Crystallization of amorphous hydrogenated Si1−xGex films

Abstract

The incubation time t0 of the crystallization of intrinsic and P, B-doped amorphous silicon-germanium (a-Si1–xGex: H) layers deposited on SiO2/Si(100) substrates is studied as a function of temperature and composition using in situ transmission electron microscopy (TEM). The temperature dependence of t0 follows an Arrhenius behavior t0 = t0* exp (W/kT) with activation energy W and prefactor t0* depending on x. The dependences of grain growth, nucleation rate as well as of the morphology of the polycrystalline films on temperature, doping, and composition are estimated. Doping SiGe films with B decreases grain growth rate during crystallization. Independent of the Ge content, such films stay nanocrystalline (grain size ≪10 nm) up to an annealing temperature of 800°C. During crystallization decomposition within SiGe films is observed. Furthermore, metal-induced crystallization in the Al/a-Si1–xGex:H structures is demonstrated. Die Inkubationszeit t0, die bei der Rekristallisation von intrinsischen bzw. P- und B-dotierten amorphen Silizium-Germanium-Schichten (a-Si1–xGex:H) auf SiO2/Si(100)-Substraten auftritt, wird in Abhängigkeit von der Temperatur und Zusammensetzung mittels in situ Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Temperaturabhängigkeit von t0 folgt einer Arrhenius-Kurve der Form t0 = t0* exp (W/kT), wobei die Aktivierungsenergie W und die Zeitkonstante t0* von der Konzentration x abhängen. Durch in situ TEM-Experimente wird die Abhängigkeit des Kornwachstums und der Keimbildungsrate, aber auch der Morphologie der polykristallinen Schichten von Temperatur, Dotierung und Komposition ermittelt. So führt eine B-Dotierung z. B. zu einer Verringerung der Wachstumsrate. Unabhängig vom Ge-Gehalt solcher Schichten erreichen die Kristallite nur eine Größe von ≪ 10 nm bei Temperaturen bis 800°C. Im Rahmen solcher Rekristallisationen treten auch Dekompositionen auf. Darüber hinaus läßt sich eine Rekristallisation durch Metall-Phasen beeinflussen, wie am System Al/a-Si1–xGex:H gezeigt wird.