Preparation of a microporous silicon oximide gel from the reaction of tris(dimethylamino)silylamine with formamide and its pyrolytic conversion into a silicon oxynitride based glass

A high-surface-area silicon oximide-based gel [SiOC(H)=NSi]m[Si2N-C(H)=O]n[SiN(H)-C(H)=O]p[SiOC(H)=NH]q[SiNH]r[SiNH2]s[SiNMe2]t was prepared via a formamide-based aminolysis of tris(dimethylamino)silylamine, (Me2N)3SiNH2. The structure of the gel and the mechanism of formation are elucidated. Pyrolysis of the gel at 1000 °C under N2 flow gave an amorphous microporous oxynitride-based glass with a BET surface area of 195 m2 g−1. © The Royal Society of Chemistry 2005.

Silicon oxide nitride (sion) films per applicazioni fotovoltaiche

La ricerca, negli ultimi anni, si è concentrata sullo studio di materiali con energy gap più ampio del silicio amorfo a-Si per ridurre gli assorbimenti parassiti all'interno di celle fotovoltaiche ad eterogiunzione. In questo ambito, presso l'Università di Costanza, sono stati depositati layers di silicon oxynitride amorfo a-SiOxNy. Le promettenti aspettative di questo materiale legate all'elevato optical gap, superiore ai 2.0 eV, sono tuttavia ridimensionate dai problemi intrinseci alla struttura amorfa. Infatti la presenza di una grande quantit a di difetti limita fortemente la conducibilita e aumenta gli effetti di degradazione legati alla luce. In quest'ottica, nella presente tesi, sono stati riportati i risultati di analisi spettroscopiche eseguite presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna su campioni di silicon oxynitride nanocristallino nc-SiOxNy, analisi che hanno lo scopo di osservare come la struttura nanocristallina influisca sulle principali proprieta ottiche e sulla loro dipendenza da alcuni parametri di deposizione.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Film di silicon oxinitride (sion) per applicazioni fotovoltaiche, studio di transizioni ottiche.

I materiali per applicazioni fotovoltaiche hanno destato un interesse crescente nella comunità scienti�ca negli ultimi decenni. Le celle HIT (Het- erojunction Intrinsic Thin Layer ) sono dispositivi di ultima generazione che hanno raggiunto e�cienza elevata mantenendo bassi i costi di pro- duzione, e impiegano silicio amorfo (a-Si) come strato emettitore per il suo buon assorbimento della luce e silicio cristallino come regione attiva. La struttura amorfa del silicio presenta però una bassa conducibilità, oltre ad e�etti di degradazione che limitano considerevolmente la durevolezza di una cella. Per questo motivo si stanno cercando possibili alternative al silicio amorfo, in particolare strutture multifase e composti di silicio, ossigeno ed azoto. In questo lavoro sono esposti i risultati dell'analisi di sottili lay- er di Silicon Oxynitride ossigenato (SiOx Ny :H), in forma microcristallina, deposti tramite PECVD (P lasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) su vetro presso l'università di Costanza. La forma microcristallina è una distribuzione di agglomerati cristallini dell'ordine di grandezza di un mi- crometro in una matrice di silicio amorfo, e attualmente le sue proprietà ottiche ed elettroniche non sono ancora state studiate in maniera appro- fondita. Nonostante ciò, è invece evidente che la fase microstallina non presenta tanti difetti intrinseci come la forma amorfa e ne è quindi una val- ida alternativa. In questa ottica, si è svolto uno studio sperimentale delle proprietà ottiche di layers in forma microcristallina di SiOx Ny :H, quali la misura del gap energetico. I risultati sperimentali, volti a trovare la dipen- denza delle caratteristiche dai parametri di deposizione dei layers, hanno mostrato una riduzione del gap energetico con la concentrazione di N2 O, uno dei gas precursori utilizzati nella deposizione dei layers in camera di processo. In conclusione si può dire che il μc−SiOx Ny :H ha le buone carat- teristiche tipiche dei semiconduttori cristallini, che unite alla possibilità di regolare il valore del gap energetico in base alle scelte in fase di deposizione, gli conferisce buone prospettive per applicazioni in celle fotovoltaiche, come emettitore in celle ad eterogiunzione.

MEMS-based incandescent microlamps for integrated optics applications

In this work we present the fabrication and operation of incandescent microlamps for integrated optics applications. This microlamp emits white and infrared light from a chromium resistor embedded in a free-standing silicon oxynitride (SiO(x)N(y)) cantilever that can be coupled to an optical waveguide. In fact, the chromium resistor is sandwiched between layers of SiO(x)N(y) that isolate it from the atmosphere, while electric current heats the resistor to incandescent temperatures. The same SiO(x)N(y) material used in the microlamp fabrication is also used to produce the optical waveguides to allow a monolithic integration of light source and optical circuit. Front-side bulk micromachining of the silicon substrate in potassium hydroxide (KOH) solution is used to fabricate the cantilevers that thermally isolate the resistors from the substrate, thus reducing the heat transfer and the current required to light the lamp.

a-SiC : H anti-resonant layer ARROW waveguides

Over the last decades, anti-resonant reflecting optical waveguides (ARROW) have been used in different integrated optics applications. In this type of waveguide, light confinement is partially achieved through an anti-resonant reflection. In this work, the simulation, fabrication and characterization of ARROW waveguides using dielectric films deposited by a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique, at low temperatures(similar to 300 degrees C), are presented. Silicon oxynitride (SiO(x)N(y)) films were used as core and second cladding layers and amorphous hydrogenated silicon carbide(a-SiC:H) films as first cladding layer. Furthermore, numerical simulations were performed using homemade routines based on two computational methods: the transfer matrix method (TMM) for the determination of the optimum thickness of the Fabry-Perot layers; and the non-uniform finite difference method (NU-FDM) for 2D design and determination of the maximum width that yields single-mode operation. The utilization of a silicon carbide anti-resonant layer resulted in low optical attenuations, which is due to the high refractive index difference between the core and this layer. Finally, for comparison purposes, optical waveguides using titanium oxide (TiO(2)) as the first ARROW layer were also fabricated and characterized.

Development and fabrication of an optimized thermo-electro-optic device using a Mach-Zehnder interferometer

The development and fabrication of a thermo-electro-optic sensor using a Mach-Zehnder interferometer and a resistive micro-heater placed in one of the device`s arms is presented. The Mach-Zehnder structure was fabricated on a single crystal silicon substrate using silicon oxynitride and amorphous hydrogenated silicon carbide films to form an anti-resonant reflective optical waveguide. The materials were deposited by Plasma enhanced chemical vapor deposition technique at low temperatures (similar to 320 degrees C). To optimize the heat transfer and increase the device response with current variation, part of the Mach-Zehnder sensor arm was suspended through front-side bulk micromachining of the silicon substrate in a KOH solution. With the temperature variation caused by the micro-heater, the refractive index of the core layer of the optical waveguide changes due to the thermo-optic effect. Since this variation occurs only in one of the Mach-Zehnder`s arm, a phase difference between the arms is produced, leading to electromagnetic interference. In this way, the current applied to the micro-resistor can control the device output optical power. Further, reactive ion etching technique was used in this work to define the device`s geometry, and a study of SF6 based etching rates on different composition of silicon oxynitride films is also presented. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Improved effective charge density in MOS capacitors with PECVD SiOxNy dielectric layer obtained at low RF power

In this work SiOxNy films are produced and characterized. Series of samples were deposited by the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique at low temperatures from silane (SiH4), nitrous oxide (N2O) and helium (He) precursor gaseous mixtures, at different deposition power in order to analyze the effect of this parameter on the films structural properties, on the SiOxNy/Si interface quality and on the SiOxNy effective charge density. In order to compare the film structural properties with the interface (SiOxNy/Si) quality and effective charge density, MOS capacitors were fabricated using these films as dielectric layer. X-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES), at the Si-K edge, was utilized to investigate the structure of the films and the material bonding characteristics were analyzed through Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The MOS capacitors were characterized by low and high frequency capacitance (C-V) measurements, in order to obtain the interface state density (D-it) and the effective charge density (N-ss). An effective charge density linear reduction for decreasing deposition power was observed, result that is attributed to the smaller amount of ions present in the plasma for low RF power. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Structural and morphological studies on SiOxNy thin films

In this work, the structure and morphology of silicon oxynitride films deposited by the PECVD technique were studied. The films were deposited under two different conditions: (a) SiOxNy with chemical compositions varying from SiO2 to Si3N4 via the control of a N2O + N-2 + SiH4 gas mixture, and (b) Si-rich SiOxNy films via the control of a N2O + SiH4 gas mixture. The analyses were performed using X-ray near edge spectroscopy (XANES) at the Si-K edge, transmission electron microscopy (TEM) and Rutherford backscattering spectroscopy (RBS). For samples with chemical composition varying from SiO2 to Si3N4, the diffraction patterns obtained by TEM exhibited changes with the chemical composition, in agreement with the XANES results. For silicon-rich silicon oxynitride samples, the formation of a-Si clusters was observed and the possibility of obtaining Si nanocrystals after annealing depending on the composition and temperature was realized. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Filmes finos dielétricos para dispositivos microeletrônicos avançados

Apresentamos mecanismos de formação e de degradação térmica de filmes fi- nos (espessura da ordem de 10 nm) de diferentes dielétricos sobre substrato de silício monocristalino. Tendo em vista a aplicação dessas estruturas em MOSFETs (transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor), estudamos o consagrado óxido de silício (SiO2), os atuais substitutos oxinitretos de silício (SiOxNy) e o possível substituto futuro óxido de alumínio (Al2O3). Nossos resultados experimentais baseiam-se em técnicas preparativas de substituição isotópica e de caracterização física com feixes de íons (análise com reações nucleares) ou raios- X (espectroscopia de fotoelétrons). Observamos que: (a) átomos de silício não apresentam difusão de longo alcance (além de ~ 2 nm) durante o crescimento de SiO2 por oxidação térmica do silício em O2; (b) nitretação hipertérmica é capaz de produzir filmes finos de oxinitreto de silício com até dez vezes mais nitrogênio que o resultante do processamento térmico usual, sendo que esse nitrogênio tende a se acumular na interface SiOxNy/Si; e (c) átomos de oxigênio, alumínio e silício migram e promovem reações químicas durante o recozimento térmico de estruturas Al2O3/SiO2/Si em presença de O2. Desenvolvemos um modelo de difusão-reação que poderá vir a permitir o estabelecimento de condições ótimas de processamento térmico para filmes finos de Al2O3 sobre silício a serem empregados na fabricação de MOSFETs.

Proprietà ottiche di film sottili a base di silicio per applicazioni fotovoltaiche

Questa tesi ha come obiettivo quello di misurare la dipendenza spettrale di alcune proprietà ottiche, come trasmittanza e riflettanza, al fine di ricavare l’energy gap di film sottili costituiti da nanocrystalline silicon oxynitride (nc-SiOxNy) per applicazioni in celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer). Questi campioni sono stati depositati presso l’Università di Konstanz (Germania) tramite tecnica PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Questo materiale risulta ancora poco conosciuto per quanto riguarda le proprietà optoelettroniche e potrebbe presentare una valida alternativa a silicio amorfo (a-Si) e ossido di silicio idrogenato amorfo (a-SiOx:H) che sono attualmente utilizzati in questo campo. Le misure sono state effettuate presso i laboratori del Dipartimento di Fisica e Astronomia, settore di Fisica della Materia, dell’Università di Bologna. I risultati ottenuti mostrano che i campioni che non hanno subito alcun trattamento termico (annealing) presentano un energy gap che cresce linearmente rispetto alla diluizione di protossido di azoto in percentuale. Nei campioni analizzati sottoposto ad annealing a 800°C si è osservato un aumento dell’Eg dopo il trattamento. Un risultato ottimale consiste in un gap energetico maggiore di quello del silicio amorfo (a-Si) e del silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), attualmente utilizzati in questa tipologia di celle, per evitare che questo layer assorba la luce solare che deve invece essere trasmessa al silicio sottostante. Per questo motivo i valori ottenuti risultano molto promettenti per future applicazioni fotovoltaiche.

Studio di proprieta ottiche di SiON con simulazioni software

Il concetto di cella a eterogiunzione in silicio ha portato allo sviluppo di dispositivi in grado di convertire oltre il 25% dello spettro solare. Il raggiungimento di alte efficienze di conversione è dovuto alla ricerca nel campo dei vari strati a base di silicio cristallino, amorfo e nanocristallino impiegati per formare le giunzioni. In particolare, lo studio e l’ottimizzazione dello strato di emettitore in silicio amorfo o nanocristallino insieme all’inserimento di uno strato amorfo intrinseco passivante, ha permesso la realizzazione di celle con alte tensioni di circuito aperto. Questi materiali contengono tuttavia dei difetti legati alla struttura amorfa, che compromettono le prestazioni dei dispositivi abbassandone la corrente di cortocircuito. Una possibile soluzione al problema può essere ottenuta formando composti che incorporano elementi come azoto e ossigeno e aumentando il grado di cristallinità del materiale con un processo di annealing. In questa tesi viene studiato l’energy gap di campioni di Silicon Oxynitride (SiOxNy:H) in funzione delle diverse condizioni di crescita e di annealing attraverso il programma di simulazione spettroscopica Optical.

Morphological and optical properties of SiON thin films for photovoltaic applications

In the last years technologies related to photovoltaic energy have rapidly developed and the interest on renewable energy power source substantially increased. In particular, cost reduction and appropriate feed-in tariff contributed to the increase of photovoltaic installation, especially in Germany and Italy. However, for several technologies, the observed experimental efficiency of solar cells is still far from the theoretical maximum efficiency, and thus there is still room for improvement. In this framework the research and development of new materials and new solar devices is mandatory. In this thesis the morphological and optical properties of thin films of nanocrystalline silicon oxynitride (nc-SiON) have been investigated. This material has been studied in view of its application in Si based heterojunction solar cells (HIT). Actually, a-Si:H is used now in these cells as emitter layer. Amorphous SiO_x N_y has already shown excellent properties, such as: electrical conductivity, optical energy gap and transmittance higher than the ones of a-Si:H. Nc-SiO_x N_y has never been investigated up to now, but its properties can surpass the ones of amorphous SiON. The films of nc-SiON have been deposited at the University of Konstanz (Germany). The properties of these films have been studied using of atomic force microscopy and optical spectroscopy methods. This material is highly complex as it is made by different coexisting phases. The main purpose of this thesis is the development of methods for the analyses of morphological and optical properties of nc-SiON and the study of the reliability of those methods to the measurement of the characteristics of these silicon films. The collected data will be used to understand the evolution of the properties of nc-SiON, as a function of the deposition parameters. The results here obtained show that nc-SiON films have better properties with respect to both a-Si:H and a-SiON, i. e. higher optical band-gap and transmittance. In addition, the analysis of the variation of the observed properties as a function of the deposition parameters allows for the optimization of deposition conditions for obtaining optimal efficiency of a HIT cell with SiON layer.

Tunable Bragg filter using silicon compound films

In this work, we present the simulation, fabrication and characterization of a tunable Bragg filter employing amorphous dielectric films deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition technique on a crystalline silicon substrate. The optical device was built using conventional microelectronic processes and consisted of fifteen periodic intervals of Si3N4 layers separated by air with appropriated thickness and lengths to produce transmittance attenuation peaks in the visible region. For this, previous simulations were realized based in the optical parameters of the dielectric film, which were extracted from ellipsometry and profilometry techniques. For the characterization of the optical interferential filter, a 633 nm monochromatic light was injected on the filter, and then the transmitted output light was collected and conducted to a detector through an optical waveguide made also of amorphous dielectric layers. Afterwards, the optical filter was mounted on a Peltier thermoelectric device in order to control the temperature of the optical device. When the temperature of filter changes, a refractive index variation is originated in the dielectric film due to the thermo-optic effect, producing a shift of attenuation peak, which can be well predicted by numerical simulations. This characteristic allows this device to be used as a thermo-optic sensor. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Chemical bonding and composition of silicon nitride films prepared by inductively coupled plasma chemical vapor deposition

Thin silicon nitride films were prepared at 350 degrees C by inductively coupled plasma chemical vapor deposition on Si(100) substrates under different NH(3)/SiH(4) or N(2)/SiH(4) gas mixture. The chemical composition and bonding structure of the deposited films were investigated as a function of the process parameters, such as the gas flow ratio NH(3)/SiH(4) or N(2)/SiH(4) and the RF power, using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The gas flow ratio was 1.4, 4.3, 7.2 or 9.5 and the RF power, 50 or 100 W. Decomposition results of Si 2p XPS spectra indicated the presence of bulk Si, under-stoichiometric nitride, stoichiometric nitride Si(3)N(4), oxynitride SiN(x)O(y), and stoichiometric oxide SiO(2), and the amounts of these compounds were strongly influenced by the two process parameters. These results were consistent with those obtained from N 1s XPS spectra. The chemical composition ratio N/Si in the film increased with increasing the gas flow ratio until the gas flow ratio reached 4.3, reflecting the high reactivity of nitrogen, and stayed almost constant for further increase in gas flow ratio, the excess nitrogen being rejected from the growing film. A considerable and unexpected incorporation of contaminant oxygen and carbon into the depositing film was observed and attributed to their high chemical reactivity. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.