Silicon Field-Emission Devices Fabricated Using the Hydrogen Implantation-Porous Silicon (HI-PS) Micromachining Technique

This paper presents a relatively simple method to fabricate field-emitter arrays from silicon substrates. These devices are obtained from silicon micromachining by means of the HI-PS technique-a combination of hydrogen ion implantation and porous silicon used as sacrificial layer. Also, a new process sequence is proposed and implemented to fabricate self-aligned integrated field-emission devices based on this technique. Electrical characteristics of the microtips obtained show good agreement with the Fowler-Nordheim theory, which are suitable for the proposed application.

Solid-state Marx based two-switch voltage modulator for the On-Line Isotope Mass Separator accelerator at the European Organization for Nuclear Research

A new circuit topology is proposed to replace the actual pulse transformer and thyratron based resonant modulator that supplies the 60 kV target potential for the ion acceleration of the On-Line Isotope Mass Separator accelerator, the stability of which is critical for the mass resolution downstream separator, at the European Organization for Nuclear Research. The improved modulator uses two solid-state switches working together, each one based on the Marx generator concept, operating as series and parallel switches, reducing the stress on the series stacked semiconductors, and also as auxiliary pulse generator in order to fulfill the target requirements. Preliminary results of a 10 kV prototype, using 1200 V insulated gate bipolar transistors and capacitors in the solid-state Marx circuits, ten stages each, with an electrical equivalent circuit of the target, are presented, demonstrating both the improved voltage stability and pulse flexibility potential wanted for this new modulator.

Structural and optical studies of Au doped titanium oxide films

Thin films of TiO2 were doped with Au by ion implantation and in situ during the deposition. The films were grown by reactive magnetron sputtering and deposited in silicon and glass substrates at a temperature around 150 degrees C. The undoped films were implanted with Au fiuences in the range of 5 x 10(15) Au/cm(2)-1 x 10(17) Au/cm(2) with a energy of 150 keV. At a fluence of 5 x 10(16) Au/cm(2) the formation of Au nanoclusters in the films is observed during the implantation at room temperature. The clustering process starts to occur during the implantation where XRD estimates the presence of 3-5 nm precipitates. After annealing in a reducing atmosphere, the small precipitates coalesce into larger ones following an Ostwald ripening mechanism. In situ XRD studies reveal that Au atoms start to coalesce at 350 degrees C, reaching the precipitates dimensions larger than 40 nm at 600 degrees C. Annealing above 700 degrees C promotes drastic changes in the Au profile of in situ doped films with the formation of two Au rich regions at the interface and surface respectively. The optical properties reveal the presence of a broad band centered at 550 nm related to the plasmon resonance of gold particles visible in AFM maps. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Low-loss rib waveguides containing Si nanocrystals embedded in SiO2

We report on the study and modeling of the structural and optical properties of rib-loaded waveguides working in the 600-900-nm spectral range. A Si nanocrystal (Si-nc) rich SiO2 layer with nominal Si excess ranging from 10% to 20% was produced by quadrupole ion implantation of Si into thermal SiO2 formed on a silicon substrate. Si-ncs were precipitated by annealing at 1100°C, forming a 0.4-um-thick core layer in the waveguide. The Si content, the Si-nc density and size, the Si-nc emission, and the active layer effective refractive index were determined by dedicated experiments using x-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, energy-filtered transmission electron microscopy, photoluminescence and m-lines spectroscopy. Rib-loaded waveguides were fabricated by photolithographic and reactive ion etching processes, with patterned rib widths ranging from 1¿to¿8¿¿m. Light propagation in the waveguide was observed and losses of 11dB/cm at 633 and 780 nm were measured, modeled and interpreted.

Size dependence of refractive index of Si nanoclusters embedded in SiO2

he complex refractive index of SiO2 layers containing Si nanoclusters (Si-nc) has been measured by spectroscopic ellipsometry in the range from 1.5 to 5.0 eV. It has been correlated with the amount of Si excess accurately measured by x-ray photoelectron spectroscopy and the nanocluster size determined by energy-filtered transmission electron microscopy. The Si-nc embedded in SiO2 have been produced by a fourfold Si+ ion implantation, providing uniform Si excess aimed at a reliable ellipsometric modeling. The complex refractive index of the Si-nc phase has been calculated by the application of the Bruggeman effective-medium approximation to the composite media. The characteristic resonances of the refractive index and extinction coefficient of bulk Si vanish out in Si-nc. In agreement with theoretical simulations, a significant reduction of the refractive index of Si-nc is observed, in comparison with bulk and amorphous silicon. The knowledge of the optical properties of these composite layers is crucial for the realization of Si-based waveguides and light-emitting devices.

Efficient energy transfer from Si clusters to Er3+ in complex silicate glasses

We present an extensive study of the structural and optical emission properties in aluminum silicates and soda-lime silicates codoped with Si nanoclusters (Si-nc) and Er. Si excess of 5 and 15¿at.¿% and Er concentrations ranging from 2×1019 up to 6×1020¿cm¿3 were introduced by ion implantation. Thermal treatments at different temperatures were carried out before and after Er implantation. Structural characterization of the resulting structures was performed to obtain the layer composition and the size distribution of Si clusters. A comprehensive study has been carried out of the light emission as a function of the matrix characteristics, Si and Er contents, excitation wavelength, and power. Er emission at 1540¿nm has been detected in all coimplanted glasses, with similar intensities. We estimated lifetimes ranging from 2.5¿to¿12¿ms (depending on the Er dose and Si excess) and an effective excitation cross section of about 1×10¿17¿cm2 at low fluxes that decreases at high pump power. By quantifying the amount of Er ions excited through Si-nc we find a fraction of 10% of the total Er concentration. Upconversion coefficients of about 3×10¿18¿cm¿3¿s¿1 have been found for soda-lime glasses and one order of magnitude lower in aluminum silicates.

Modificacion de las propiedades opticas y mecanicas de polimeros mediante implantacion ionica

En el presente trabajo se estudian los efectos introducidos por la implantación de Nitrógeno atómico y Silicio sobre probetas de policarbonato empleadas para usos ópticos. Distintas dosis de Nitrógeno y Silicio fueron implantadas de cara a poner de manifiesto el efecto de la dosis sobre las propiedades ópticas y mecánicas. Se llevaron a cabo ensayos mecánicos de microdureza, nanodureza, y AFM, así como ensayos ópticos de Reflexión-absorción IR y Transmitancia UV-VIS. Los resultados muestran un endurecimiento superficial para las implantaciones a dosis altas de Nitrógeno, así como cambios considerables en los espectros de transmitancia.

Correlation between charge transport and electroluminescence properties of Si-rich oxide/nitride/oxide-based light emitting capacitors.

The electrical and electroluminescence (EL) properties at room and high temperatures of oxide/ nitride/oxide (ONO)-based light emitting capacitors are studied. The ONO multidielectric layer is enriched with silicon by means of ion implantation. The exceeding silicon distribution follows a Gaussian profile with a maximum of 19%, centered close to the lower oxide/nitride interface. The electrical measurements performed at room and high temperatures allowed to unambiguously identify variable range hopping (VRH) as the dominant electrical conduction mechanism at low voltages, whereas at moderate and high voltages, a hybrid conduction formed by means of variable range hopping and space charge-limited current enhanced by Poole-Frenkel effect predominates. The EL spectra at different temperatures are also recorded, and the correlation between charge transport mechanisms and EL properties is discussed.

Síntesis de capas de SiC en substrato de Si mediante implantación iónica

En este trabajo se investiga la síntesis de estructuras SiC/Si mediante implantación iónica de carbono en Si. Las implantaciones se han realizado a energías entre 25 y 300 keV y las dosis en el rango lO^^ylO^^ cm , manteniendo el substrato a temperatura ambiente o 500°C. Algunas estructuras han sido recocidas a 1150°C. Los resultados indican que implantando a temperatura ambiente se forma una capa de SiC amorfa y de composición gradual, que recristaliza formando precipitados de ß-SiC con orientaciones aleatorias después del recocido. Además se forma un capa superficial rica en carbono, debida a la difusión del carbono hacia la superficie durante la implantación, y que desaparece con el recocido. Implantando a 500°C se forma directamente una capa con una muy alta densidad de precipitados de ß-SiC orientados preferencialmente con la matriz de silicio. Dada la estabilidad térmica y química de dicha capa se han realizado membranas de SiC mediante técnicas fotolitográficas y ataque químico selectivo, cuya rugosidad superficial es inferior a 6 nm. Estas membranas muestran unos gradientes de tensiones residuales, que prácticamente desaparecen después del recocido. Los resultados confirman la potencialidad de la implantación iónica para la formación de estructuras microme-cánicas de SiC sobre Si.

Fotoluminiscencia visible debida a capas de SiO2. implantadas con silicio y carbono

Se ha n realizado implantaciones de silicio y de carbono + silicio en matrices aislantes de SÍO2 térmico, las cuales, después de un recocido a alta temperatura precipitan en forma de nanocristales de tamaños comprendidos entre 30 y 60 Á. Estas estructuras presentan una intensa fotoluminiscencia en el rojo profundo (1.4-1.6 eV) y el verde (2.0-2.2 eV). La energía e intensidad de las bandas depende fuertemente de la temperatura y duración del recocido. Diferentes comportamientos se han encontrado para las bandas roja y verde, incluyendo la cinética de desexcitación y el origen estructural. Los experimentos de absorción infrarroja, Raman y microscopía electrónica demuestran que los nanocristales son los responsables de la banda roja mientras que agregados amorfos de carbono son los responsables de la verde.

Mécanismes de recuit dans le silicium implanté par faisceau d’ion caractérisés par nanocalorimétrie

Nous présenterons le procédé de fabrication, la caractérisation, ainsi qu’un modèle numérique permettant l’optimisation d’un nouveau dispositif permettant d’effectuer des mesures de nanocalorimétrie sur un échantillon de silicium monocristallin. Ce dernier possède entre autre des propriétés thermiques nous permettant d’effectuer des mesures à des températures supérieures à 900 C, avec une résolution meilleure que 16 C. Ceci nous a permis d’étudier la dynamique des défauts induits par implantation ionique dans le silicium monocristallin. Deux comportements différents sont observés dans la germination de la phase amorphe induite par implantation à 10 et 80 keV. Ces résultats ont été confrontés à des simulations Monte-Carlo basées sur le modèle des paires lacunesinterstitiels. La comparaison entre les simulations et les mesures expérimentales ont montré que ce modèle est incomplet car il ne reproduit qualitativement que certaines caractéristiques observées expérimentalement. Des mesures réalisées à partir de -110 C dans le silicium monocristallin et amorphisé implanté avec des ions légers, ont mis en évidence des différences claires entre la relaxation dans le silicium amorphe et le recuit des défauts dans le silicium monocristallin. Deux processus à des énergies d’activation de 0.48 et 0.6 eV ont été observés pour les implantations réalisées dans le silicium monocristallin tandis qu’un relâchement de chaleur uniforme ne révélant qu’un spectre continu d’énergie d’activation a été observé dans le silicium amorphe.

Défauts et diffusion dans le silicium amorphe

Nous avons observé une augmentation ‘’transient’’du taux de cristallisation interfacique de l’a-Si lorsqu’on réimplante du Si à proximité de l’interface amorphe/cristal. Après amorphisation et traitement thermique à 650°C pendant 5s de la couche a-Si crée par implantation ionique, une partie a été réimplantée. Les défauts produits par auto-réimplantation à 0.7MeV se trouvent à (302±9) nm de l’interface initiale. Cela nous a permis d’étudier d’avantage la variation initiale de la vitesse SPE (Épitaxie en phase solide). Avec des recuit identiques de 4h à 500°C, nous avons déterminé les positions successives des interfaces et en déduit les taux de cristallisation SPE. La cristallisation débute à l’interface et continue graduellement vers la surface. Après le premier recuit, (252±11) nm s’est recristallisé dans la zone réimplantée soit un avancement SPE de 1.26x10^18at./cm2. Cette valeur est environ 1.50 fois plus importante que celle dans l’état relaxé. Nous suggérons que la présence de défauts à proximité de l’interface a stimulé la vitesse initiale. Avec le nombre de recuit, l’écart entre les vitesses diminue, les deux régions se cristallisent presque à la même vitesse. Les mesures Raman prises avant le SPE et après chaque recuit ont permis de quantifier l’état de relaxation de l’a-Si et le transfert de l’état dé-relaxé à relaxé.

Réduction de la durée de vie des porteurs de charge dans le silicium noir par implantation ionique

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal.

Non-Destructive Evaluation of Ion-Implanted Semiconductor Thin Films Using Photothermal Deflections Spectroscopy

Materials and equipment which fail to achieve the design requirements or projected life due to undetected defects may require expensive repair or early replacement. Such defects may also be the cause of unsafe conditions or catastrophic unexpected failure, and will lead to loss of revenue due to plant shutdown. Non-Destructive Evaluation (NDE) / Non Destructive Testing (NDT) is used for the examination of materials and components without changing or destroying their usefulness. NDT can be applied to each stage of a system’s construction, to monitor the integrity of the system or structure throughout its life.