, изоляторный слой в мемристоре состоит из одного или нескольких оксидов металлов с полупроводниковыми свойствами [34], например TiO2, ZnO, НГО2, AI2O3, GeOx, SiO2 и т.д. [35][36P7]. Общепринятым механизмом резистивного переключения в мемристорах на основе оксидов металлов является образование и разрушение проводящих нитей (филаментов) внутри активного слоя, которые вызывают переход устройства из состояния «выключено» в состояние «включено» и наоборот. В настоящее время общепринято, что образование и разрушение филаментов происходит вследствие следующих механизмов: изменение валентности (valence change memory - VCM) и электрохимическая металлизация

(electrochemical metallization cell - ECM). Механизм VCM основан на индуцированной

18

миграции анионов (обычно О2-), которые под действием электрического поля дрейфуют к аноду, при этом вблизи катода скапливаются вакансии кислорода, что изменяет валентное состояние ионов металла (или полупроводника) в этой области, что приводит к изменению электронной проводимости. Механизм ЕСМ основан на миграции и электрохимических реакциях активных ионов металлов в твёрдых или твёрдоподобных электролитах.

Нестехиометрические плёнки GeOx и GeSixOy перспективны в качестве нового материала для активной среды в мемристорах, так как обладают следующими преимуществами - они нетоксичные, процессы их синтеза не дороги, метод осаждения позволяет использовать низкие температуры. Кроме того, обилие ионов германия и вакансий кислорода в нестехиометрических германосиликатных стеклах (твёрдые растворы GeSixOy и GeOx) способствует образованию нитей проводимости при окислительно-восстановительных реакциях и реакции диспропорционирования. Это хорошее качество для использования в резистивных переключающих устройствах, так как приводит к устойчивым резистивным переключениям МОП-транзисторе на основе нанонитей Ge/GeOx [7]. Mahesh Т и его коллеги продемонстрировали, что гексагональный кристалл GeO2 является материалом с превосходной электропрочностью, они показали, что структура Лg/GeO2/ITO является перспективным запоминающим устройством для разработки высокостабильных мягких и гибких электронных синапсов [38]. В.А. Володин с соавторами показали, что в нестехиометрических германосиликатных плёнках, содержащих НК или аморфные нанокластеры германия, наблюдаются резистивные переключения [39] и что электрофизические свойства таких плёнок, содержащих НК германия, будут более стабильными и, возможно, окно памяти (соотношение сопротивления во включенном и выключенном состояниях) будет лучше [40]. Они показали, что механизм резистивного переключения в плёнках GeSixOy в мемристорах состоит в том, что аморфные нанокластеры германия действуют как глубокие ловушки для дырок [41]. Стоит отметить, что слабая химическая стойкость GeO2 может быть использована и как достоинство, в работе Жулинь Фена с соавторами были созданы мемристоры на базе плёнок GeO2 в которых можно мгновенно уничтожить хранимую информацию, опустив устройство в воду, что может быть использовано в целях безопасности. Кроме того, совместимые с технологией КМОП тонкие

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чжан Фань, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Silicon nanocrystals: unfading silicon materials for optoelectronics / Z. Ni, S. Zhou, S. Zhao et al. // Materials Science and Engineering: R: Reports. - 2019. - Т. 138. С. 85-117.

[2] The amazing world of self-organized Ge quantum dots for Si photonics on SiN platforms / P.Y. Hong, C.H. Lin, I.H. Wang et al. // Applied Physics A. - 2023. - Т. 129, №2.

[3] Проявление квантоворазмерных эффектов в нанокристаллах и аморфных нанокластерах германия в плeнках GeSixOy / М.П. Гамбарян, Г.К. Кривякин, С.Г. Черкова и др. // Физика твердого тела. - 2020. - №3. - C. 434.

[4] Shirahata, N. Solution-processable white-light-emitting germanium nanocrystals / N. Shirahata // Journal of Solid State Chemistry. - 2014. - Т. 214. - С. 74-78.

[5] Size-dependent near-infrared photoluminescence from Ge nanocrystals embedded in SiO2 matrices / S. Takeoka, M. Fujii, S. Hayashi et al. // Physical Review B. - 1998. - Т. 58, №12. - С. 7921-7925.

[6] Reduced GeO2 nanoparticles: Electronic structure of a nominal GeOx Complex and its stability under H2 annealing / J. Zhao, L. Yang, J. A. McLeod et al. Scientific Reports. - 2015. - Т. 5, № 1.

[7] Resistive switching memory characteristics of Ge/GeOx nanowires and evidence of oxygen ion migration / A. Prakash, S. Maikap, S.Z. Rahaman et al. // Nanoscale Research Letters. - 2013. - Т. 8, №1.

[8] Two-dimensional arrays of ordered, highly dense and ultra-small Ge nanocrystals on thin SiO2 layers /1. Berbezier, A. Karmous, A. Ronda et al. // - 2005.

[9] Germanium-based integrated photonics from near- to mid-infrared applications / Marris-Morini, V. Vakarin, J.M. Ramirez et al. // Nanophotonics. -2018. - Т. 7, №11. - С. 1781-1793.

[10] Germanium based photonic components toward a full silicon/germanium photonic platform / V. Reboud, A. Gassenq, J.M. Hartmann et al. // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. - 2017. - Т. 63, №2. - С. 1-24.

[11] GeOx/reduced graphene oxide composite as an anode for Li-Ion batteries:

122

enhanced capacity via reversible utilization of Li2O along with improved rate performance/ D. Lv, M.L. Gordin, R. Yi et al. // Advanced Functional Materials. -2013. - Т. 24, №8. - С. 1059-1066.

[12] Germanium-based complex derived porous GeO2 nanoparticles for building high performance Li-ion batteries / J. Zhang, T. Yu, J. Chen et al. // Ceramics International. -2013. -Т. 44, №1. -С. 1127-1133.

[13] Ge pMOSFETs with GeOx passivation formed by ozone and plasma post oxidation/ Y. Xu, G. Han, H. Liu et al // Nanoscale Research Letters. - 2019. - Т. 14, №1.

[14] Photoluminescence of GeO2 films containing germanium nanocrystals / V.A. Volodin, E.B. Gorokhov, M.D. Efremov et al. // Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. - 2019. - Т. 77, №8. - С. 411-414.

[15] Wang, S.K. Kinetic study of GeO disproportionation into a GeO2/Ge system using x-ray photoelectron spectroscopy / S.K. Wang, H.G. Liu, A. Toriumi // Applied Physics Letters. - 2012. - Т. 101, №6. - С. 061907.

[16] В.Г. Шинкаренко. Материалы лекций / В.Г. Шинкаренко // 2010-2011 уч.

год.

[17] [Электронный ресурс] // URL: https://www.elprocus.com/mosfet-as-a-switch-circuit-diagram-free-circuits/.

[18] Sze, S.M. Physics of semiconductor devices, 2nd ed / S. M. Sze. - Wiley, N.Y., 1981. -С. 789

[19] Ge MOSFETs performance: Impact of Ge interface passivation / C.H. Lee, T. Nishimura, T. Tabata et al. // Technical Digest - International Electron Devices Meeting, IEDM. - 2010. - Т. 2. - С. 416-419.

[20] Matsubara, H. Evidence of low interface trap density in GeO2/Ge metal-oxide-semiconductor structures fabricated by thermal oxidation / H. Matsubara, T. Sasada, M. Takenaka, S. Takagi // Applied Physics Letters. - 2008. - Т. 93, №3. -С. 032104-032104.

[21] High-electron-mobility Ge/GeO2 n-MOSFETs with two-step oxidation / C.H. Lee, T. Nishimura, K. Nagashio et al. // IEEE Trans Electron Device. - 2011. - Т. 58, №3. -С. 1295-1301.

[22] High mobility Ge pMOSFETs with 0.7 nm ultrathin EOT using

HfO2/Al2O3/GeOx/Ge gate stacks fabricated by plasma post oxidation / R. Zhang, P. C.

123

Huang, N. Taoka et al. // - 2012. - C.161-162.

[23] Aggressive EOT scaling of Ge pMOSFETs with HfO2/AlOx/GeOx gate stacks fabricated by ozone post oxidation / R. Zhang, X. Tang, X. Yu et al. // IEEE Electron Device Letters. - 2016. - T. 37, №7. - C. 831-834.

[24] Design and control of Ge-based metal-oxide-semiconductor interfaces for high-mobility field-effect transistors with ultrathin oxynitride gate dielectrics / Y. Minoura, A. Kasuya, T. Hosoi et al. // Applied Physics Letters. - 2013. - T. 103, №3. -C. 033502.

[25] Ge nFET with high electron mobility and superior PBTI reliability enabled by monolayer-Si surface passivation and La-induced interface dipole formation / H. Arimura, S. Sioncke, D. Cott, et al. // n: Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). - 2015. - C. 1-4.

[26] High mobility strained germanium quantum well field effect transistor as the p-channel device option for low power (Vcc = 0.5 V) III-V CMOS architecture / Pillarisetty R, Chu-Kung B, Corcoran S, et al. // In: Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). - 2010. - C. 1-4.

[27] Ge nanowire FETs with HfZrOx ferroelectric gate stack exhibiting SS of sub-60 mV/dec and biasing effects on ferroelectric reliability / C. Su, T. Hong, Y. Tsou, et al. // In: Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM). -2017. -C. 1-4.

[28] Kahng, D. A floating gate and its application to memory devices / D. Kahng

S.M. Sze // Bell System Technical Journal. - 1967. - T. 46, №6. - C. 1288-1295.

[29] Masuoka, F. Semiconductor memory device and method for manufacturing the same / F. Masuoka, H. Iizuka. - 1985.

[30] Lehninger, D. A review on Ge nanocrystals embedded in SiO2 and high-k dielectrics / D. Lehninger, J. Beyer, J. Heitmann // Phys. Status Solidi A. - 2018. - T. 215, №7. -C. 1701028 (1-13).

[31] Chua, L. Memristor-The missing circuit element / L. Chua // IEEE Transactions on Circuit Theory. - 1971. - T. 18, №5. - C. 507-519.

[32] Chua, L. Resistance switching memories are memristors / L. Chua // Appl. Phys. A.-2011.-T. 102, №4.-C. 765-783.

[33] Strukov, D.B. The missing memristor found / D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R.

Stewart, W.R. Stanley // Stanley Williams RNature. - 2008. - Т. 453, №1. - С. 80-83.

[34] Waser, R. Aono M. Nanoionics-based resistive switching memories / R. Waser, M. Aono // Nat. Mater. - 2007. - Т. 6, №11. - С. 833-840.

[35] Coexistence of filamentary and homogeneous resistive switching with memristive and meminductive memory effects in Al/MnO2/SS thin film metal-insulator-metal device / A.C. Khot, N.D. Desai, K.V. Khot et al. // International Nano Letters. - 2018. - Т. 8, №4. - С. 263-275.

[36] Investigation of the switching mechanism in TiO2-Based RRAM: A two-dimensional EDX approach / D. Carta, I. Salaoru, A. Khiat et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2016. - Т. 8, №30. - С. 19605-19611.

[37] Mechanism of GeO2 resistive switching based on the multi-phonon assisted tunneling between traps / A.V. Shaposhnikov, T.V. Perevalov, V.A. Gritsenko et al. // Applied Physics Letters. - 2012. - Т. 100. - С. 243506.

[38] Highly flexible and asymmetric hexagonal-shaped crystalline structured germanium dioxide-based multistate resistive switching memory device for data storage and neuromorphic computing / M.Y. Chougale, M.U. Khan, J. Kim et al.

//Advanced Electronic Materials. - 2022. - Т. 8, №10. - С. 2200332.

[39] Resistive switching in non-stoichiometric germanosilicate glass films containing Ge nanoclusters / V.A. Volodin, P. Geydt, G.N. Kamaev et al. // Electronics. -2020. -Т. 9, №12. -С. 2103.

[40] Memristor effect in GeO[SiO2] and GeO[SiO] solid alloys films / В.А. Володин, Г.Н. Камаев, V.A. Gritsenko et al. // Applied Physics Letters. - 2019. - Т. 114, №23.

[41] Володин, В.А. Negative and positive photoconductivity and memristor effect in alloyed GeO[SiO] films containing Ge nanoclusters / В.А. Володин, Г.Н. Камаев, M. Vergnat // Physica Status Solidi (rrl). - 2020. - Т. 14, №7. - С. 2000165-2000165.

[42] Investigation of physically transient resistive switching memory based on GeO2 thin films / J.Feng, W. Hu, F. Zeng et al. //Applied Physics Letters. - 2020. - Т. 117, №19. -С. 192102.

[43] Carbon-silicon core-shell nanowires as high capacity electrode for Lithium Ion batteries / L.F. Cui, Y. Yang, C M. Hsu, Y. Cui // Nano Letters. - 2009. - Т. 9, №9. -С. 3370-3374.

[44] Three-dimensional interconnected network GeOx/multi-walled CNT composite spheres as high-performance anodes for lithium ion batteries / W. He, H. Tian, X. Wang et al. // Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability. -2015. - T. 3, №38. - C. 19393-19401.

[45] Tetragonal phase germanium nanocrystals in Lithium Ion batteries / Y.J. Cho, H.S. Im, H.S. Kim et al. //ACS Nano. - 2013. - T. 7, №10. - C. 9075-9084.

[46] One-step synthesis of novel mesoporous three-dimensional GeO2 and its lithium storage properties / H. Jia, R. Kloepsch, X. He et al. // Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability. - 2014. - T. 2, №41. - C. 17545-17550.

[47] Storage of Lithium in hydrothermally synthesized GeO2 nanoparticles / Y.M. Lin, K.C. Klavetter, A. Heller, C.B. Mullins // J. Phys. Chem. Lett.. - 2013. - T. 4, №6. -C. 999-1004.

[48] Catalytic role of Ge in highly reversible GeO2/Ge/C nanocomposite anode material for lithium batteries / K.H. Seng, M.H. Park, Z.P. Guo et al. //Nano Letters. -2013. - T. 13, №3. - C. 1230-1236.

[49] Electrochemical behavior of Ge and GeX2 (X=O, S) glasses:Improved reversibility of the reaction of Li with Ge in a sulfide medium / Y. Kim, H. Hwang, K. Lawler et al. // Electrochim. Acta. - 2008. - T. 53, №15. - C. 5058-5064.

[50] Lithium Germanate (Li2GeO3): A high-performance anode material for lithium-Ion batteries / M.M. Rahman, I. Sultana, T. Yang et al. // Angewandte Chemie International Edition. - 2016. - T. 55, №52. - C. 16059-16063.

[51] Wei, W. One-step in situ synthesis of GeO2/graphene composites anode for high-performance Li-Ion batteries / W. Wei, L. Guo // Particle & Particle Systems Characterization. - 2013. - T. 30, №8. - C. 658-661.

[52] Group IVA element (Si, Ge, Sn)-based alloying/dealloying anodes as negative electrodes for full-cell lithium-ion batteries / D. Liu, Z. jiao Liu, X. Li // Small. -2017. - T. 13, №45. - C. 1702000-1702000.

[53] Crumpled N-doped carbon nanotubes encapsulated with peapod-like Ge nanoparticles for high-rate and long-life Li-ion battery anodes / K. Huo, L. Wang, C. Peng // Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability. -2016. - T. 4, №20. - C. 7585-7590.

[54] Chen, Y. Strain-Driven formation of multilayer graphene/GeO2 tubular

126

nanostructures as high-capacity and very long-life anodes for Lithium-Ion batteries / Y. Chen, C. Yan, O. G. Schmidt //Advanced Energy Materials. - 2013. - T. 3, №10. - C. 1269-1274.

[55] Hanrath, T. Crystallography and surface faceting of germanium nanowires / T. Hanrath, B.A. Korgel // Small. - 2015. - T. 1, №7. - C. 717-721.

[56] Seedless growth of Sub-10 nm germanium nanowires / R. G. Hobbs, S. Barth, N. Petkov et al. // Journal of the American Chemical Society. - 2010. - T. 132, №39. -C. 13742-13749.

[57] Germanium nanowire growth below the eutectic temperature / S. Kodambaka, J. Tersoff, M. C. Reuter, F. M. Ross // Science. - 2007. - T. 316, №5825. - C. 729-732.

[58] Template-free preparation of crystalline Ge nanowire film electrodes via an electrochemical liquid-liquid-solid process in water at ambient pressure and temperature for energy storage / J. Gu, S.M. Collins, A.I. Carim et al. // Nano Letters. - 2012. - T. 12, №9. - C. 4617-4623.

[59] High-performance germanium nanowire-based lithium-ion battery anodes extending over 1000 cycles through in situ formation of a continuous porous network / T. Kennedy, E. Mullane, H. Geaney et al. // Nano Letters. - 2014.-T. 14, №2. - C. 716-723.

[60] In situ TEM of two-phase lithiation of amorphous silicon nanospheres / M.T. McDowell, S.W. Lee, J.T. Harris et al. // Nano Letters. - 2013. - T. 13, №2. - C. 758-764.

[61] Cheng, J. Facile synthesis of germanium-graphene nanocomposites and their application as anode materials for lithium ion batteries / J. Cheng, J. Du // CrystEngComm. - 2012. - T. 14, №2. - C. 397-400.

[62] Highly reversible lithium storage in spheroidal carbon-coated silicon nanocomposites as anodes for lithium-ion batteries / S.H. Ng, J. Wang, D. Wexler et al. //Angewandte Chemie International Edition. - 2006. - T. 45, №41. - C. 6896-6899.

[63] Self-assembled Germanium/Carbon nanostructures as high-power anode material for the lithium-ion battery / K.H. Seng, M.H. Park, Z.P. Guo et al. // Angewandte Chemie. - 2012. - T. 51, №23. - C. 5657-5661.

[64] Lead-zirconate-titanate-based piezoelectric micromachined switch / S.J. Gross, S. Tadigadapa, T.N. Jackson et al. // Applied Physics Letters. - 2003. - T. 83, №1. -C. 174-176.

[65] Shroff, Y. Fabrication of parallel-plate nanomirror arrays for extreme ultraviolet maskless lithography / Y. Shroff, Y. Chen, W. Oldham // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. - 2001. - T. 19, №6. -C. 2412.

[66] Air-gap polysilicon thin film transistors on glass substrates / H. Mahfoz-Kotb, A.C. Salaun, T. Mohammed-Brahim et al. // Sensors and Actuators A: Physical. -2004. -T. 113, №3. -C. 344-349.

[67] Ge-blade damascene process for post-CMOS integration of nano-mechanical resonators / H. Takeuchi, E. Quevy, S.A. Bhave et al. // IEEE Electron Device Letters.

- 2004. - T. 25, №8. - C. 529-531.

[68] Surface micromachined AlN thin film 2 GHz resonator for CMOS integration / M. Hara, J.H. Kuypers, T. Abe, Masayoshi Esashi // Sensors and Actuators A: Physical. -2005. -T. 117, №2. - C. 211-216.

[69] Ge and GeOx films as sacrificial layer for MEMS technology based on piezoelectric AlN: etching and planarization processes (Invited Paper) / J. Sangrador, J. Olivares, E. Iborra et al. // - 2005. - C. 1-15.

[70] Holland, L. Vacuum deposition of thin films / L. Holland. - New York: NY:Wiley, 1966.

[71] Bunshan, R.F. Deposition technologies for films and coatings / R.F. Bunshah.

- Park Ridge, NJ: Noyes, 1994.

[72] Deal, B.E. General relationship for the thermal oxidation of silicon / B.E. Deal, A.S. Grove // Journal of Applied Physics. - 1965. - T. 36, №12. - C. 3770-3778.

[73] Thermal oxidation kinetics of germanium / X. Wang, T. Nishimura, T. Yajima, A. Toriumi //Applied Physics Letters. - 2017. - T. 111, №5. - C. 052101.

[74] Laser irradiation of metal oxide films and nanostructures: Applications and advances / H. Palneedi, J.H. Park, D. Maurya et al. // Advanced Materials. - 2018. - T. 30, №14.-C. 1705148-1705148.

[75] Wood, R.F. Macroscopic theory of pulsed-laser annealing. I. Thermal

128

transport and melting / R.F. Wood, G.E. Giles // Phys. Rev. B. - 1981. - Т. 23, №6. -С. 2923-2942.

[76] Ekimov, A.I. Quantum size effect in the optical-spectra of semiconductor micro-crystals / A.I. Ekimov, A.A. Onushchenko // Soviet Physics Semiconductors-USSR. - 1982. - Т. 16. - С. 775-778.

[77] Efros, Al. L. Interband absorption of light in a semiconductor sphere / A.L. Efros, Al.L. Efros // Soviet Physics - Semiconductors. - 1982. Т. 16, №7. - С. 772-775.

[78] Кубо, Р. Статистическая механика / Р. Кубо. - М.: Мир, 1967. - 452 c.

[79] Hanamura, E. Exciton enhancement of optical non-linearity in low-dimensional crystals / E. Hanamura // Optical and Quantum Electronics. - 1989. -Т. 21, №6. -С. 441-450.

[80] Semiconductor quantum dots and quantum dot arrays and applications of multiple exciton generation to third-generation photoTtaic solar cells / A.J. Nozik, M.C. Beard, J.M. Luther et al. // Chemical Reviews. - 2010. - T. 110, №11. - С. 6873-6890.

[81] Mid-infrared HgTe colloidal quantum dot photodetectors / S. Keuleyan, E. Lhuillier, V. Brajuskovic, P. Guyot-Sionnest // Nature Photonics. - 2011. - T. 5, №8. -С. 489-493.

[82] Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies / Y. Shirasaki, G.J. Supran, M.G. Bawendi, V. Bulovic // Nature Photonics. - 2013. - T. 7, №1. - С. 13-23.

[83] Carrier multiplication in germanium nanocrystals / S. Saeed, C. de Weerd, P. Stallinga et al. // Light-Science & Applications. - 2015. - T. 4, №2. - С. e251-e251.

[84] Gas-phase synthesis of tunable-size germanium nanocrystals by inert gas condensation / X. Zhu, G.H. ten Brink, S. de Graaf et al. // Chemistry of Materials. -2020. - T. 32, №4. - С. 1627-1635.

[85] Nanostructured Si(1-x)Gex for tunable thin film lithium-ion battery anodes / PR. Abel, A.M. Chockla, Y.M. Lin, et al. // ACS Nano. - 2013. - T. 7, №3. - С. 2249-2257.

[86] Dense Ge nanocrystal layers embedded in oxide obtained by controlling the diffusion-crystallization process / A.M. Lepadatu, T. Stoica, I. Stavarache et al. //

Journal of Nanoparticle Research. - 2013. - T. 15, №10.

129

[87] Single-fabrication-step Ge nanosphere/SiO2/SiGe heterostructures: a key enabler for realizing Ge MOS devices / P.H. Liao, K.P. Peng, H.C. Lin et al. // Nanotechnology. - 2018. - T. 29, №20. - C. 205601-205601.

[88] Growth and self-organization of SiGe nanostructures / J.N. Aqua, I. Berbezier, L. Favre et al. // Physics Reports. - 2013. - T. 522, №2. - C. 59-189.

[89] Ye, H. Germanium epitaxy on silicon / H. Ye, J. Yu // Science and Technology of Advanced Materials. - 2014. - T. 15, №2. - C. 024601.

p°] Effect of Ge incorporation on bandgap and photosensitivity of amorphous SiGe thin films / G.G. Pethuraja, R.E. Welser, A.K. Sood et al. // Materials Sciences and Applications. -2012. -T. 3, №2. - C. 67-71.

[91] Annealing temperature effect on structure and electrical properties of films formed of Ge nanoparticles in SiO2 /1. Stavarache, A.M. Lepadatu, T. Stoica, M.L. Ciurea //Applied Surface Science. - 2013. - T. 285. - C. 175-179.

[92] Characterization of Ge nanocrystals in a-SiO2 synthesized by rapid thermal annealing / W. Choi, S. Kanakaraju, Z. Shen, W. Li // Applied Surface Science. - 1999. -T. 144-145. -C. 697-701.

[93] Influence of the deposition parameters on the growth of SiGe nanocrystals embedded in AhO3 matrix / E.M.F. Vieira, S.R.C. Pinto, S. Levichev et al. // Microelectronic Engineering. - 2011. - T. 88, №4. - C. 509-513.

[94] Structural and optical properties of germanium nanostructures on Si(100) and embedded in high-k oxides / S.K. Ray, S. Das, R.K. Singha et al. // Nanoscale Research Letters. - 2011. - T. 6, №1.

[95] Effect of germanium concentration and oxide diffusion barrier on the formation and distribution of germanium nanocrystals in silicon oxide matrix / H.G. Chew, W.K. Choi, Y.L. Foo et al. // Nanotechnology. - 2006. - T. 17, №8. - C. 1964-1968.

[96] Stacked Ge nanocrystals with ultrathin SiO2 separation layers / M. Zschintzsch, J. von Borany, N. Jeutter, A. Mücklich // Nanotechnology. - 2011. - T. 22, №46. - C. 465302-465302.

[97] IBA study of SiGe/SiO2 nanostructured multilayers / N.P. Barradas, E. Alves, E.M.F. Vieira et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. - 2014. - T. 331. - C. 89-92.

[98] Synthesis and characterization of Ge nanocrystals immersed in amorphous

130

SiOx matrix / Y.X. Jie, X. Wu, C.H.A. Huan et al. // Surface and Interface Analysis. -1999. - T. 28, №1. - C. 195-199.

[99]Coupled confinement effect on the photoluminescence and electrical transport in porous silicon / M.L. Ciurea, M. Draghici, V. Iancu et al. // Journal of Luminescence. - 2003. - T. 102-103. - C. 492-497.

[100] Enhanced photoconductivity of SiGe nanocrystals in SiO2 driven by mild annealing / M.T. Sultan, A. Manolescu, J.T. Gudmundsson et al. // Applied Surface Science. - 2019. - T. 469. - C. 870-878.

[101] Infrared luminescence of annealed germanosilicate layers /M.S. Tokay, E. Yasar, S. Agan, A. Aydinli // Journal of Luminescence. - 2014. - T. 147. - C. 121-126.

[102] Ardyanian, M. Structure and photoluminescence properties of evaporated GeOxSiO2 multilayers / M. Ardyanian, H. Rinnert, and M. Vergnat // Journal of Applied Physics. - 2006. - T. 100, №11.-C. 113106-113106.

[103] Oxygen transport and GeO2 stability during thermal oxidation of Ge / S.R.M. da Silva, G.K. Rolim, G.V. Soares et al. / Applied Physics Letters. - 2012. - T. 100, №19. -C. 191907.

[104] Breakthroughs in 3D Sequential technology / L. Brunet, C. Fenouillet-Beranger, P. Batude et al. // 2018 IEEE International Electron Devices

Meeting (IEDM). - 2018.

[105] YoungI, T. The Bakerian Lecture. Experiments and calculations relative to physical optics / T. YoungI // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. - 1804. - T. 94. - C. 1-16.

[106] Spectrophotometry: report of OSA Progress Committee for 1922-3/ K.S. Gibson, HP. Gage, C.W. Keuffel et al. //J. Opt. Soc. Am. - 1925. - T. 10. - C. 169-241.

[107] Hardy, A.C. A Recording photoelectric color analyser / A.C. Hardy // Journal of the Optical Society of America. - 1929. - T. 18, №2. - C. 96.

[108] Rothen, A. The ellipsometer, an apparatus to measure thicknesses of thin surface films / A. Rothen // Review of Scientific Instruments. - 1945. - T. 16, №2. -C. 26-30.

[109] Drude, P. Ueber die gesetze der reflexion und brechung des lichtes an der grenze absorbirender krystalle / P. Drude // Annalen der Physik. - 1887. - T. 268,

№12. -C. 584-625.

[no] Drude, P. Ueber oberflächenschichten. I. Theil / P. Drude // Annalen der Physik. - 1889. - T. 272, №2. - C. 532-560.

[111] Nucleation and growth of calcium phosphate on amine-, carboxyl- and hydroxyl-silane self-assembled monolayers / G.K. Toworfe, R.J. Composto, I.M. Shapiro, P. Ducheyne // Biomaterials. - 2006. - T. 27, №4. - C. 631-642.

[112] Pei, J. The role of plasma proteins in cell adhesion to PEG surface-density-gradient-modified titanium oxide / J. Pei, H. Hall, N.D. Spencer // Biomaterials. -2011. - T. 32, №34. - C. 8968-8978.

[113] In situ endothelialization of intravascular stents coated with an anti-CD34 antibody functionalized heparin-collagen multilayer / Q. Lin, X. Ding, F. Qiu et al. // Biomaterials. -2010. -T. 31, №14. -C. 4017-4025.

[114] Spesivtsev, E.V. Development of methods and instruments for optical ellipsometry at the Institute of Semiconductor Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences / E.V. Spesivtsev, S.V. Rykhlitskii, V.A. Shvets // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2011. - T. 47, №5. - C. 419-425.

[115] Ellipsometry of GeO2 films with Ge nanoclusters: Influence of the quantum-size effect on refractive index / D.V. Marin, E.B. Gorokhov, A.G. Borisov et al. // Optics and Spectroscopy. - 2009. - T. 106, №3. - C. 436-440.

[116] Bruggeman, D.A.G. Berechnung verschiedener physikalischer konstanten von heterogenen substanzen. I. dielektrizitätskonstanten und leitfähigkeiten der mischkörper aus isotropen substanzen / D.A.G. Bruggeman // Annalen der Physik. -1935. - T. 416, №7. - C. 636-664.

[117] Chemical non-uniformity of thin dielectric films produced by ammonolysis of monosilane / V.I. Belyi, F.A. Kuznetsov, T.P. Smirnova et al. // Thin Solid Films. -1976. - T. 37, №2. - C. L39-L42.

[118] Stein, H.J. Chemically bound hydrogen in CVD Si3N4: Dependence on NH3/SiH4 ratio and on annealing / H.J. Stein, R. Wegener // Journal of The Electrochemical Society. - 1977. - T. 124, №6. - C. 908-912.

[119] Lanford, W.A. The hydrogen content of plasma-deposited silicon nitride / W.A. Lanford, M.J. Rand // Journal of Applied Physics. - 1978. - T. 49, №4. - C. 2473-2473.

[120] Hydrogen determination in silicon nitride films by the nuclear recoil method /1. P. Chernov, V. N. Shadrin, Ju P. Cherdantsev et al. // Thin Solid Films. - 1982. - T. 88, №1. -C. 49-54.

[121] Sumita, M. Silicon rich silicon oxide films deposited by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition method: Optical and structural properties / M. Sumita, S. Ray. // Applied Surface Science. - 2011. - T. 257, №23. - C. 9717-9723.

[122] Determination of the oxygen content in amorphous SiOx thin films / A.O. Zamchiy, E.A. Baranov, I.E. Merkulova et al. // Journal of Non-crystalline Solids. -2019. -T. 518. -C. 43-50.

[123] Infrared absorption strength and hydrogen content of hydrogenated amorphous silicon / A.A. Langford, M.L. Fleet, B.A. Nelson // Physical review. -1992. - T. 45, №23. - C. 13367-13377.

[124] Parker, J.H. Raman scattering by silicon and germanium / J.H. Parker, D.W. Feldman, M. Ashkin // Physical Review. - 1967. - T. 155, №3. - C. 712-714.

[125] Wihl, M. Raman scattering in amorphous Ge and III-V compounds / M. Wihl, M. Cardona, J. Tauc // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1972. - T. 8-10. - C. 172-178.

[126] Kolobov, A.V. Raman scattering from Ge nanostructures grown on Si substrates: Power and limitations / A.V. Kolobov // Journal of Applied Physics. - 2000. - T. 87, №6. - C. 2926-2930.

[127] Astankova, K.N. Structure of germanium monoxide thin films / K.N. Astankova, V.A. Volodin, I.A. Azarov // Semiconductors. - 2020. - T. 54, №12. - C. 1555-1560.

[128] On Raman scattering cross section ratio of amorphous to nanocrystalline germanium / H. Zhang, S.A. Kochubei, A.A. Popov et al. // Solid State Communications. - 2020. - T. 313. - C. 113897-113897.

[129] Applying an improved phonon confinement model to the analysis of Raman spectra of germanium nanocrystals / V.A. Volodin, D.V. Marin, V.A. Sachkov et al. // Journal of Experimental and Theoretical Physics. - 2014. - T. 118, №1. - C. 65-71.

[130] Jishiashvili, D.A. Infrared spectroscopic study of GeOx films / D.A. Jishiashvili, E.R. Kutelia // physica status solidi (b). - 1987. - T. 143, №2. - C. K147-K150.

[131] Gambaryan, M.P. Novosibirsk State University / M.P. Gambaryan // - 2015. -С. 26.

[132] Visible photoluminescence of the deposited germanium-oxide prepared from clusters in the gas phase / Y. Negishi, S. Nagao, Y. Nakamura et al. // Journal of Applied Physics. - 2000. - Т. 88, №10. - С. 6037-6043.

[133] A.V. Rzhanov. Silicon nitride in electronics (ed. A.V. Rzhanov) / A.V. Rzhanov - Nauka, Novosibirsk, 1982. - 85-93 с.

[134] Cahn, R.W. Physical metallurgy / R.W. Cahn, P. Haasen-Amsterdam: North-Holland, 1996. Chapter 14. - 276 с.

[135] Володин, В.А. Локальные колебания связей кремний-кремний в нитриде кремния / В.А. Володин, В.А. Гриценко, A. Chin // Письма в журнал технической физики. - 2018. - №10. - C. 37.

[136] Brodsky, M.H. Raman scattering in amorphous semiconductors / M.H. Brodsky // Topics in Applied Physics. - 1975. - С. 205-251.

[137] Корякина, В.В. Модель Колмогорова-Джонсона-Мела-Аврами в исследовании кинетики образования гидрата природного газа в обратных эмульсиях нефти / В.В. Корякина, Е.Ю. Шиц // Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases. - 2020. №3. - C. 327-335.

[138] Kolmogorov, A.N. On the statistical theory of crystallization of metals [in Russian] / A.N. Kolmogorov. - Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Mat.,1937. - 355-359 c.

[139] Cahn, R.W. Physical metallurgy / R.W. Cahn, P. Haasen. - Amsterdam: North-Holland, 1996, Chapter 14. - 329 c.

[140] Meechan, C.J. Electrical resistivity study of lattice defects introduced in copper by 1.25-Mev electron irradiation at 80°K / C.J. Meechan, J.A. Brinkman // Physical Review. - 1956. - Т. 103, №5. - С. 1193-1202.

[141] Горохов, Е.Б. Исследование оптических свойств аномально толстых слоёв естественного окисла Ge / Е.Б. Горохов, В.В. Грищенко // Эллипсометрия: теория, методы, приложения под ред. А.В. Ржанова, Л.А. Ильиной. -Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. - 1987. - №148. - C. 147-151.

[142] Горохов Е.Б. Влияние квантоворазмерного эффекта на оптические свойства нанокристаллов Ge в плёнках GeO2 / Е.Б. Горохов, В.А. Володин, Д.В. Марин и др. // ФТП. - 2005. - №10. - С. 1210-1217.

[143] Anomalous temperature dependence of photoluminescence in GeOx films

134

and GeOx/SiO2 nano-heterostructures / D.V. Marin, V.A. Volodin, H. Rinnert, M. Vergnat // Письма в ЖЭTФ. - 2012. - №8. - С. 472-476.

[144] Structure and infrared photoluminescence of GeSi nanocrystals formed by high temperature annealing of GeOx/SiO2 multilayers / V.A. Volodin, M.P. Gambaryan, A.G. Cherkov et al. // Materials research express. - 2016. - T. 3, №8. - С. 085019-085019.

[145] Urbach, F. The Long-wavelength edge of photographic sensitivity and of the electronic absorption of solids / F. Urbach // Physical Review. - 1953. - T. 92, №5. -С. 1324-1324.

[146] Infrared spectroscopic study of SiOx films produced by plasma enhanced chemical vapor deposition / P. Pai, S. Chao, Y. Takagi, G. Lucovsky // J. Vac. Sci. Technol. - 1986. - T. 4, №3. - С. 689-694.

[147] Kirk, C.T. Quantitative analysis of the effect of disorder-induced mode coupling on infrared absorption in silica / C. T. Kirk // Physical Review B. - 1988. - T. 38, №2. -С. 1255-1273.

[148] Study of the interaction between GeO2 and SiO2 films on Ge by

IR-spectroscopy / E.B. Gorohov, S.V. Pokrovskaya, I.G. Neizvestny // Phys. Chem. Mech. of Surf. - 1986. - T. 4. - С. 103-108.

[149] Study of Ge bonding and distribution in plasma oxides of Si1-xGex alloys / M. Seck, B. Devine, C. Hernandez et al. //Applied Physics Letters. - 1998. - T. 72, №21. - С. 2748-2750.

[150] Molinari, M. Visible photoluminescence in amorphous SiOx thin films prepared by silicon evaporation under a molecular oxygen atmosphere / M. Molinari, H. Rinnert, M. Vergnat // Applied Physics Letters. - 2003. - T. 82, №22. - С. 3877-3879.

[151] Кристаллизация плeнок аморфного германия и многослойных структур a-Ge/a-Si под действием наносекундного лазерного излучения / В. А. Володин, Г.К. Кривякин, Г. Д. Ивлев и др. // Физика и Tехника Полупроводников. - 2019. №3. -C. 423-423.

[152] Relaxation and crystallization kinetics of amorphous germanium films by nanosecond laser pulses / F. Vega, R. Serna, C. N. Afonso et al. // Journal of Applied Physics. - 1994. -T. 75, №11. -С. 7287-7291.

[153] Raman study of silicon nanocrystals formed in SiNx films by excimer laser

135

or thermal annealing / V.A.Volodin, M.D.Efremov, V.A.Gritsenko, S.A.Kochubei // Applied Physics Letters. - 1998. - Т. 73, №9. - С. 1212-1214.

[154] Femtosecond laser induced formation of Si nanocrystals and amorphous Si clusters in silicon-rich nitride films / V.A. Volodin, T.T. Korchagina, J. Koch, B.N. Chichkov // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. - 2010. -Т. 42, №6. -С. 1820-1823.

[155] Evidence of nanostructure formation in Ge oxide by crystallization induced by swift heavy ion irradiation / S. Rath, D. Kabiraj, D.K. Avasthi et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. - 2007. - Т. 263, №2. - С. 419-423.

[156] plasma electron annealing method for recrystallization of a-Si thin films / Park, J. Bae, D.C. Kim, Y.W. Kim // Thin Solid Films. - 2017. - Т. 622. - С. 111-114.

[157] Electron-beam crystallized large grained silicon solar cell on glass substrate / D. Amkreutz, J.C. Muller, M. Schmidt et al. // Progress in Photovoltaics. - 2011. - Т. 19, №8. -С. 937-945.

[158] Stress-induced shifts of first-order raman frequencies of diamond- and zinc-blende-type semiconductors / F. Cerdeira, C.J. Buchenauer, F.H. Pollak, M. Cardona // Physical Review B. - 1972. - Т. 5, №2. - С. 580-593.

[159] Электронно-пучковая кристаллизация тонких плёнок аморфного субоксида кремния / Е.А. Баранов, В.О. Константинов, В.Г. Щукин и др. // Письма в ЖТФ. - 2021. - Т. 47, №6. - C. 26-26.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Формирование аморфных нанокластеров и нанокристаллов германия в плёнках GeSixOy на кварцевой подложке с использованием печных и импульсных лазерных отжигов / Zhang Fan, С.А. Кочубей, M.Stoffel и др. // Физика и Tехника Полупроводников. - 2020. №3. - C. 251-258. Q3. https://doi.org/:10.21883/FTP.2020.03.49029.930.

2. Resistive switching in non-stoichiometric germanosilicate glass films containing ge nanoclusters / V.A. Volodin, P. Geydt, G.N. Kamaev et al. // Electronics. - 2020. -T. 9, №12.-С. 2103. Q2.

http s: //doi. org/10.33 90/el ectronics9122103.

3. Zhang, F. Формирование нанокристаллов германия в плёнках GeO[SiO2] и GeO[SiO] / Zhang Fan, С.Г. Черкова, В.А. Володин // Физика и Tехника Полупроводников. - 2021. - № 6, - C. 507-512. Q3 https://doi.org/:10.21883/FTP.2021.06.50918.9628

4. Optical properties of GeO[SiO] and GeO[SiO2] solid alloy layers grown at low temperature / S.G. Cherkova, V.A. Volodin, Fan Zhang et al. // Optical Materials. -

2021.-T 122,-С. 111736. Q2. https://doi. org/ 10.1016/j. optmat.2021.111736.

5. Formation of germanium nanocrystals and amorphous nanoclusters in GeSiOx films using electron beam annealing / Fan Zhang, V.A. Volodin, E.A. Baranov et al. // Vaccum. - 2022. - T. 197, - С. 110796. Q1. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110796.

6. Формирование нанокристаллов и аморфных нанокластеров германия в пленках GeO[SiO] и GeO[SiO2] с использованием электронно-пучкового отжига / В.О. Константинов, Е.А. Баранов, Z. Fan и др. // Журнал технической физики. -

2022. - № 9, - C. 1402. Q3 https://doi.org/10.21883/jtf.2022.09.52932.28-22.

7. Determination of the infrared absorption cross-section of the stretching vibrations of Ge-O bonds in GeOx films / F. Zhang, V.A. Volodin, K.N. Astankova и др. // Results in Chemistry. - 2022. - C.100461. Q3.

https://doi. org/ 10.1016/j. rechem .2022.100461.

8. Нестехиометрические германосиликатные плёнки на кремнии для микроэлектроники: мемристоры и другие применения / В.А. Володин, F. Zhang, И.Д. Юшков и др. // Автометрия. - 2022. - № 6, - C. 42-53. Q3. https://doi.org/10.15372/AUT20220600.

9. Zhang, F. Определение энергии активации реакции диспропорционирования аморфной пленки GeOx на кварцевой подложке с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света / F. Zhang, M. Vergnat, V. A. Volodin // Журнал технической физики. - 2023. - № 8, - C. 1209-1209. Q3. https://doi.org/10.21883/jtf.2023.08.55985.74-23.

10. Zhang. F. Kinetic study of GeOx amorphous film disproportionation into a-Ge nanoclusters / GeO2 system using Raman and infrared spectroscopy / F. Zhang, V.A. Volodin, K.N. Astankova и др. // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2024. - № 631, -C. 122929. Q1.

https://doi. org/ 10.1016/j.j noncrysol .2024.122929.