Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dalla Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI (17J10044) dal Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia (MEXT), Giappone. I processi di fabbricazione sono stati supportati da "Nanotechnology Platform" (progetto n. 12024046), MEXT, Giappone. Gli autori desiderano ringraziare il signor K. Yamashita e la signora S. Hirata, dell'Università di Tokyo, per il loro aiuto nelle osservazioni TEM.

1. Procedura teorica di calcolo
<ol><li>Calcola le traiettorie dei TD. Nel calcolo, supponiamo che le maschere SEG siano abbastanza sottili da ignorare l'effetto ART sulla riduzione TDD.<ol><li>Determinare le superfici di crescita ed esprimerle per equazione. Ad esempio, esprimere l'evoluzione temporale di una sezione trasversale di forma rotonda di uno strato SEG Ge con il parametro di evoluzione temporale n = i, altezze SEG Ge (h i) e raggi SEG Ge (r i), come mostrato nel video supplementare 1a ed Eq. (1): <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58897/58897eq4.jpg" style="opacity: 0.9;"></li>
		<li>Determinare le direzioni normali per una posizione arbitraria sulle superfici di crescita. Per la sezione trasversale di forma rotonda SEG Ge, descrivere la linea normale in (x i , yi) come , mostrata nel video supplementare 1b come <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58897/58897eq7v2.jpg" style="opacity: 0.9;">una linea rossa. Quindi, ottenere lo spigolo del TD (x i+1 , y i+1) dal punto (x i , y i) risolvendo le seguenti equazioni simultanee: <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58897/58897eq10.jpg" style="opacity: 0.9;"></li>
		<li>Calcolare una traiettoria di un TD in base alla posizione della generazione TD (x 0, 0), come mostrato nel video supplementare 1c. In altre parole, una traiettoria per un TD arbitrario può essere calcolata con il metodo descritto sopra.</li>
		<li>Calcolare il TDD assumendo che i TD penetrino nella superficie inferiore e contribuiscano alla riduzione del TDD (cioè, i TD al di sotto del punto in cui gli strati di SEG Ge si fondono sono intrappolati da vuoti semicilindrici e non appaiono mai sulla superficie superiore).</li>
	</ol></li>
</ol>2. Procedura di verifica sperimentale
<ol><li>Preparazione maschera SEG<ol><li>Prima della fabbricazione delle maschere SEG, definire le aree di crescita Ge preparando un file di progettazione. Nel presente lavoro, preparare modelli di linee e spazi allineati alla direzione [110] e alle aree delle finestre Si di forma quadrata di 4 mm di larghezza utilizzando software commerciale (ad esempio, AutoCAD).</li>
		<li>Determinare il design delle maschere SEG (in particolare lafinestra W e lamaschera W) utilizzando il software. Wwindow è la larghezza della finestra (Si seed width) e Wmask è la larghezza della maschera SiO2 , in modo tale che gli strati SEG Ge possano fondersi con quelli adiacenti. Determinare lafinestra W e lamaschera W disegnando rettangoli facendo clic su Apri file → struttura → rettangolo o polilinea. Nota : la larghezza dei rettangolidiventa finestra W e l'intervallo dei rettangolidiventa maschera W. Nel presente lavoro, i valori minimi dellafinestra W e dellamaschera W sono rispettivamente 0,5 μm e 0,3 μm, che sono limitati dalla risoluzione nel sistema di litografia EB impiegato.</li>
		<li>Come riferimenti, disegna aree della finestra Si di forma quadrata di 4 mm di larghezza D, considerate come aree coperte. Fare clic su Apri file → struttura → rettangolo o polilinea per disegnare la finestra Si di forma quadrata. Utilizzare gli schemi illustrati nella Figura 1 per preparare i modelli di linee e spazi e l'area coperta quadrata di 4 mm.</li>
		<li>Preparare substrati p-Si (001) drogati con B con resistività di 1-100 Ω∙cm. Nel presente lavoro, utilizzare substrati di Si da 4 pollici. Pulire le superfici del substrato con la soluzione di Piranha (una miscela di 20 ml di H2 O 2 al30% e 80 ml di H2SO 4 al 96%.</li>
		<li>Aprire il coperchio di un forno tubolare e caricare i substrati di Si nel forno utilizzando una bacchetta di vetro. Nel presente lavoro, ossidare 10 substrati di Si contemporaneamente.</li>
		<li>Iniziare a soffiare il gas secco N2 nel forno aprendo la valvola del gas. Quindi, impostare la portata del gas su 0,5 L / m controllando la valvola.</li>
		<li>Impostare la temperatura di ricottura modificando il programma. Nel presente lavoro, utilizzare "pattern step (mode 2)" e impostare la temperatura di processo su 900 °C. Quindi, eseguire il programma premendo la funzione → eseguire.</li>
		<li>Quando la temperatura raggiunge i 900 °C, chiudere la valvola N 2 a secco, aprire la valvola O 2 a secco (flusso O 2 = 1 L/m) e conservare per2 ore. NOTA: eseguire i passaggi 2.1.9-2.1.16 in una stanza gialla.</li>
		<li>Rivestire i substrati di Si ossidato con un tensioattivo (OAP) utilizzando uno spin coater e quindi cuocere a 110 °C per 90 s su una piastra riscaldante.</li>
		<li>Dopo il rivestimento del tensioattivo, rivestire i substrati di Si con un fotoresist (ad esempio, ZEP520A) utilizzando un rivestimento di rotazione e quindi cuocere a 180 °C per 5 minuti su una piastra elettrica.</li>
		<li>Caricare i substrati di Si con il tensioattivo e fotoresistere in un writer a fascio di elettroni (EB).</li>
		<li>Leggere il file di progettazione (preparato al punto 2.1.2) nel writer EB e creare un file di operazione (file WEC). Impostare la quantità di dose come 120 μC/cm2 nel file WEC. Al termine del caricamento del substrato, eseguire l'esposizione EB facendo clic sul pulsante di esposizione singola .</li>
		<li>Scaricare il substrato dal writer EB facendo clic su wafer carry → scaricare al termine dell'esposizione.</li>
		<li>Preparare uno sviluppatore photoresist (ZED) e un risciacquo per lo sviluppatore (ZMD) in una camera di bozza. Immergere i substrati di Si esposti nello sviluppatore per 60 s a temperatura ambiente.</li>
		<li>Rimuovere i substrati di Si dallo sviluppatore, quindi asciugare il substrato con gas N2 .</li>
		<li>Mettere i substrati di Si sviluppati su una piastra riscaldante per cuocere a 110 °C per 90 s.</li>
		<li>Immergere i substrati di Si in un acido fluoridrico tamponato (BHF-63SE) per 1 minuto al fine di rimuovere parte degli strati di SiO2 esposti all'aria come risultato dell'esposizione e dello sviluppo di EB.</li>
		<li>Rimuovere il fotoresist dai substrati di Si immergendolo in un dispositivo di rimozione del fotoresist organico (ad esempio, Hakuri-104) per 15 minuti.</li>
		<li>Immergere i substrati di Si in acido fluoridrico diluito allo 0,5% per 4 minuti per rimuovere il sottile ossido nativo nelle regioni della finestra, ma per mantenere le maschere SiO2 . Quindi caricare su una camera di deposizione chimica da vapore ad ultraalto vuoto (UHV-CVD) per far crescere Ge. La figura 2 mostra il sistema UHV-CVD utilizzato nel presente lavoro.</li>
	</ol></li>
	<li>Crescita di Ge epitassiale<ol><li>Caricare il substrato di Si con maschere SEG (fabbricate come al punto 2.1) in una camera di blocco del carico.</li>
		<li>Impostare la temperatura di crescita del buffer/principale nella scheda Ricetta visualizzata sul computer operativo. Determinare le durate per la crescita principale di Ge in modo che gli strati di SEG Ge si coalizzino con quelli adiacenti. Per decidere le durate per la crescita principale, si consideri il tasso di crescita di Ge sui piani {113}, che determina la crescita nella direzione in-plane/lateral26. Nel presente lavoro, impostare le durate per la crescita principale come 270 min e 150 min per 650 °C e 700 °C, rispettivamente.</li>
		<li>Fare clic su Start nella finestra principale, quindi il substrato di Si viene automaticamente trasferito nella camera di crescita. NOTA: Il protocollo sulla crescita epitassiale di Ge (fasi 2.2.4-2.2.7) viene elaborato automaticamente.</li>
		<li>Tampone Ge di crescita sul substrato di Si caricato a bassa temperatura (≈380 °C). Utilizzare GeH 4 diluito al 9% in Ar come gas sorgente e mantenere la pressione parziale di GeH4 per 0,5 Pa durante la crescita del tampone.</li>
		<li>Coltiva lo strato principale di Ge a una temperatura elevata. Mantenere la pressione parziale di GeH4 per 0,8 Pa durante la crescita principale. Nel presente lavoro, utilizzare due diverse temperature di 650 e 700 °C per la temperatura di crescita principale al fine di confrontare SEG Ge con una sezione trasversale di forma rotonda e con una sezione trasversale a {113} sfaccettature25. NOTA: Il tasso di crescita di Ge sul piano (001) è stato di 11,7 nm/min indipendente dalla temperatura.</li>
		<li>Al fine di visualizzare l'evoluzione di SEG Ge e la loro coalescenza, eseguire la crescita di Ge con inserimento periodico di strati di demarcazione Si0.3Ge0.7 spessi 10 nm su un altro substrato di Si. Gli strati di Si 0,3 Ge0,7sono stati formati utilizzando gas Si2H6 e GeH4. Durante la crescita dello strato Si 0,3 Ge 0,7, impostare la pressione parziale del gas Si2H6 a 0,02 Pa e la pressione parziale del gas GeH4 a0,8Pa.</li>
		<li>Poiché il substrato di Si viene trasferito automaticamente dalla camera di crescita alla camera di blocco del carico, sfiatare la camera di blocco del carico e scaricare manualmente il substrato di Si.</li>
	</ol></li>
	<li>Misure della densità della fossa di incisione (EPD)<ol><li>Sciogliere 32 mg di I2 in 67 ml di CH3COOH utilizzando una macchina per la pulizia ad ultrasuoni.</li>
		<li>Mescolare il COOH CH 3 disciolto I2, 20 mL di HNO3e 10 mL di HF.</li>
		<li>Immergere i substrati di Si Ge-grown nella soluzione CH 3COOH/HNO3/HF/I2 per 5-7 s per formare fosse incise.</li>
		<li>Osservare le superfici Ge incise con un microscopio ottico (tipicamente 100x) per assicurarsi che le fosse incise si formino con successo.</li>
		<li>Utilizzare un microscopio a forza atomica (AFM) per contare le fosse incise. Posizionare il campione Ge inciso su uno stadio AFM, quindi avvicinarsi alla sonda facendo clic su avvicinamento automatico.</li>
		<li>Decidi l'area di osservazione utilizzando un microscopio ottico integrato con un AFM e scansiona cinque diverse aree da 10 μm x 10 μm. Il fattore di smorzamento dell'ampiezza viene determinato automaticamente.</li>
	</ol></li>
	<li>Osservazioni TEM<ol><li>Prelevare campioni di TEM dagli strati di Ge coalesced/coperta utilizzando un fascio di ioni Ge focalizzato (metodo di microcampionamento FIB)27.</li>
		<li>Lucidare i campioni TEM in un sistema di macinazione ionica utilizzando ioni Ar. Nel presente lavoro, assottigliare i campioni TEM per le osservazioni in sezione trasversale a 150-500 nm nella direzione [110] e per le osservazioni in pianta per essere 200 nm nella direzione [001].</li>
		<li>Per i campioni TEM in pianta, proteggere le superfici superiori degli strati di Ge con strati amorfi e quindi assottigliarsi dal lato inferiore (substrato) degli strati di Ge.</li>
		<li>Eseguire osservazioni TEM con una tensione di accelerazione di 200 kV. Eseguire osservazioni TEM (STEM) a scansione a campo chiaro in sezione trasversale per osservare campioni TEM spessi (500 nm).</li>
		<li>Per un Ge coalescente con strati di demarcazione Si0,3Ge0,7, eseguire osservazioni STEM in campo anulare ad alto angolo trasversale (HAADF) sotto una tensione di accelerazione di 200 kV.</li>
	</ol></li>
</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Nel presente lavoro, sono stati mostrati sperimentalmente TDD di 4 x 107/cm2 . Per un'ulteriore riduzione del TDD, ci sono principalmente 2 passaggi critici all'interno del protocollo: preparazione della maschera SEG e crescita del Ge epitassiale.
Il nostro modello mostrato in Figura 4 indica che il TDD può essere ridotto al di sotto di 107/cm2 in Ge coalescente quando APR, W window/(Wwindow +W mask</sub...

L'epitassial Ge su Si ha attirato notevoli interessi come piattaforma di dispositivi fotonici attivi poiché Ge può rilevare / emettere luce nel campo di comunicazione ottica (1,3-1,6 μm) ed è compatibile con le tecniche di elaborazione Si CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Tuttavia, poiché la mancata corrispondenza del reticolo tra Ge e Si è grande come il 4,2%, le dislocazioni di filettatura (TD) si formano negli strati epitassiali di Ge su Si ad una densità di ~ 109 / cm2. Le prestazioni dei dispositivi fotonici Ge sono deteriorate dai TD perché i TD funzionano come centri di generazione di portatori nei fotorivelatori Ge (PD) e modulatori (MOD) e come centri di ricombinazione della portante nei diodi laser (LD). A loro volta, aumenterebbero la corrente di dispersione inversa (perdita J) nei PD e MOD 1,2,3 e la corrente di soglia (Jth) nei LD 4,5,6.
Sono stati segnalati vari tentativi di ridurre la densità TD (TDD) in Ge su Si (Figura supplementare 1). La ricottura termica stimola il movimento dei TD portando alla riduzione del TDD, tipicamente a 2 x 107/cm2. Lo svantaggio è la possibile mescolanza di Si e Ge e la diffusione di droganti in Ge come il fosforo 7,8,9 (figura supplementare 1a). Lo strato tampone graduato SiGe 10,11,12 aumenta gli spessori critici e sopprime la generazione di TD portando alla riduzione del TDD, tipicamente a 2 x 10 6/cm2. Lo svantaggio qui è che il tampone spesso riduce l'efficienza di accoppiamento della luce tra i dispositivi Ge e le guide d'onda Si sottostanti (Figura supplementare 1b). L'intrappolamento del rapporto di aspetto (ART)13,14,15 è un metodo di crescita epitassiale selettiva (SEG) e riduce i TD intrappolando i TD alle pareti laterali di spesse trincee di SiO 2, tipicamente a <1 x 10 6 / cm 2. Il metodo ART utilizza una maschera SiO 2 spessa per ridurre il TDD in Ge rispetto alle maschere SiO2, che si trova molto al di sopra di Si e ha lo stesso inconveniente (Figura supplementare 1b,1c). La crescita di Ge sui semi del pilastro Si e la ricottura 16,17,18 sono simili al metodo ART, consentendo l'intrappolamento TD con l'elevato rapporto di aspetto della crescita di Gue, a <1 x 10 5 / cm2. Tuttavia, la ricottura ad alta temperatura per la coalescenza Ge presenta gli stessi inconvenienti nella figura supplementare 1a-c (figura supplementare 1d).
Per ottenere una crescita epitassiale Ge a basso TDD su Si che sia libera dagli svantaggi dei metodi sopra menzionati, abbiamo proposto una riduzione del TDD indotta dalla coalescenza19,20 sulla base delle seguenti due osservazioni chiave riportate finora nella crescita di SEG Ge 7,15,21,22,23 : 1) i TD sono piegati per essere normali alle superfici di crescita (osservate dal microscopio elettronico a trasmissione in sezione trasversale (TEM)), e 2) la coalescenza degli strati di SEG Ge provoca la formazione di vuoti semicilindrici sopra le maschere di SiO2.
Abbiamo ipotizzato che i TD siano piegati a causa della forza dell'immagine dalla superficie di crescita. Nel caso di Ge su Si, la forza dell'immagine genera tensioni di taglio di 1,38 GPa e 1,86 GPa per dislocazioni di viti e dislocazioni di spigoli a distanze di 1 nm dalle superfici libere, rispettivamente19. Le sollecitazioni di taglio calcolate sono significativamente maggiori della sollecitazione di Peierls di 0,5 GPa riportata per dislocazioni di 60° in Ge24. Il calcolo prevede la riduzione del TDD negli strati di Ge SEG su base quantitativa ed è in buon accordo con la crescita del SEG Ge19. Le osservazioni TEM dei TD vengono effettuate per comprendere i comportamenti dei TD nella crescita di SEG Ge presentata su Si20. La riduzione TDD indotta dalla forza dell'immagine è priva di ricottura termica o strati tampone spessi, ed è quindi più adatta per l'applicazione di dispositivi fotonici.
In questo articolo, descriviamo i metodi specifici per il calcolo teorico e la verifica sperimentale impiegati nel metodo di riduzione TDD proposto.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:655px;" width="656">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:222px;">AFM</td>
			<td style="width:140px;">SII NanoTechnology</td>
			<td style="width:123px;">SPI-3800N</td>
			<td style="width:171px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">BHF</td>
			<td>DAIKIN</td>
			<td>BHF-63U</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">CAD design</td>
			<td>AUTODESK</td>
			<td>AutoCAD 2013</td>
			<td>Software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">CH3COOH</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>Acetic Acid</td>
			<td>for Electronics</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">CVD</td>
			<td>Canon ANELVA</td>
			<td>I-2100 SRE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Developer</td>
			<td>ZEON</td>
			<td>ZED</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Developer rinse</td>
			<td>ZEON</td>
			<td style="width:123px;">ZMD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">EB writer</td>
			<td>ADVANTEST</td>
			<td>F5112+VD01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Furnace</td>
			<td>Koyo Thermo System</td>
			<td>KTF-050N-PA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">HF, 0.5 %</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>0.5 % HF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">HF, 50 %</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>50 % HF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">HNO3, 61 %</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>HNO3 1.38</td>
			<td>for Electronics</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">I2</td>
			<td>Kanto-Kagaku</td>
			<td>Iodine 100g</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Photoresist</td>
			<td>ZEON</td>
			<td>ZEP520A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Photoresist remover</td>
			<td>Tokyo Ohka</td>
			<td>Hakuri-104</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Surfactant</td>
			<td>Tokyo Ohka</td>
			<td>OAP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">TEM</td>
			<td>JEOL</td>
			<td>JEM-2010HC</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

theoretical calculation and experimental verification for dislocation reduction in germanium epitaxial layers with semicylindrical voids on silicon

La riduzione della densità di dislocazione della filettatura (TDD) nel germanio epitassiale (Ge) su silicio (Si) è stata una delle sfide più importanti per la realizzazione di circuiti fotonici monoliticamente integrati. Il presente articolo descrive i metodi di calcolo teorico e di verifica sperimentale di un nuovo modello per la riduzione della TDD. Il metodo di calcolo teorico descrive la flessione delle dislocazioni di filettatura (TD) in base all'interazione di TD e superfici di crescita non planari di crescita epitassiale selettiva (SEG) in termini di forza dell'immagine di dislocazione. Il calcolo rivela che la presenza di vuoti sulle maschere SiO2 aiuta a ridurre il TDD. La verifica sperimentale è descritta dal germanio (Ge) SEG, utilizzando un metodo di deposizione chimica da vapore ad altissimo vuoto e osservazioni TD del Ge cresciuto tramite incisione e microscopio elettronico a trasmissione in sezione trasversale (TEM). Si suggerisce fortemente che la riduzione del TDD sarebbe dovuta alla presenza di vuoti semicilindrici sopra le maschere SiO2 SEG e alla temperatura di crescita. Per la verifica sperimentale, gli strati di Ge epitassiale con vuoti semicilindrici si formano come risultato del SEG degli strati di Ge e della loro coalescenza. I TDD ottenuti sperimentalmente riproducono i TDD calcolati in base al modello teorico. Le osservazioni TEM in sezione trasversale rivelano che sia la terminazione che la generazione di TD avvengono a vuoti semicilindrici. Le osservazioni TEM in pianta rivelano un comportamento unico dei TD in Ge con vuoti semicilindrici (cioè, i TD sono piegati per essere paralleli alle maschere SEG e al substrato Si).

Calcolo teorico
La Figura 3 mostra le traiettorie calcolate dei TD in 6 tipi di strati Ge coalescenti: qui, definiamo il rapporto di apertura (APR) come finestra W /(finestra W +maschera W). La figura 3a mostra un Ge coalescente di origine SEG di forma rotonda di APR = 0,8. Qui, 2/6 TD sono intrappolati. <strong class="x...

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Theoretical Calculation and Experimental Verification for Dislocation Reduction in Germanium Epitaxial Layers with Semicylindrical Voids on Silicon

Il calcolo teorico e la verifica sperimentale sono proposti per una riduzione della densità di dislocazione di filettatura (TD) in strati epitassiali di germanio con vuoti semicilindrici su silicio. Vengono presentati calcoli basati sull'interazione di TD e superficie tramite forza dell'immagine, misurazioni TD e osservazioni al microscopio elettronico a trasmissione dei TD.

Calcolo teorico e verifica sperimentale per la riduzione della dislocazione in strati epitassiali di germanio con vuoti semicilindrici su silicio

Reduction of threading dislocation density (TDD) in epitaxial germanium (Ge) on silicon (Si) has been one of the most important challenges for the ...

theoretical-calculation-experimental-verification-for-dislocation

Research

JoVE Journal

Engineering

2.1K Views.  The University of Tokyo. Il calcolo teorico e la verifica sperimentale sono proposti per una riduzione della densità di dislocazione di filettatura (TD) in strati epitassiali di germanio con vuoti semicilindrici su silicio. Vengono presentati calcoli basati sull'interazione di TD e superficie tramite forza dell'immagine, misurazioni TD e osservazioni al microscopio elettronico a trasmissione dei TD. 

Video: Theoretical Calculation and Experimental Verification for Dislocation Reduction in Germanium Epitaxial Layers with Semicylindrical Voids on Silicon

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

Celle in silicio policristallino solari a film sottile con plasmoniche-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

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Monolayer Contact Doping of Silicon Surfaces and Nanowires Using Organophosphorus Compounds

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra shallow and sharp doping profiles at the nanometer scale. In MLCD process the dopant source is a monolayer containing dopant atoms.
In this article a detailed procedure for surface doping of silicon substrate as well as silicon nanowires is demonstrated. Phosphorus dopant source was formed using tetraethyl methylenediphosphonate monolayer on a silicon substrate. This monolayer containing substrate was brought to contact with a pristine intrinsic silicon target substrate and annealed while in contact. Sheet resistance of the target substrate was measured using 4 point probe. Intrinsic silicon nanowires were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) process using a vapor-liquid-solid (VLS) mechanism; gold nanoparticles were used as catalyst for nanowire growth. The nanowires were suspended in ethanol by mild sonication. This suspension was used to dropcast the nanowires on silicon substrate with a silicon nitride dielectric top layer. These nanowires were doped with phosphorus in similar manner as used for the intrinsic silicon wafer. Standard photolithography process was used to fabricate metal electrodes for the formation of nanowire based field effect transistor (NW-FET). The electrical properties of a representative nanowire device were measured by a semiconductor device analyzer and a probe station.

A detailed procedure for surface doping of Silicon interfaces is provided. The ultra-shallow surface doping is demonstrated by using phosphorus containing monolayers and rapid annealing process. The method can be used for doping of macroscopic area surfaces as well as nanostructures.

Monostrato Contatto doping di silicio superfici e nanofili Uso organofosforici Composti

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Area selettiva Modifica della Silicon bagnabilità della superficie da impulsi laser UV irradiazione in ambiente liquido

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and non-destructively reveals the hydrogen density distribution at surfaces, at interfaces, and in the volume of solid materials with high depth resolution. The technique applies a 15N ion beam of 6.385 MeV provided by an electrostatic accelerator and specifically detects the 1H isotope in depths up to about 2 &#956;m from the target surface. Surface H coverages are measured with a sensitivity in the order of ~1013 cm-2 (~1% of a typical atomic monolayer density) and H volume concentrations with a detection limit of ~1018 cm-3 (~100 at. ppm). The near-surface depth resolution is 2-5 nm for surface-normal 15N ion incidence onto the target and can be enhanced to values below 1 nm for very flat targets by adopting a surface-grazing incidence geometry. The method is versatile and readily applied to any high vacuum compatible homogeneous material with a smooth surface (no pores). Electrically conductive targets usually tolerate the ion beam irradiation with negligible degradation. Hydrogen quantitation and correct depth analysis require knowledge of the elementary composition (besides hydrogen) and mass density of the target material. Especially in combination with ultra-high vacuum methods for in-situ target preparation and characterization, 1H(15N,&#945;&#947;)12C NRA is ideally suited for hydrogen analysis at atomically controlled surfaces and nanostructured interfaces. We exemplarily demonstrate here the application of 15N NRA at the MALT Tandem accelerator facility of the University of Tokyo to (1) quantitatively measure the surface coverage and the bulk concentration of hydrogen in the near-surface region of a H2 exposed Pd(110) single crystal, and (2) to determine the depth location and layer density of hydrogen near the interfaces of thin SiO2 films on Si(100).

We illustrate the application of 1H(15N,&#945;&#947;)12C resonant nuclear reaction analysis (NRA) to quantitatively evaluate the density of hydrogen atoms on the surface, in the volume, and at an interfacial layer of solid materials. The near-surface hydrogen depth profiling of a Pd(110) single crystal and of SiO2/Si(100) stacks is described.

La quantificazione delle concentrazioni di idrogeno in superficie e di interfaccia Livelli e materiale sfuso attraverso profili di profondità con l&#39;analisi reazione nucleare

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in helping the disabled in their daily lives. The overall goal of our method is to establish an SSVEP-based experimental procedure by integrating multiple software programs, such as OpenViBE, Choregraph, and Central software as well as user developed programs written in C++ and MATLAB, to enable the study of brain-robot interaction with humanoid robots.
This is achieved by first placing EEG electrodes on a human subject to measure the brain responses through an EEG data acquisition system. A user interface is used to elicit SSVEP responses and to display video feedback in the closed-loop control experiments. The second step is to record the EEG signals of first-time subjects, to analyze their SSVEP features offline, and to train the classifier for each subject. Next, the Online Signal Processor and the Robot Controller are configured for the online control of a humanoid robot. As the final step, the subject completes three specific closed-loop control experiments within different environments to evaluate the brain-robot interaction performance.
The advantage of this approach is its reliability and flexibility because it is developed by integrating multiple software programs. The results show that using this approach, the subject is capable of interacting with the humanoid robot via brain signals. This allows the mind-controlled humanoid robot to perform typical tasks that are popular in robotic research and are helpful in assisting the disabled.

The overall goal of this method is to establish an SSVEP-based experimental procedure by integrating multiple software programs to enable the study of brain-robot interaction with humanoid robots, which is prospective in assisting the sick and elderly as well as performing unsanitary or dangerous jobs.

SSVEP-based Procedura sperimentale per Brain-Robot Interaction con Humanoid Robots

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser (laser-SARPES), and demonstrate a power of this technique for studying solid state physics. Laser-SARPES achieves two great capabilities. Firstly, by examining orbital selection rule of linearly polarized lasers, orbital selective excitation can be carried out in SAPRES experiment. Secondly, the technique can show full information of a variation of the spin quantum axis as a function of the light polarization. To demonstrate the power of the collaboration of these capabilities in laser-SARPES, we apply this technique for the investigations of spin-orbit coupled surface states of Bi2Se3. This technique affords to decompose spin and orbital components from the spin-orbit coupled wavefunctions. Moreover, as a representative advantage of using the direct spin detection collaborated with the polarization-variable laser, the technique unambiguously visualizes the light polarization dependence of the spin quantum axis in three-dimension. Laser-SARPES dramatically increases a capability of photoemission technique.

Here, we combine polarization-variable 7-eV laser with spin- and angle-resolved photoemission technique to visualize the spin-orbital coupling effect in solid states.

Metodi sperimentali per la spettroscopia di fotoemissione risolta di Spin e angolo combinato con polarizzazione-variabile Laser

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic glasses (MGs). Despite their amorphous nature, the identification of hyperfine interactions unveils faint structural modifications. For this purpose, we have employed two techniques that utilize nuclear resonance among nuclear levels of a stable 57Fe isotope, namely M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering (NFS) of synchrotron radiation. The effects of heat treatment upon (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG are discussed using the results of ex situ and in situ experiments, respectively. As both methods are sensitive to hyperfine interactions, information on structural arrangement as well as on magnetic microstructure is readily available. M&#246;ssbauer spectrometry performed ex situ describes how the structural arrangement and magnetic microstructure appears at room temperature after the annealing under certain conditions (temperature, time), and thus this technique inspects steady states. On the other hand, NFS data are recorded in situ during dynamically changing temperature and NFS examines transient states. The use of both techniques provides complementary information. In general, they can be applied to any suitable system in which it is important to know its steady state but also transient states.

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Here, we present a protocol to describe ex situ and in situ investigations of structural transformations in metallic glasses. We employed nuclear-based analytical methods which inspect hyperfine interactions. We demonstrate the applicability of M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering of synchrotron radiation during temperature-driven experiments.

Metodi di Ex Situ ed In Situ indagini sulle trasformazioni strutturali: il caso di cristallizzazione dei vetri metallici

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared on transparent membranes which are very fragile and difficult to manipulate. We present processes for the fabrication of samples with magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for Lorentz transmission electron microscopy and magnetic transmission x-ray microscopy studies. The samples are prepared on silicon nitride membranes and the fabrication consists of a spin coating, UV and electron-beam lithography, the chemical development of the resist, and the evaporation of the magnetic material followed by a lift-off process forming the final magnetic structures. The samples for the Lorentz transmission electron microscopy consist of magnetic nanodiscs prepared in a single lithography step. The samples for the magnetic x-ray transmission microscopy are used for time-resolved magnetization dynamic experiments, and magnetic nanodiscs are placed on a waveguide which is used for the generation of repeatable magnetic field pulses by passing an electric current through the waveguide. The waveguide is created in an extra lithography step.

A protocol for the fabrication of magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for transmission electron microscopy (TEM) and magnetic transmission x-ray microscopy (MTXM) studies is presented.

Fabbricazione di nanostrutture magnetiche sulle membrane di nitruro di silicio per studi di vortice magnetico utilizzando tecniche di microscopia di trasmissione

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This FOSP relies on a silicon Fabry-Perot interferometer (FPI) attached to the fiber end, referred to as Si-FOSP in this work. The Si-FOSP generates an interferogram determined by the optical path length (OPL) of the silicon cavity. Measurand alters the OPL and thus shifts the interferogram. Due to the unique optical and thermal properties of the silicon material, this Si-FOSP exhibits an advantageous performance in terms of sensitivity and speed. Furthermore, the mature silicon fabrication industry endows the Si-FOSP with excellent reproducibility and low cost toward practical applications. Depending on the specific applications, either a low-finesse or high-finesse version will be utilized, and two different data demodulation methods will be adopted accordingly. Detailed protocols for fabricating both versions of the Si-FOSP will be provided. Three representative applications and their according results will be shown. The first one is a prototype underwater thermometer for profiling the ocean thermoclines, the second one is a flow meter to measure flow speed in the ocean, and the last one is a bolometer used for monitoring exhaust radiation from magnetically confined high-temperature plasma.

This work reports an innovative silicon-tipped fiber-optic sensing platform (Si-FOSP) for high-resolution and fast-response measurement of a variety of physical parameters, such as temperature, flow, and radiation. Applications of this Si-FOSP span from oceanographic research, mechanical industry, to fusion energy research.

Una piattaforma con punta di silicio di rilevamento in fibra ottica ad alta risoluzione e risposta veloce

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...