Three-dimensional atomic-scale control of co-doped elemental distributions towards high-efficiency luminescent devices

高效发光器件共掺杂元素分布的三维原子尺度控制

• 批准号: 20K04613
• 负责人: 清水 康雄
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K04613/
• 关键词: ３次元アトムプローブ; フォトニクス; 量子構造; 半導体; 同位体

次世代型CMOS－フォトニックの一体型高効率デバイスの創製に向けて、添加元素分布の不均一性や添加時に導入される欠陥の存在が光学的特性に大きく影響を与えるため、発光添加元素と欠陥の空間的な位置関係を明確にする必要がある。本研究では、原子レベルで元素の実空間分布を得る３次元アトムプローブ（3DAP）法と透過電子顕微鏡を同一の素子に適用して、共添加元素（初期段階ではエルビウム・酸素の組み合わせに着目）および注入誘起欠陥の両者の分布を明らかにするとともに、フォトルミネッセンス発光特性と照らし合わせて添加元素分布－結晶欠陥分布－発光特性の三者の直接的な因果関係を解明することを主な目的とする。また、母材となるシリコンの同位体多層膜をサブナノメートルスケールの指標として利用する新しい概念を取り入れ、3DAP法による高精度分析の実現も併せて目指してきた。この実験体系を構築することにより、発光複合体の空間的な広がりを自在に制御する指導原理へ繋がる可能性を秘めている。具体的に以下の手順で検討してきた。１）試料設計・準備：エルビウムと酸素を共添加したシリコン試料を設計した。3DAP法では観察領域に制限（表面から約200nmまでが適正）があるため、注入量・深さなど厳密な設計が重要である。また、微細針状のための試料切り出しが技術的に最も難しい点であり、その点を重点的に実施してきた。２）微細針状加工および解析条件の最適化：3DAP測定の適用には先端径20nm以下に精鋭化する必要があった。高精度な走査電子顕微鏡付き集束イオンビーム加工装置を用いて、添加元素領域を含むように針形状の最適化を図った。3DAP測定において、極細針状試料の先端から原子を1個ずつ剥ぎ取るための測定条件の最適化を行い、統計精度の向上のため多量の３次元データを蓄積する体制を整えた。

It is necessary to clarify the spatial positional relationship between the additive elements and the optical characteristics of the next-generation CMOS system. In this study, the spatial distribution of the elements was obtained by the 3DAP method, and the same element was obtained by electron microscopy.(In the initial stage, the direct causal relationship between the distribution of additive elements, the distribution of crystalline elements and the emission characteristics is explained.) The new concept of "3DAP method" was introduced to realize the high precision analysis of isotope multilayer films. The guiding principle for the construction of such a system is the possibility of a space for a light-emitting complex. The following detailed procedures are discussed. 1) Sample Design·Preparation: Sample Design·Preparation·Sample Design·Sample Design 3DAP method is important for the design of the detection area (surface area is about 200nm). The most difficult point of the technology is to cut the sample into fine needles. 2) Optimization of micro-needle processing conditions: 3DAP measurement is necessary for refinement of tip diameter below 20nm. The high-precision electronic micro-mirror cluster on-camera processing device is used, the field of added elements is included, and the shape of the needle is optimized. Optimization of measurement conditions for 3DAP measurement, optimization of statistical accuracy, optimization of accumulation system for 3D measurement of fine needle samples

项目成果

Segregation mechanism of arsenic dopants at grain boundaries in silicon

• DOI: 10.1080/27660400.2021.1969701
• 发表时间: 2021-01
• 期刊: Science and Technology of Advanced Materials: Methods
• 作者: Y. Ohno;T. Yokoi;Y. Shimizu;J. Ren;K. Inoue;Y. Nagai;K. Kutsukake;K. Fujiwara;A. Nakamura;K. Matsunaga;H. Yoshida

3D impurity profiles of doped/intrinsic amorphous-silicon layers composing textured silicon heterojunction solar cells detected by atom probe tomography

通过原子探针断层扫描检测构成织构硅异质结太阳能电池的掺杂/本征非晶硅层的 3D 杂质分布

• DOI: 10.35848/1882-0786/abcd70
• 发表时间: 2020
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: Y. Shimizu;B. Han;N. Ebisawa;Y. Ichihashi;T. Hashiguchi;H. Katayama;M. Matsumoto;A. Terakawa;K. Inoue;and Y. Nagai
• 通讯作者: and Y. Nagai

Insight into segregation sites for oxygen impurities at grain boundaries in silicon

• DOI: 10.35848/1882-0786/abe80d
• 发表时间: 2021-04
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: Y. Ohno;Jie Ren;Shingo Tanaka;M. Kohyama;K. Inoue;Y. Shimizu;Y. Nagai;H. Yoshida

Atom probe tomography of high-performance Si solar cells

高性能硅太阳能电池的原子探针断层扫描

• DOI: 10.11470/oubutsu.90.10_610
• 发表时间: 2021
• 期刊: Oyo Buturi
• 作者: Shunsuke Hanehara;Tetsuya Oyamada;清水康雄
• 通讯作者: 清水康雄

Crystallite distribution analysis based on hydrogen content in thin-film nanocrystalline silicon solar cells by atom probe tomography

基于原子探针层析成像的薄膜纳米晶硅太阳能电池中氢含量的微晶分布分析

• DOI: 10.35848/1882-0786/abd13f
• 发表时间: 2021
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: Y. Shimizu;H. Sai;T. Matsui;K. Taki;T. Hashiguchi;H. Katayama;M. Matsumoto;A. Terakawa;K. Inoue;and Y. Nagai
• 通讯作者: and Y. Nagai