Microcrystalline silicon thin film transistors obtained by Hot-Wire CVD

Polysilicon thin film transistors (TFT) are of great interest in the field of large area microelectronics, especially because of their application as active elements in flat panel displays. Different deposition techniques are in tough competition with the objective to obtain device-quality polysilicon thin films at low temperature. In this paper we present the preliminary results obtained with the fabrication of TFT deposited by hot-wire chemical vapor deposition (HWCVD). Some results concerned with the structural characterization of the material and electrical performance of the device are presented.

Thin Film Transistors obtained by Hot-Wire CVD

Hydrogenated microcrystalline silicon films obtained at low temperature (150-280°C) by hot wire chemical vapour deposition at two different process pressures were measured by Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) spectroscopy and photothermal deflection spectroscopy (PDS). A crystalline fraction >90% with a subgap optical absortion 10 cm -1 at 0.8 eV were obtained in films deposited at growth rates >0.8 nm/s. These films were incorporated in n-channel thin film transistors and their electrical properties were measured. The saturation mobility was 0.72 ± 0.05 cm 2/ V s and the threshold voltage around 0.2 eV. The dependence of their conductance activation energies on gate voltages were related to the properties of the material.

Structure of a-Si:H/a-Si1-xCx:H multilayers deposited in a reactor with automated substrate holder

This paper deals with the structural properties of a-Si:H/a-Si1-xCx: H multilayers deposited by glow-discharge decomposition of SiH4 and SiH4 and CH4 mixtures. The main feature of the rf plasma reactor is an automated substrate holder. The plasma stabilization time and its influence on the multilayer obtained is discussed. A series of a-Si:H/a-Si1-xCx: H multilayers has been deposited and characterized by secondary ion mass spectrometry (SIMS), X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). No asymmetry between the two types of interface has been observed. The results show that the multilayers present a very good periodicity and low roughness. The difficulty of determining the abruptness of the multilayer at the nanometer scale is discussed.

Efficiency and reliability enhancement of silicon nanocrystal field-effect luminescence from nitride-oxide gate stacks

We report on a field-effect light emitting device based on silicon nanocrystals in silicon oxide deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition. The device shows high power efficiency and long lifetime. The power efficiency is enhanced up to 0.1 %25 by the presence of a silicon nitride control layer. The leakage current reduction induced by this nitride buffer effectively increases the power efficiency two orders of magnitude with regard to similarly processed devices with solely oxide. In addition, the nitride cools down the electrons that reach the polycrystalline silicon gate lowering the formation of defects, which significantly reduces the device degradation.

Technological solution for the automatic replacement of the catalytic filaments in HWCVD

The degradation of the catalytic filaments is the main factor limiting the industrial implementation of the hot wire chemical vapor deposition (HWCVD) technique. Up to now, no solution has been found to protect the catalytic filaments used in HWCVD without compromising their catalytic activity. Probably, the definitive solution relies on the automatic replacement of the catalytic filaments. In this work, the results of the validation tests of a new apparatus for the automatic replacement of the catalytic filaments are reported. The functionalities of the different parts have been validated using a 0.2 mm diameter tungsten filament under uc-Si:H deposition conditions.

Degradation of thin tungsten filaments at high temperature in HWCVD

The degradation of the filaments is usually studied by checking the silicidation or carbonization status of the refractory metal used as catalysts, and their effects on the structural stability of the filaments. In this paper, it will be shown that the catalytic stability of a filament heated at high temperature is much shorter than its structural lifetime. The electrical resistance of a thin tungsten filament and the deposition rate of the deposited thin film have been monitored during the filament aging. It has been found that the deposition rate drops drastically once the quantity of dissolved silicon in the tungsten reaches the solubility limit and the silicides start precipitating. This manuscript concludes that the catalytic stability is only guaranteed for a short time and that for sufficiently thick filaments it does not depend on the filament radius.

Anisotropic surface properties of micro/nanostructured a-C:H:F thin films with self-assembly applications

The singular properties of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) thin filmsdeposited by pulsed DC plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), such as hardness and wear resistance, make it suitable as protective coating with low surface energy for self-assembly applications. In this paper, we designed fluorine-containing a-C:H (a-C:H:F) nanostructured surfaces and we characterized them for self-assembly applications. Sub-micron patterns were generated on silicon through laser lithography while contact angle measurements, nanotribometer, atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the surface. a-C:H:F properties on lithographied surfaces such as hydrophobicity and friction were improved with the proper relative quantity of CH4 and CHF3 during deposition, resulting in ultrahydrophobic samples and low friction coefficients. Furthermore, these properties were enhanced along the direction of the lithographypatterns (in-plane anisotropy). Finally, self-assembly properties were tested with silicananoparticles, which were successfully assembled in linear arrays following the generated patterns. Among the main applications, these surfaces could be suitable as particle filter selector and cell colony substrate.

Calorimetry of hydrogen desorption from ɑ-Si nanoparticles

The process of hydrogen desorption from amorphous silicon (ɑ-Si) nanoparticles grown by plasmaenhanced chemical vapor deposition (PECVD) has been analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), mass spectrometry, and infrared spectroscopy, with the aim of quantifying the energy exchanged. Two exothermic peaks centered at 330 and 410 °C have been detected with energies per H atom of about 50 meV. This value has been compared with the results of theoretical calculations and is found to agree with the dissociation energy of Si-H groups of about 3.25 eV per H atom, provided that the formation energy per dangling bond in ɑ-Si is about 1.15 eV. It is shown that this result is valid for ɑ-Si:H films, too

Microstructure and secondary phases in coevaporated CuInS2 films: Dependence on growth temperature and chemical composition

The microstructure of CuInS2-(CIS2) polycrystalline films deposited onto Mo-coated glass has been analyzed by Raman scattering, Auger electron spectroscopy (AES), transmission electron microscopy, and x-ray diffraction techniques. Samples were obtained by a coevaporation procedure that allows different Cu-to-In composition ratios (from Cu-rich to Cu-poor films). Films were grown at different temperatures between 370 and 520-°C. The combination of micro-Raman and AES techniques onto Ar+-sputtered samples has allowed us to identify the main secondary phases from Cu-poor films such as CuIn5S8 (at the central region of the layer) and MoS2 (at the CIS2/Mo interface). For Cu-rich films, secondary phases are CuS at the surface of as-grown layers and MoS2 at the CIS2/Mo interface. The lower intensity of the MoS2 modes from the Raman spectra measured at these samples suggests excess Cu to inhibit MoS2 interface formation. Decreasing the temperature of deposition to 420-°C leads to an inhibition in observing these secondary phases. This inhibition is also accompanied by a significant broadening and blueshift of the main A1 Raman mode from CIS2, as well as by an increase in the contribution of an additional mode at about 305 cm-1. The experimental data suggest that these effects are related to a decrease in structural quality of the CIS2 films obtained under low-temperature deposition conditions, which are likely connected to the inhibition in the measured spectra of secondary-phase vibrational modes.

A classical particle in heat bath under the influence of external noise

A very simple model of a classical particle in a heat bath under the influence of external noise is studied. By means of a suitable hypothesis, the heat bath is reduced to an internal colored noise (OrnsteinUhlenbeck noise). In a second step, an external noise is coupled to the bath. The steady state probability distributions are obtained.

A fully automated hot-wall multiplasma-monochamber reactor for thin film deposition

We present a study on the development and the evaluation of a fully automated radio-frequency glow discharge system devoted to the deposition of amorphous thin film semiconductors and insulators. The following aspects were carefully addressed in the design of the reactor: (1) cross contamination by dopants and unstable gases, (2) capability of a fully automated operation, (3) precise control of the discharge parameters, particularly the substrate temperature, and (4) high chemical purity. The new reactor, named ARCAM, is a multiplasma-monochamber system consisting of three separated plasma chambers located inside the same isothermal vacuum vessel. Thus, the system benefits from the advantages of multichamber systems but keeps the simplicity and low cost of monochamber systems. The evaluation of the reactor performances showed that the oven-like structure combined with a differential dynamic pumping provides a high chemical purity in the deposition chamber. Moreover, the studies of the effects associated with the plasma recycling of material from the walls and of the thermal decomposition of diborane showed that the multiplasma-monochamber design is efficient for the production of abrupt interfaces in hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) based devices. Also, special attention was paid to the optimization of plasma conditions for the deposition of low density of states a-Si:H. Hence, we also present the results concerning the effects of the geometry, the substrate temperature, the radio frequency power and the silane pressure on the properties of the a-Si:H films. In particular, we found that a low density of states a-Si:H can be deposited at a wide range of substrate temperatures (100°C

Determinació de la deposició atmosfèrica de metalls pesants a les Muntanyes de Prades (Tarragona) a partir dels bioindicadors Xanthoria parietina i Hypnum cupressiforme

En aquest estudi s’ha determinat la deposició atmosfèrica de metalls pesants a partir dels bioindicadors Xanthoria parietina (liquen) i Hypnum cupressiforme (molsa), en 16 punts de mostreig repartits per la zona on s’ubicarà el futur parc natural de les Muntanyes de Prades (Tarragona). A partir de la comparació de les concentracions obtingudes en aquest treball amb les d’altres estudis de plantejament equiparable, es va comprovar que la majoria de valors de concentració dels metalls eren similars als d’altres zones geogràfiques estudiades, a excepció del crom i el níquel, que presentaven valors clarament més elevats. A partir de proves estadístiques (ANOVA, regressions múltiples) es va determinar que existien diferències significatives entre les concentracions de metalls dels diferents punts de mostreig. També es van detectar correlacions significatives entre les concentracions dels punts de mostreig i la distància d’aquests respecte els focus potencials de contaminació que s’havien considerat prèviament. Amb les dades obtingudes a partir un petit anàlisi de la riquesa liquènica dels punts de mostreig, es va disposar d’informació extra per poder avaluar les fonts i el patró de distribució d’aquests contaminants.

Obtenció de capes primes d'alúmina mitjançant "Atomic Layer Deposition"

En aquest projecte s'ha estudiat la posada a punt d’un equip comercial ALD per a l’obtenció de capes primes d'alúmina a escala nanomètrica utilitzant vapor d’aigua i TMA com a precursors. Per tal de comprovar a bondat de les receptes experimentals aportades pel fabricant així com comprovar alguns aspectes de la teoria ALD s’han realitzat una sèrie de mostres variant els diferents paràmetres experimentals, principalment la temperatura de deposició, el nombre de cicles, la durada del cicle i el tipus de substrat. Per a la determinació dels gruixos nanomètrics de les capes i per tant dels ritmes de creixement s’ha utilitzat la el·lipsometria, una de les poques tècniques no destructives capaç de mesurar amb gran precisió gruixos de capes o interfases de pocs àngstroms o nanòmetres. En una primera etapa s'han utilitzat els valors experimentals donats pel fabricant del sistema ALD per determinar el ritme de creixement en funció de la temperatura de dipòsit i del numero de cicles, en ambdós casos sobre diversos substrats. S'ha demostrat que el ritme de creixement augmenta lleugerament en augmentar la temperatura de dipòsit, tot i que amb una variació petita, de l'ordre del 12% en variar 70ºC la temperatura de deposició. Així mateix s'ha demostrat la linealitat del gruix amb el número de cicles, tot i que no s’observa una proporcionalitat exacta. En una segona etapa s'han optimitzat els paràmetres experimentals, bàsicament els temps de purga entre pols i pols per tal de reduir considerablement les durades dels experiments realitzats a relativament baixes temperatures. En aquest cas s’ha comprovat que es mantenien els ritmes de creixement amb una diferencia del 3,6%, 4,8% i 5,5% en optimitzar el cicles en 6,65h, 8,31h, o 8,33h, respectivament. A més, per una d'aquestes condicions s’ha demostrat que es mantenia l’alta conformitat de les capes d’alúmina. A més, s'ha realitzat un estudi de l'homogeneïtat del gruix de les capes en tota la zona de dipòsit del reactor ALD. S’ha demostrat que la variació en gruix de les capes dipositades a 120ºC és com a màxim del 6,2% en una superfície de 110 cm2. Confirmant l’excepcional control de gruixos de la tècnica ALD.

Avenços en l'estudi de la litiasi renal: mètodes de chemical imaging i intel·ligencia artificial (ANN) per la caracterització de càlculs renals

La litiasi urinària és un trastorn que implica la formació de precipitats en qualsevol part del tracte urinari. Aquest és un desordre comú que afecta aproximadament a una desena part de la població de la Unió Europea al llarg de la seva vida. A més, durant els cinc anys posteriors a un episodi litiàsic el percentatge de recurrència dels pacients és del 45 al 75%. Aquest trastorn urinari està influït per una gran quantitat de variables, d’origen fisiològic, psicològic i ambiental. Els episodis litiàsics, es poden solucionar espontàniament, amb l’expulsió del càlcul renal, o bé a través de diverses intervencions mèdiques. Els tractaments mèdics derivats de la litiasi urinària; és a dir, la fragmentació del càlcul, intervencions quirúrgiques i tractaments posteriors generen unes grans despeses als sistemes mèdics. Pels motius exposats, la identificació del desordre que ha originat l’episodi litiàsic és de radical importància, per tal de minimitzar el risc de reincidència. Els mètodes més usuals per determinar les causes que desencadenen la formació del càlcul renal són les anàlisis d’orina i l’estudi del càlcul generat. La correcta descripció de la composició i, especialment, l’estructura del càlcul renal pot aportar informació clau sobre les possibles causes de la seva formació, tant de l’inici de nucleació del càlcul com de les successives etapes de creixement cristal·lí. Tenint en compte aquest darrer aspecte, el present estudi s’ha dirigit a la caracterització de càlculs urinaris mitjançant l’aplicació de metodologies d’imatge química (Hyperspectral Imaging), el que va contribuir a determinar les principals característiques espectrals de cada compost majoritari als càlculs renals. D’altra banda, la utilització de mostres de composició coneguda ha possibilitat la creació d’un model amb Xarxes Neuronals Artificials, que permet la classificació de noves mostres de composició desconeguda, de manera més ràpida que el procediment actual. Aquest treball constitueix una nova contribució a la comprensió de l’estructura de les pedres de ronyó, així com les condicions de la seva formació. Els resultats obtinguts destaquen les possibilitats que presenten les tècniques emprades al camp de la litiasi renal, que permeten complementar els coneixements existents enfocats a millorar la qualitat de vida dels pacients.