Анализ самоорганизованных наноразмерных структур в имплантированном кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Актуальность проблемы

В настоящее время в микроэлектронике большое внимание уделяется упорядоченным, в том числе наноразмерным структурам. Это связано с перспективностью использования упорядоченных наноразмерных систем, например, для создания фотодетекторов, в том числе ИК-диапазона, при этом приборы с самыми лучшими характеристиками были получены на квантовых точках (КТ). Экспериментальные данные показывают, что величина фотопоглощения КТ в системе Si-Ge, по крайней мере, на порядок превышает известные значения для локальных центров в кремнии и на три порядка аналогичную величину для КТ в системе InAs/GaAs. Реальные успехи в получении пространственно-упорядоченных систем связаны с использованием эффектов самоорганизации наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. Именно на этих структурах были впервые продемонстрированы уникальные физические свойства, ожидавшиеся для идеальных КТ в течение многих лет.

Основными методами получения упорядоченных гетероструктур являются комплексные процессы основанные на молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и химическом осаждении в вакууме из газовой или жидкой фазы. Эти процессы являются дорогими, сложными в эксплуатации, и что самое важное - протекают в течение большого времени даже при реализации одиночных процессов. В массовом производстве эти методы практически мало эффективны. Также, в конечном итоге, образцы, полученные этими методами, являются дорогими и требующими особых условий эксплуатации. В связи с чем возникла необходимость получения квантово-размерных и упорядоченных структур новыми, дешевыми, пригодными для массового производства методами. Одним из таких методов является ионный синтез.

Данная работа проводилась в рамках большой программы по получению и исследованию самоупорядоченных структур на основе ионно-синтезированных Si-Ge и CoSi2. Был накоплен большой объем информации по упорядоченным объектам на поверхности, при этом возникла проблема обработки и анализа этих результатов, что дало возможность целенаправленной постановки задачи данной работы.

Цель работы

Целью работы был анализ наноразмерных самоорганизованных структур Si-Ge и CoSi2, полученных с помощью ионного синтеза. Основная задача данной работы -анализ поверхностей с упорядоченными и неупорядоченными структурами, образовавшимися в результате ионного синтеза, новыми методиками, основанными на фрактальном расчете, вейвлет и Фурье преобразованиях. Эти методики позволяют получить не только данные по наличию выделенных направлений и симметрии объектов, но и дать количественную характеристику всей поверхности, при этом фрактальный анализ и вейвлет анализ впервые применены для исследования упорядоченных структур. По результатам анализа ставились новые задачи для получения ионным синтезом новых структур с упорядоченными объектами на * поверхности. Также ставились задачи по дополнительным исследованиям новыми методиками, применяемыми на измерительных установках, например, анализ состава методом точечной оже-спектроскопии с диаметром пучка ~ 14 нм на оже-спектрометре или применение фазового и емкостного режимов на атомно-снловом микроскопе.

Научная новизна

Большинство представленных в работе результатов являются совершенно новыми и аналогов в мировой литературе не имеют. Во-первых, это связано с тем, что постановка задачи отвечает наиболее современным требованиям развития микроэлектроники и серьезно заявившей о себе наноэлектроники, а во-вторых - за счет использования, как наиболее свежих физических подходов и явлений, так и за счет применения новейших методов исследования. К числу пионерских результатов следует отнести:

1. Установлено, что применение фрактального и вейвлет анализов в сочетании с Фурье-анализом дает возможность детального исследования самоорганизованных наноразмерных структур с возможностью выявления скрытых (недоступных для прямого визуального обнаружения) процессов упорядочения. При этом все три метода анализа дополняют друг друга. Они позволяют получать количественные данные по всей поверхности, такие как фрактальная размерность, направленность и размеры объектов образующих структуру, а также их вариации для каждой конкретной поверхности.

2. Установлено, что сформированные наноразмерные структуры могут проявлять свойства размерного квантования. Это показано на наноразмерных структурах в системе Si-Ge.

3. Обнаружено, что при определенных условиях формирования на поверхности кремния образуются самоупорядоченные структуры. Для изображений Сами эксперименты по обнаружению и исследованию эффекта самоорганизации с образованием наноразмерных структур также проводились с участием автора. данных поверхностей впервые проведен физико-математический анализ с использованием совсем недавно разработанных методов, т.к. фрактальный анализ и вейвлет анализ.

Практическая ценность

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты открывают возможности сознательного применения наиболее эффективных методов анализа поверхности. При этом применены новые методики анализа для структур с упорядоченными и неупорядоченными объектами на поверхности, такие как фрактальный анализ и вейвлет анализ.

В настоящее время накоплен большой объем результатов, связанных с упорядоченными структурами, в связи с чем возникает проблема анализа данных объектов. В основном для анализа этих структур применяется Фурье анализ, который не дает количественных характеристик исследуемых поверхностей. Новые, применяемые в данной работе, методы анализа позволяют дать количественную оценку всего изображения, в том числе характерные для каждой отдельно взятой поверхности, а также сгруппировать по общим признакам. Это дает возможность рекомендовать рассмотренные методы математического анализа в качестве стандартных методов анализа наноразмерных структур. .

Положения, выносимые на защиту

1 Самоорганизованные наноразмерные структуры на кремнии, полученные с помощью ионной бомбардировки, могут быть эффективно проанализированы с помощью фрактального анализа, Фурье-трансформации, вейвлет-анализа, которые дают коррелированные и взаимодополняющие результаты.

2 С помощью ионной бомбардировки возможно создание на поверхности монокристаллического кремния упорядоченных наноразмерных структур. Эффект проявляется при синтезе дисилицида кобальта и твёрдого раствора Si-Ge, а также может быть реализован на других многокомпонентных и моноатомных полупроводниках.

3 Наноразмерные упорядоченные структуры, полученные с помощью ионной бомбардировки на кремнии (CoSi2, Si-Ge), проявляют свойства наноразмерного квантования.

Апробация работы

Результаты работы регулярно публиковались в ведущих журналах Российской Федерации, а также в наиболее известных международных журналах, посвященных различным аспектам радиационной физики и технологии твердотельной микроэлектроники.

Полученные в работе результаты были представлены и обсуждались в докладах (оригинальных) на международных, межреспубликанских конференциях, конгрессах и семинарах: 2-й и 3-й международной конференции "Ядерная и радиационная физика" (город Алма-Ата, 1999,2001); 12-й, 13-й международных конференциях "Модификация твердых тел ионными пучками" (Канела, Бразилия, 2000; Кобэ, Япония, 2002); 13-й и 14-й международной конференции "Технология ионной имплантации" (Альпбах, Австрия, 2000; Таос, США, 2002); международных конференциях "Электроника и информатика" (Москва, МИЭТ, 2000, 2002); межреспубликанских конференциях "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1999, 2001, 2002); всероссийских семинарах "Физика ионной имплантации" (Нижний Новгород, 2000, 2002), школе-конференции молодых ученых «Современные проблемы радиационной физики твердого тела» (Томск, 2002).

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы. Сформулированы основные цели и задачи работы, представлены сведения о структуре и содержании работы. Приведены основные положения выносимые на защиту.

1.5. Основные результаты и выводы

1. Показано, что применяемые методы и, прежде всего метод молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяют создавать квантово-размерные структуры только на поверхности полупроводниковых материалов, что однозначно приводит к следующим недостаткам и трудностям:

- Дороговизна, сложность и большой бюджет времени для реализации даже одиночных процессов. В массовом производстве эти методы практически мало эффективны.

- Полученные к настоящему времени результаты описывают только возможность получения структур на поверхности и, следовательно, для создания многослойных и трехмерных структур, возможно, необходимо рассматривать новые механизмы. Так механизмы, описывающие процесс самоорганизации, в основном базируются на известных представлениях Странского-Крастанова, которые возможно не пригодны для описания объемного (ионного) синтеза.

2. Приводимые из мировой литературы результаты касаются, главным образом, системы Si-Ge, тогда, как синтез наноразмерных структур, на других, в том числе на многокомпонентных полупроводниках, развивающийся как самостоятельное направление, содержит значительно большее количество проблем, которые предстоит решать в будущем.

3. Радиационные методы формирования наноразмерных структур находятся в зачаточном состоянии, хотя внимательный подбор опубликованных фактов дает возможность заключить, что в будущем эти методы могут стать одним из основных направлений в решении рассматриваемой проблемы.

4. Несмотря на то, что в литературе можно найти отдельные попытки создания единой теории формирования наноразмерных структур с учетом явления самоорганизации, создание такой теории видимо дело будущего.

1. Reeson K.J. // Nucl. 1.str. Methods in Phys. Res. 1987, vol. В 19/20, pp. 269-278.

2. White A., Short K.T., Maex K., et al. // Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. 1991, vol. В 59/60, pp. 693 697.

3. Бухараев A.A. // Заводская лаборатория, 1994, № 10, стр. 15-26.

4. Бахтизин Р.З. Сканирующая туннельная микроскопия новый метод изучения поверхности твердых тел. // Соросовский образовательный журнал, 2000, том 6, № 11, стр. 1-7.

5. Бухараев А.А., Овчинников Д.В., Бухараева А.А. // Заводская лаборатория, 1997, № 5,стр. 10-27.

6. Burnham N.A., Behrend О.P., Oulevey F., Gremaud G., Gallo P-J., Gourdon D., Dupas E., KulikA.J., Pollock H.M., Briggs G.A.D. How does a tip tap? // Nanotechnology, 1997, vol. 8, pp. 67-75.

7. Ion beam Handbook for Material Analysis/ Ed. J.W. Mayer and E.Remini. N.Y.: Academic Press. 1977.

8. ХиршП., Хови А., Никол сон P., ПэшлиД., Уэлан M. Электронная микроскопия тонких кристаллов, Москва: Мир, 1968, 574 стр.

9. Latyshev А.У., Krasilnikov А.В., Aseev A.L. // Microsc. Res. Technique, 1992, vol. 20, p. 341.

10. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии/ под редакцией Д. Бриггса, М.П. Сиха М.: Мир, 1987, 598 стр.

11. Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский А.В., Соколов Л.В., Никифоров А.П., Якимов А.И., Фойхтлендер Б. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства. // ФТП, 2000, том 34, стр. 1281-1299.

12. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. // ФТП, 1998, том 32, № 4, стр. 385—410.

13. Alferov Zh.I. Proc. of Nobel Symposium 99, Arild, Sweden, June 4-8, 1996 Physica Scripta 68, 32 (1996).; Алферов Ж.И. Формирование квантовых точек InAs в матрице GaAs при росте на разориентированных подложках. // ФТП, 1998, том 32, № 1, стр. 318.

14. Пчеляков О.П., Двуреченский А.В., Марков В.А., Никифоров А.И., Якимов А.И. Прямой синтез наноструктур при молекулярно-лучевой эпитаксии германия на кремнии. // Изв. РАН, сер. физ., 1999, том. 63, № 2, стр. 228-234.

15. Frank F.C., van der Merwe J. H. One-dimension dislocation. I. Static theory. // Proc. Roy. Soc. London, 1949, vol. A198, pp. 205-215.

16. VolmerM, Weber A. Nuclei formation in supersaturated states. // Z. Phys. Chem., 1926, vol. 119, pp. 227-301.

17. Stranski I. N., Krastanov L. Theory of orientation separation of ionic crystal. // Sitzungsberichte der Akademie der Wifienschaften. Wien. Mathematisch-Naturwifienschaftlich Klafie, 1937, Abt. lib, Bd. 146, pp. 797-810

18. Двуреченский A.B., Якимов А.И. Квантовые точки в системе Ge/Si. // Изв. ВУЗов. Материалы электронной техники, 1999, № 4, стр. 4-10.

19. Shayegan М. // Mauterndorf, Austria, 19-23 Feb. 1990. Proc. 6th Inter. Winter School "Localization and confinement of electrons in semiconductors". Berlin: Springer-Verlag, 1990, pp. 207-215.

20. Eaglesham D. E., Cerullo M. Dislocation-free Stranski-Krastanow growth of Ge on Si(100). // Phys. Rev. Lett., 1990, vol. 64, pp. 1943-1946.

21. Болховитянов Ю.Б., Пчеляков О.П., Чикичев С.И. Кремний-германиевые эиитаксиальные пленки: физические основы получения напряженных и полностью релаксированных гетероструктур. // УФН, 2001, том 171, № 7, стр. 689-715.

22. Shchukin V.A. // Proc. 23rd Int. Conf. Phys. Semicond., July 22-26, 1996, Berlin, Germany, ed. by M. Scheffler, R. Zimmermann (World Scientific, Singapore) vol. 2, p. 1261.

23. БимбергД., Ипатова И.П., Леденцов H.H., Копьев П.С., Малышкин В.Г., Щукин В.А. Спонтанное упорядочение полупроводниковых наноструктур (тезисы доклада на научной сессии ООФА РАН 29 января 1997 г.). // УФН, 1997, том. 167, стр. 552.

24. Копьев П.С., Леденцов Н.Н. // ФТП, 1988, том 22, стр. 1729.

25. Ivanov S.V., Kop'ev P.S., Ledentsov N.N. // J. Cryst. Growth, 1990, vol. 104, p. 345.

26. Ivanov S.V., Kop'ev P.S., Ledentsov N.N. // In: Proc. 6th Int. Conf. on MBE, San Diego,

27. USA, 1990 J. Cryst. Growth, 1991, vol. Ill,p. 151.

28. Ivanov S.Y., Kop'ev P.S., LedentsovN.N. // J. Cryst. Growth, 1991, vol. 108, p. 661.

29. Ivanov S.V., Altukhov P.D., Argunova T.S., BakunA.A., Chaldyshev Y.Y., Kovalenko Yu.A., Kop'ev P.S., KyuttR.N., Meltser B.Ya., Ruvimov S.S., Shaposhnikov S.Y., Sorokin L.M., Ustinov V.M. // Semicond. Sci. Tech., 1993, vol. 8, p. 347.

30. Sotomayor Torres C.M., Wang F.D., Ledentsov N.N., Tang Y-S. // Proc. SPIE The International Society for Optical Engineering, 1994, vol. 2141, p. 2

31. Optical properties of Low Dimensional Semiconductors, ed. by G. Abstreiter, A. Aydinii, J.-P. Leburton, NATO ASI Series. Series E: Applied Sciences (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 1997) vol. 344

32. Екимов А.И., Онущенко A.A. // Письма в ЖЭТФ, 1981, том. 34, стр. 363.

33. Герасименко Н.Н., ЛежейкоЛ.В., Смирнов Л.С. Некоторые электрофизические и оптические свойства синтетических алмазов и их изменения при облучении электронами. // Синтетические алмазы, 1970, № 2, стр. 39-42.

34. Герасименко Н.Н., ЛежейкоЛ.В., Литвин Ю. А., Смирнов Л.С. Облучение искусственных алмазов быстрыми электронами. // ФТП, 1970, том 4, №6, стр. 10641068.

35. Безруков Г. Н., Бутузов В.П., Герасименко Н.Н., ЛежейкоЛ.В., Литвин Ю.А., Смирнов Л.С. Некоторые электрические и оптические свойства искусственных полупроводниковых алмазов, легированных бором. // ФТП, 1970, том 4, №4, стр. 693696.

36. Герасименко Н.Н., Мордкович В.Н. Радиационные эффекты в системе полупроводник-диэлектрик. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1987, №6, стр. 5-19.

37. Герасименко Н.Н., Двуреченский А.В., Качурин А.Г., Смирнов Л.С. Радиационный отжиг дефектов, образующихся при бомбардировке кристаллов ионами. // ФТП, 1972, том 6, стр. 1834-1835.

38. Мордкович В.Н., Соловьев С.П., Темпер Э.М., Харченко В.А. // ФТП, 1974, том 8, стр. 1024.

39. Мамонтов А.П., Чернов И.П. Эффект малых доз ионизирующего излучения. М.: Энергоатомиздат, 2001, 286 стр.

40. Козловский В.В., Ломасов В.Н., Гурьянов Г.М., Говарский А.П. // ФТП, 1987, том 21, стр.7.; Мясников A.M., Ободников В.И., Серяпин В.Г., Тишковский Е.Г., Фомин В.И., Черепов Е.И. // Письма в ЖТФ, 1994, том 60, стр. 96.

41. Герасименко Н.Н., Двуреченский А.В., Романов С.И., Смирнов Л.С. Об эффектахпри больших дозах, внедренных в полупроводник ионов. // ФТП, 1973, том 7, стр. 2195-2199.

42. Kastner М., Voigtlander В. // Phys. Rev. Lett., 1999, vol. 82, pp. 2745-2748.

43. Voigtlander B„ Zinner A. // Appl. Phys. Lett., 1993, vol. 63, pp. 3055-3057.

44. Teichert C., Bean J.C., Lagally M.G. // Appl. Phys. A, 1998, vol. 67, No 6, pp. 675-685.

45. Teichert C., Lagally M.G., Peticolas L.J., BeanJ.C., TersoffJ. // Phys. Rev. B, 1996, vol.53, pp. 16334-16337.; TersoffJ., Teichert C., Lagally M.G. // Phys. Rev. Lett., 1996, vol. 76, pp. 1675-1678.

46. Teichert C., Lagally M.G., Peticolas L.J., BeanJ.C., TersoffJ. // Phys. Rev. B, 1996, vol. 53, pp. 16334-16337.

47. Alkemper J., Snyder V.A., AkiawaN., Voorhees P.W. // Phys. Rev. Lett., 1999, vol. 82, No 13, pp. 2725-2728.

48. Omi H., Ogino T.//Appl. Surf. Sci., 1998, vol. 130-132, pp. 781-785.

49. Thanh V.L., Yam V., BoucaudP., FortunaF., Ulysse C., BouchierD., VervoortL., Lourtioz J.M. // Phys. Rev. B, 1999, vol. 60, pp. 5851-5857.

50. Tetelin C., Wallart X., Stievenard D., Nys J.P., Gravesteijn D.J. // J. Vac. Sci. Technol. B, 1998, vol.16, No 1, pp. 137-141.; Kamins T.I., Medeiros-Ribeiro G., Ohlberg D.A.A., Williams R.S. // Appl. Phys. A, 1998, vol. 67, pp. 727-730.

51. Tetelin C., Wallart X., Stievenard D., Nys J.P., Gravesteijn D J. // J. Vac. Sci. Technol. B, 1998, vol. 16, pp. 137-141.

52. Kamins T.I., Medeiros-Ribeiro G., Ohlberg D.A.A., Williams R.S. // Appl. Phys. A, 1998, vol. 67, pp. 727-730.

53. АлешкинВ.Я., Бекин H.A., Калугин Н.Г., Красильник З.Ф., Новиков А.В., Постников В.В., Сейрингер X. // Письма в ЖТФ, 1998, том 67, вып. 1, стр. 46-50.

54. АлешкинВ.Я., Бекин Н.А., Калугин Н.Г., Красильник З.Ф., Новиков А.В., Постников В.В., Филатов Д.О., Сейрингер X. // Известия РАН, сер. физ., 1999, том 63, №2, стр. 301-306.

55. Capellini G., MottaN., SgarlataA., Calarco R. // Solid State Communications, 1999, vol. 112, No 3, pp. 145-149.

56. Jin G., Tang Y.S., Liu J.L., Wang K.L. // J. Vac. Sci. Technol. A, 1999, vol. 17, p. 1406.

57. Kamins T.I., Williams R. Stanley, Basile D.P. // Nanotechnology, 1999, vol. 10, pp. 117121.

58. Sherrington I. and Smith E. H., Fourier models of the surface topography of engineering components. // Surface topography 1988, vol. 1, pp. 167-181.

59. Gomez-Rodriguez J. M., Baro A. M., Salvarezza R. C. Fractal characterization of gold58deposits by scanning tunneling microscopy // Journal of Vacuum Science and Technology, 1991, vol. B9, pp.495-499.

60. Chesters S., WangH. C., Kasper G. A fractal based method for describing surface roughness and texture // In Proc. of Institute of Environmental Science, 1990, p.316.

61. Chui C.K. An introduction to wavelets. New York: Academic Press, 1992.

62. Герасименко H.H., Джаманбалин K.K., Пархоменко Ю.Н., Троицкий В.Ю. Возможности получения объемных наноразмерных композиций методом ионного синтеза. // Известия вузов. Материалы электронной техники, 2001, №1, стр. 4-10.

63. ХакенГ. Синергетика. Москва: Мир, 1980, 406 стр. (HakenH. Synergetics. An introduction. Non-equilibrium phase transitions and self-organization in physics, chemistry and biology - Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1978.)

64. Глава II. Формирование квантово-размерных структур Si-Ge с помощью ионной имплантации

65. Настоящая работа посвящена результатам одной из первых попыток применения ионной имплантации для создания таких структур.*

66. Материалы были впервые представлены на конференции: "Ion Implantation Technology-2000"- Альпбах, Австрия, сентябрь 2000 г.

67. Анализ структур методами сканирующей зондовой микроскопии

68. Анализ имплантированных поверхностей производился с помощью АСМ производства фирмы NT-MDT. Образцы измерялись либо непосредственно после имплантации ионов германия, либо после последующего отжига.

69. В то же время приведенные изображения практически совпадают с теми, что демонстрируют образование наноостровков при нанесении слоя германия на2.1)

70. Рисунок 2.1 Топография (а) и фазовый контраст (б) в трехмерном виде образца р-Si(lll) с удельным сопротивлением р=1 Ом-см, облученного ионами Ge (доза D=1014cm"2, энергия Е=30 кэВ, плотность пучка .1=5 мкА/см2).