Формирование, моделирование и анализ полупроводниковых квантово-размерных структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ж

МЕДЕТОВ Нурлан Амирович

ФОРМИРОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ

СТРУКТУР

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 2005

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники (Технический университет) и Костанайском социально-техническом университете.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный работник Высшей школы Российской Федерации H.H. Герасименко

доктор физико-математических наук, профессор К.К. Джаманбалин

доктор физико-математических наук, профессор И.И. Ляпилин

доктор физико-математических наук, профессор В.Ф.Раданцев

Ведущая организация: Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет)

Официальные оппоненты:

Защита состоится 21 ноября 2005 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.285.01 по присуждению ученых степеней кандидатов наук при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» (УГТУ-УПИ) в зале Ученого Совета ГОУ ВПО УГТУ-УПИ по адресу 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира, 19

С диссертацией можно ознакомится в читальном зале библиотеки ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

Отзыв на автореферат, в одном экземпляре заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, ученому секретарю университета.

Автореферат разослан 20 октября 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 212.285.01, к.х.н., доцент -—^ Т.А.Недобух

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение.

Возникшее в последние десятилетие и интенсивно развиваемое, особенно в последние 5 лет, новое направление электронной техники -наноэлектроника потребовала развития новых технологических возможностей и новых подходов к измерению параметров наноразмерных структур и объективной оценки степени их упорядоченности. С учетом этих обстоятельств поставленная в работе задача использования нового технологического подхода в создании наноразмерных структур, а также методов измерения и анализа сформированных структур является новым шагом в развитии направления.

Актуальность работы.

Развитие наноэлектроники в целом сдерживается недостаточной разработанностью методов моделирования и математического анализа наноразмерных структур, в частности по степени упорядоченности элементов. В частности, поскольку диапазон размеров наноэлементов может различаться более чем на два порядка, в ряде случаев степень упорядоченности напрямую (с помощью электронной или атомно-силовой микроскопии) определить не удается. Необходимо применение математических методов, позволяющих выявить степень упорядоченности вне зависимости от ограничений, определяемых экспериментальными возможностями исследования и анализа наноэлектронных структур. В этом последнем случае ситуация может тоже оказаться неоднозначной, поскольку на распределение упорядоченных наноэлементов может накладываться система хаотически расположенных элементов. Следовательно, для такой усложненной задачи необходима разработка методов анализа с учетом вышеприведенного обстоятельства, либо даже с учетом присутствия в системе разноразмерных упорядоченных и неупорядоченных элементов, либо (что еще более усложняет задачу) элементов разной формы.

Приведенные в работе экспериментальные и теоретические подходы к развитию методов такого анализа позволят, по нашему мнению, существенно продвинуть возможности анализа реальных наноструктур и, в свою очередь, усовершенствовать технологические подходы к созданию структур с оптимальными параметрами. Первоначальные попытки реализации методов анализа, основанные на привлечении фрактальной размерности представлены в монографии [1]. В диссертации представлены и новые результаты по развитию методов фрактального анализа и основанные на них метода! моделирования упорядоченных и неупорядоченных наноструктур

Цель работы.

Целью работы было исследование свойств самоорганизованных наноразмерных структур, сформировании интеза и

[10].

определение их упорядоченности с помощью методов математического анализа и моделирования.

Научная новизна.

Разработка новых технологических методов создания структур наноэлектроники и нанофотоники в настоящее время становится все более актуальной задачей, а поэтому разработка и привлечение новых методов, способных привести к производству коммерчески пригодных продуктов, выдвигается на первый план.

Полученные при выполнении диссертационной работы результаты, являющиеся частью исследовательской программы по созданию и анализу наноструктур с помощью ионного синтеза, являются новыми. Впервые получены результаты по формированию квантово-размерных структур в системе Ge-Si с помощью ионного синтеза и получено экспериментальное доказательство эффекта размерного квантования. Для анализа степени упорядоченности наноструктур впервые применены методы математического анализа (фрактальный, Фурье и вейвлет анализы) и результаты работ по компьютерному моделированию.

Практическая ценность.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в создании нового технологического подхода формирования наноструктур на основном материале полупроводниковой электроники -кремнии. Это открывает возможности широкого применения этого материала в наноэлектронике и нанофотонике. В частности становится возможным создание недорогих высокоэффективных излучателей для волоконно-оптических линий связи, поскольку получена интенсивная фотолюминесценция при комнатной температуре на длине волны Д.=1,54 мкм (окно прозрачности кварцевых световодов).

Практическая ценность работы также 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. Новые, применяемые в данной работе методы анализа позволяют дать количественную оценку всего изображения, в том числе характерные величины 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.

Разработанная методика анализа степени упорядоченности наноразмерных элементов может быть рекомендована в качестве

стандартной методики (технологические методы) определения такого параметра при создании элементов и систем наноэлектроники в научных и производственных организациях.

Положения выносимые на защиту.

1. Метод ионного синтеза позволяет формировать наноразмерные структуры на монокристаллическом кремнии. Возможности метода демонстрируются на сформированных наноструктурах Со812 и ЭЮе. Получены и проанализированы квантово-размерные структуры 81Се на кремниевой подложке, созданные с помощью ионного синтеза. Структуры обладают высокой квантовой эффективностью.

2. Степень упорядоченности наноразмерных структур на поверхности полупроводников может быть обнаружена и количественно проанализирована с помощью методов, основанных на исследованиях фрактальной размерности.

3. Математическая модель формирования упорадоченных структур, созданная и проверенная на конкретных объектах, демонстрирует эффективность для понимания процесса упорядочения и оценки степени упорядоченности.

Апробация работы.

Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались на: IV всероссийском семинаре по Радиационной физике металлов и сплавов (23 февраля - 1 марта 2003 г.); международной научно-практической конференции «Снежинск и наука 2003, Современные проблемы атомной физики и техники» (г.Снежинск, Россия, 2003 г.); IV международная конференция «Ядерная и радиационная физика» (г.Алматы, Республика Казахстан, 2003 г.); международный междисциплинарный симпозиум «Фракталы и прикладная синергетика» (г.Москва, Россия, 2003г.). А также на научных семинарах в Московском институте электронной техники, Московском институте стали и сплавов и Институте ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан.

Результаты работы опубликованы в периодических рецензируемых изданиях, а также вошли в совместную монографию, соавторами которой, кроме автора диссертации, являются его научные руководители.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 7 статей в научных журналах и сборниках, 3 сообщения в материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 99 страниц, содержит 34 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе, представлено не только введение в проблему, но и синтетический анализ основных участков нового направления наноэлектроника, что позволило не только подойти к формулировке задачи работы, но и сформулировать ряд новых идей и определений, что дает возможность считать эту главу оригинальной.

В главе описаны методы анализа, состав структур и анализ проявления ими квантово-размерных свойств, а также технологические методы создания квантово-размерных структур.

Целью программ исследования и технологических разработок является создание физических основ технологии и самой технологии формирования систем с квантовыми точками (КТ), являющихся предельным случаем систем с пониженными размерностями ("нульмерные" системы). Эти системы представляют собой массив наноразмерных атомных кластеров в полупроводниковой матрице. Дискретный спектр энергетических состояний таких кластеров позволяет относить их к искусственным аналогам атомов, несмотря на то, что кластеры содержат большое количество частиц. Изменяя размеры квантовых точек, их форму и состав с помощью контролируемых технологических приемов, можно получать аналоги многих природных элементов. В связи с чем показано преимущество метода ионной имплантации перед другими методами получения самоупорядоченных систем, например молекулярно-лучевой эпитаксией.

Основными методами получения квантово-размерных структур в настоящее время являются:

- молекулярно-лучевая эпитаксия;

- химическое осаждение в вакууме.

Суммируя результаты по получению наноразмерных структур на полупроводниках известными методами, следует отметить:

1. Упорядочение наблюдается при различных эпитаксиальных процессах: молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), химическое осаждение в вакууме (ХО).

2. Во всех рассмотренных работах упорядочение системы квантовых точек на плоской поверхности было частичным и сильно зависящим от параметров этой поверхности, в частности от углов разориентации.

3. Для квантовых проволок удалось получить хорошее упорядочение, но при этом сильная зависимость от параметров поверхности сохраняется.

4. Основным механизмом упорядочения является освальдовское созревание.

5. При росте на рельефе можно получить более упорядоченные структуры, но всё равно разброс параметров остаётся существенным.

6. Законченной теории упорядочения при эпитаксиальном росте нам обнаружить не удалось.

Приведены и описаны методы наблюдения и исследования структур, среди которых наибольшее внимание уделено методам сканирующей

туннельной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и точечной оже-спектроскопии высокого разрешения.

Реальной демонстрацией преимуществ систем с квантовыми точками можно считать обнаружение в системе Si-Ge чрезвычайно высокого значения сечения фотопоглощения (210"13 см2), что превышает, по крайней мере, на порядок известные значения сечения фотоионизации для локальных центров в кремнии и на три порядка аналогичную величину для квантовых точек в системе InAs/GaAs. Эти данные свидетельствуют о перспективности использования систем с квантовыми точками для создания фотодетекторов, в том числе ИК-диапазонов. Другой интересной экспериментально установленной особенностью таких систем является обнаружение фототока, генерированного фотонами с энергией меньше ширины запрещенной зоны кремния, в гетероструктурах Gc/Si с самоорганизующимися квантовыми точками. Энергия электронного перехода в таких структурах должна определяться разницей между шириной запрещенной зоны Si (1,12 эВ) и энергией дырочного состояния в Ge-KT (0,43 эВ), то есть равняться 0,7 эВ, что согласуется с экспериментальным значением положения линии Т2 в спектре фототока (примерно 0,73 эВ).

В настоящее время гетероструктуры с квантово-размерными элементами главным образом получают с помощью процессов, основанных на молекулярно-лучевой эпитаксии. Этот процесс, отличающийся дороговизной, к сожалению, вплоть до настоящего времени был практически единственным успешно применяемым для формирования таких структур. Наибольшие успехи были получены при создании квантово-размерных систем на твердых растворах Si-Ge. При этом во всех случаях авторы, стремящиеся к созданию пространственно-упорядоченных систем, обращают внимание на то, что реальные успехи к настоящему времени связаны с использованием эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. Таким образом, были реализованы идеальные гетероструктуры с КТ с высоким кристаллическим совершенством, высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации и высокой однородностью по размерам (-10 %). Именно на этих структурах были впервые продемонстрированы уникальные физические свойства, ожидавшиеся для идеальных КТ в течение многих лет; исследованы электронный спектр КТ, эффекты, связанные с энергетической релаксацией и излучательной рекомбинацией неравновесных носителей, и получены первые оптоэлектронные приборы, такие как, например, инжекционные гетеролазеры на квантовых точках. Другой интенсивно исследуемой гетеросистемой с КТ является твердый раствор Si-Ge, где квантово-размерные эффекты получены в структурах со следующими параметрами: поверхностная плотность равнялась 3-Ю11:510м см 2, а средний размер кластера германия пирамидальной формы составил 15 нм (в основании пирамиды), высота пирамиды 1,5 нм, разброс размеров не превышал 17 %. Как уже упоминалось выше, принципиальным моментом в создании таких упорядоченных структур является самоорганизация.

В этой связи нам представляется чрезвычайно интересным использование нетрадиционных методов формирования квантово-размерных структур, к которым, прежде всего, следует отнести радиационные методы и, в частности, ионный синтез. Следует отметить, что ионный синтез для формирования кванюво-размерных структур в течении последнего десятилетия уже применялся для формирования наноразмерных кристаллов кремния и германия в пленках диоксида кремния при бомбардировке их ионами того и другого элементов. Эти нанокристаллы при исследовании фотолюминесценции демонстрировали реализацию эффекта размерного квантования, однако в приборном плане это направление развития не получило поскольку для приборной реализации наиболее интересным является реализация инжекционной люминесценции, что в таких структурах пока никому достигнуть не удалось. С другой стороны такие нанокристаллы в последнее время начинают использоваться в качестве элементов хранения информации в МДП (металл, диэлектрик, проводник) - системах, аналогичных «системам с плавающим затвором». Излагаемые в последующих главах результаты являются одной из первых попыток применения ионной имплантации для создания структур с квантовыми проволоками и квантовыми точками в системах СоБ^г и 81Се.

При этом основное внимание в главе уделено методам математического анализа квантово-размерных структур. Некоторые из них, вейвлет анализ и фрактальный анализ, впервые применены для анализа квантово-размерных структур.

Для проведения Фурье анализа полученное на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) изображение поверхности раскладывалось по формуле:

где N - количество точек по оси X и по оси У ; (х,у) - координаты точки на двумерном изображении поверхности; /(х,у) - матрица размером [ДА'], со значениями высоты каждой точки поверхности с координатами {х,у)\ (к, Г) -координаты в Фурье пространстве; *■(*,/) - Фурье-образ /(*,>) в Фурье пространстве. Затем, на Фурье-плоскости отмечаются значения матрицы ЯМ) ■ По скоплению точек, нанесенных на комплексную плоскость, делается заключение о наличии каких-либо выделенных направлений у объектов на поверхности и степени их упорядоченности.

Одним из наиболее применимых методов фрактального анализа по отношению к трехмерным поверхностям является метод Гомеса-Родригеса и др. (ГР) Авторы предложили с помощью компьютерного моделирования разрезать самоподобную поверхность плоскостью в горизонтальном направлении, вследствие чего образуются островки или озера, затем вычислить зависимость периметра Ь от площади 5 озер, которые получаются,

если заполнить СЗМ-изображение "водой" до определенного уровня. L и S для объектов одной формы связаны соотношением:

J.(S) = rides'' 2,

где п - константа, di - фрактальная размерность береговой линии озер, 6 -величина измерения. Фрактальная размерность трехмерной поверхности dgr связана с d\ соотношением:

d,=dF-1.

Величина измерения 5 равняется общей длине сканирования, разделенной на число пикселей в каждом направлении. Как известно, фрактальная размерность, периметр и площадь объекта зависят от выбора величины измерения. Тем не менее, график зависимости logz от logs представляет собой прямую с коэффициентом dh независимо от величины измерения. Поэтому для определения фрактальной размерности упорядоченных и неупорядоченных структур нами использовался этот метод. Единственным условием является то, что 5 должна быть достаточно малой величиной для вычисления наименьших объектов цифрового изображения.

Для определения среднего значения фрактальной размерности методом ГР вся поверхность разрезалась на средней высоте, равной 0,5 Rz, где Rz -максимальный перепад высот по всему изображению.

В то же время, стандартным методом определения фрактальной размерности кривых является метод подсчета ячеек (ПЯ). Этот метод основан на анализе нескольких профилограмм СЗМ-изображений, которые снимались вдоль различных направлений. В этом методе на профиль наносится сетка с размером ячеек 5 и подсчитывается число ячеек N, на которые лег профиль. Затем размер ячеек уменьшается и снова подсчитывается число ячеек, пересекающих профиль. После серии таких подсчетов строится график, на котором на вертикальной оси откладывается логарифм числа пересекаемых ячеек, а по горизонтали - логарифм размера ячеек. Наклон зависимости log N=f(log 5) равен фрактальной размерности профиля^.

Для определения количественных характеристик и взаиморасположения образованных структур впервые предложен метод исследования, основанный на вейвлет преобразовании. Так изображение, полученное на СЗМ, представляется в виде функции г), где г - вектор, описывающий поверхность по матрице (х,у). Затем для fir) строится корреляционная функция в верхней полуплоскости декартовой системы координат:

I Р(г)Р(г-г )с/г

КЫ"1- —'

(г)<*Г

где г0 - вектор, соответствующий вектору г исходной поверхности. Далее, используя билинейную интерполяцию, переходим к полярной системе координат (г0, ф), в которой производим поиск значений размеров типичных структур для данной поверхности, а также характеристик их упорядоченности. При этом горб корреляционной функции, находящейся вблизи начала координат, характеризует форму типичных структур, а ближайшие к нему другие горбы характеризуют упорядоченность структур. Значение а (характерная длина структур) находится как максимально удаленное первое падение корреляционной функции до значения е'\ а значение а (характерный угол ориентации структур) рассматривается как угол между осью абсцисс и вектором, соответствующим точке а. Значение Ъ (характерная ширина структур) ищется как первое падение корреляционной функции до значения ел вдоль перпендикуляра к вектору, соответствующему точке а. Значение с ищется как расстояние от начала координат до центра ближайшего достаточно крупного горба похожей формы, а угол <р - угол направления на этот горб.

Для обнаружения структур с формами типа "столбики" или "купола" с характерными размерами а и Ъ использовался вейвлет:

1Г(х,у,а,Ь,а,<р) = Лexpf (х)2/а2 ~(у)>/Ь2 }-

Сехр{- (х - ссоэр.)2/а' - (у - евтр)2/А2 }<-' £>ехр {- (х + ссоБр)* /а2 - (у - сет ¡р)г/Ь1}

где х = лсова + з'зтв И ^глэта-усоза.

Данный вейвлет представляет собой совокупность 4-х куполов. Основным является центральный купол (с коэффициентом Л). Этот купол повторяет форму искомых структур с характерными полуширинами а и Ь, ориентированными под углом а к горизонтали. Второе слагаемое (с коэффициентом В) обеспечивает равенство нулю нулевого момента. В силу центральной симметрии, равен нулю и первый момент. Таким образом, вейвлет является вейвлетом 1-го порядка. Оставшиеся слагаемые (с коэффициентами С и О) отвечают за поиск структур, упорядоченных в различных направлениях, при этом учитывается как относительное расстояние (с), так и взаимная ориентация (угол <р). В случае исследования поверхностных структур коэффициенты выбраны следующим образом: А/С- 10, с = 4а, С= Д отношение А/В определяется из условия нулевого среднего, а А определялось из условия нормировки.

Соответственно вейвлет преобразование имеет вид:

им и Ч \W(r,a,b,a,<py4r- г')Л" WF(r,a,h,a,<p) = f----.

Данная функция есть функция корреляции между участком поверхности с центром в точке г' и вейвлетом W с параметрами а, Ъ, а, q>. Ее величина меняется от 0 (нет корреляций) до 1 (полное соответствие формы).

В главе вводятся и обсуждаются новые идеи и понятия наноэлектроники, которые предлагается использовать в качестве развития результатов представляемой диссертации. В частности подчеркивается что на структурах кремний - германий с квантовыми точками, с одной стороны возможно преодоление недостатков связанных с малой вероятностью излучательной рекомбинации (непрямые переходы в k-пространстве), а также возможность создания эффективных излучающих при комнатной температуре структур с гигантской радиационной стойкостью.

В главе 2 представлены результаты создания квантово-размерных структур SiGe с помощью ионнного синтеза, анализа состава формируемых наноразмерных неоднородностей и доказательству реализации в них эффектов размерного квантования на основе результатов изучения фотолюминесценции.

Структуры SiGe с квантовыми точками являются одним из наиболее интересных объектов для квантовой электроники и оптоэлектроники. Такие структуры, получаемые главным образом с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии, дают возможность продемонстрировать на них возможности создания наноэлектронных приборов, таких в частности, как одноэлектронные транзисторы, элементы энергонезависимой памяти и, главным образом, излучатели с высокой квантовой эффективностью, способные работать при комнатной температуре. Проблема, однако, состоит в том, что реальное построение технологии даже с небольшим серийным выпуском приборов наталкивается на то, что установки молекулярно-лучевой эпитаксии имеются в единичных экземплярах даже в развитых странах мира (США, Япония, Англия), а сам процесс занимает длительное время как для подготовки образцов, так и собственно для реализации процесса роста.

В этой связи, достаточно естественной альтернативной технологической возможностью для построения аналогичных объектов, а именно структур SiGe с квантовыми точками, является ионная имплантация.

В работе использовался монокристаллический кремний, легированный бором с удельным сопротивлением - 1 Ом-см (КДБ-1) и легированный с фосфором с удельным сопротивлением - 4,5 Ом-см (КЭФ-4,5) с ориентациями (111) и (100). Для облучения использовался ионный ускоритель фирмы Бальцерс типа "Сканибал". Параметры ионных пучков, использованных в данной работе: энергия Е = 30 и 150 кэВ, дозы выбирались в пределах 1013—1017 см"2. Плотность ионного пучка составляла 5 мкА-см"2.

Анализ имплантированных поверхностей производился с помошью атомно-силового микроскопа (АСМ) производства фирмы NT-MDT. Образцы измерялись либо непосредственно после имплантации ионов германия, либо после последующего отжига.

После облучения и отжигов поверхность кремния становится шероховатой, причем размеры характерных элементов возрастают после проведенных отжигов. Размеры элементов, образующих поверхность образцов, облученных большими дозами, возрастают еще более резко, при этом упорядочение становится более явным, о чем свидетельствуют результаты Фурье анализа.

Для получения дополнительных деталей о свойствах поверхности использовался фазовый анализ. Когда сканируется рельеф поверхности в модуляционном режиме (т.е. кантилевер колеблется на резонансной частоте) на ступеньке происходит не только изменение амплитуды колебаний кантилевера, но и изменяется фаза за счет сдвига частоты колебания.

Полученные АСМ-изображения структуры Si-Ge практически совпадают с теми, что демонстрируют образование наноостровков германия при нанесении слоя германия на поверхность кремния с помощью МЛЭ или ХО.

В данной работе не зафиксирована разница по формированию наноразмерной структуры на облученной ионами германия поверхности кремния в зависимости от ориентации подложки. Приведенные результаты эксперимента по обнаружению кластеризации внедренных атомов германия в кремний с одной стороны открывают новые перспективные возможности по формированию наноразмерных структур в системе "германий-кремний", а с другой должны приниматься во внимание при проведении технологических операций по внедрению ионов германия с целью аморфизации приповерхностных слоев кремниевых пластин, например, при попытках формирования сверхмелких ^-«-переходов.

После травления атомно-силовой микроскопией был обнаружен микрорельеф поверхности, проявившийся в силу селективности травления кремния и германия. Так как германий в данных условиях травится медленней, чем кремний, изначально можно предположить, что состав островков более обогащен германием, чем окружающая их матрица. Травление проведено 33% раствором КОН в течение 25 сек. при 100 °С, что позволило стравить приповерхностный слой оксида кремния и кремния до уровня с максимальным содержанием германия.

Проведенная с целью уточнения пространственного распределения внедренных ионов германия проверка с помошью ВИМС показала, что после имплантации и отжигов внедренные атомы германия распределяются по глубине в соответствии с известными представлениями и совпадают с расчетом, проведенным по программе SRIM.

Доказательством неоднородного распределения атомов германия с концентрацией их в области квантовых точек послужили результаты по исследованию структур с помощью атомно-силовых микроскопов в режимах,

определяющих рельеф поверхности, а также в режиме измерения емкостной моды (рис.1). Практическое совпадение флюктуаций при измерении емкости и определения рельефа послужили начальным доказательством неоднородного распределения внедренных атомов германия.

Рисунок 1. Профили распределения элементов, формирующих поверхность в различных режимах для образца/?-Si(l 11) с удельным сопротивлением р=1 Ом-см, облученного ионами Ge (доза D=61013 см"2, энергия Е=50 кэВ, плотность пучка J=5 мкА/см2)

1 - Сканирующий емкостной режим; 2 - Атомно-силовой режим.

Исследование химического состава кластеров методом электронной Оже-спектроскопии высокого пространственного разрешения пучка -14 нм показало, что исследуемые куполообразные области соответствуют областям с повышенным содержанием германия, состав которых отличается на 10-15 ат. % от состава вне исследуемых структур. Для образца с дозой 1-1017см"2 концентрация германия в обогащенной зоне составляет 30,6 % (ат.), а вне -20,7 % (ат.), что соответствует твердому раствору состава Si0 7Ge0 3, а вне -Si08Ge02 (рис.2).

Поскольку размеры наблюдаемых неоднородностей соответствуют размерам объектов, проявляющих квантово-размерные эффекты ("квантовые точки"), исследовалось проявление таких эффектов на описываемых структурах. С этой целью были исследованы спектры комбинационного рассеяния света. Облучение проводилось аргоновым лазером с длиной волны 457,9 и 514,5 нм. Метод комбинационного рассеяния света (КРС) показал, что твердый раствор Si-Ge после отжига представляет собой

I I

О 1000 2000 3000 4000

Расстояние вдоль направления сканирования (нм)

кристаллическую модификацию, т. е. полностью отсутствует аморфная фаза. Об этом свидетельствует отсутствие пиков на частотах 270 см"' (Ge-Ge), 370 см"1 (Si-Ge) и 480 см"1 (Si-Si), которые соответствуют продольным оптическим фононам (LO) в аморфном материале.

СЭМ-изображение

Si 79-1 %(ат.) Ge 20,7 % (эт.) (Si„GO

Si 69,4 % (ar.) kCc 30,6 % (ат.) (Si„Ge„)

Спектр ЭОС —-! i"

Ge'

lift ИЗО " 1159 " " lí*i'

Кинетическая энергия, эВ

1 Г

i

"2 __ Sil..

i«» i«o "J~~ а Килепгческая энергия, эВ

Рисунок 2. Оже-спектры в 2 точках, образца 11), облученного ионами Се1 (О = 5-Ю16 см"2, Е = 50 кэВ, 1 = 5 мкА/см2), после 3 сек. лампового отжига при Т=900°С и травления в 33% растворе КОН (Т=100°С, 1=25 сек.)

Присутствие на спектре КРС дополнительных пиков в областях Si-Si (495 см"1) и Ge-Ge (250 и 295 см"1) связей, характерных для колебаний в квантовых точках, наряду с пиками, присущими твердым растворам Si-Ge (420 см"1 для Si-Ge), свидетельствует о пространственном ограничении основных мод оптических фононов. Сдвиг пика КРС на Ge-Ge связях в низкочастотной области спектра на 5-4 см"1 подтверждает эффект размерного квантования.

Более однозначным доказательством проявления эффекта размерного квантования являются результаты исследования фотолюминесценции на имплантированных структурах Si-Ge (рис.3). Из представленных на рисунке данных следует, что на структурах с наноразмерными кластерами, обогащенными атомами германия наблюдается интенсивная фотолюминесценция вплоть до комнатных температур, что свидетельствует об образовании квантовых точек, то есть о реализации эффекта размерного квантования. Следует подчеркнуть, что наилучшие результаты в этом направлении получены на структурах с наибольшей степенью упорядоченности наноразмерных кластеров.

Область возбуждения

He-Ne laser, Л = 632 nm., Р = 20 mW., 0 = 0,3 mm.

Рис. 3. Изображение излучающих областей образца.

С помощью фрактального и Фурье анализов исследованы упорядоченные и неупорядоченные структуры поверхности Si-Ge, наблюдаемые АСМ. Установлена взаимосвязь между фрактальным размером и степенью упорядоченности поверхности, а также показана корреляция фрактального анализа и Фурье анализа.

Из всех полученных АСМ-изображений были отобраны наиболее характерные образцы, по которым можно судить об изменениях, происходящих на поверхности Si после облучения ионами Ge+.

Упорядоченные и неупорядоченные структуры, наблюдаемые на поверхности кремния с ионно-синтезированными слоями Si-Ge, исследовались методами, основанными на фрактальном анализе (методы ГР и ПЯ), при этом результаты анализа поверхностей сравнивались с соответствующими Фурье изображениями.

Наряду с двумерным изображением поверхности для каждого скана анализировалось его Фурье преобразование, по которому можно судить о наличии выделенного направления в поверхностных структурах. Упорядоченность структуры была выявлена на всех образцах с большими дозами (от 1016 см"2). В то же время, при дозах облучения от 10IS до 10!6 см"2 наблюдаются как упорядоченные, так и неупорядоченные образцы, а при дозе облучения ~1017 см"2 наблюдаются только упорядоченные структуры. Степень упорядоченности образцов увеличивалась после тепловой или химической обработки. Отметим, что визуально упорядоченность для образцов, полученных при небольших энергиях (30-40 кэВ), не выявляется.

Фурье анализ проводился параллельно с анализом, основанным на определении фрактальной размерности, с целью сравнения результатов, полученных этими двумя методиками.

Для упорядоченных структур Si-Ge, полученных ионным синтезом, средние значения фрактальной размерности, рассчитанные методом ГР, изменяются в интервале от 2,08 до 2,63. Для неупорядоченных структур эти значения варьируются от 2,64 до 2,81. В то же время средние значения фрактальной размерности, полученные методом ПЯ, для упорядоченных структур находятся в интервале от 1,38 до 1,55, а для неупорядоченных - в интервале от 1,56 до 1,77. Методом ГР получены лучшие результаты, так как он позволяет провести четкую границу между упорядоченными и неупорядоченными структурами.

Полученные значения фрактальных размерностей, в каждом конкретном случае, будут определяться условиями эксперимента и свойствами используемого материала. Важно однако подчеркнуть, что при сравнении упорядоченных и неупорядоченных структур в каждой серии экспериментов, упорядоченные структуры будут обладать меньшим фрактальным размером по сравнению с неупорядоченными. То есть можно рассматривать уменьшение величины фрактальной размерности как независимую характеристику упорядоченности структуры. Это связано с тем, что фрактальная размерность поверхностей с простой и повторяющейся структурой меньше фрактальной размерности поверхностей со сложной структурой. При этом фрактальная размерность, полученная для упорядоченных (простых и повторяющихся) структур, будет меньше чем для неупорядоченных. В нашем случае все границы интервалов фрактальных размерностей упорядоченных и неупорядоченных поверхностей были проведены условно. В связи с чем отметим, что приведенные результаты характерны только для данных условий формирования структур.

Экспериментальные исследования АСМ-изображений поверхности Si, облученной ионами Ge+, показали, что данные, полученные фрактальным анализом и Фурье анализом, коррелируют между собой.

Также показано, что фрактальная размерность не зависит от размеров скана, перепада высот и шероховатости, она является самостоятельной величиной, которая позволяет судить о структуре поверхности, особенностях деталей шероховатости.

Глава 3 посвящена экспериментальному обнаружению формирования наноразмерных выделений дисилицида кобальта в виде квантовых проволок при синтезе C0SÍ2 с помощью ионной бомбардировки.

В настоящее время CoSi2 является лучшим материалом среди силицидов, пригодным для применения в субмикронных технологиях. Низкое удельное сопротивление, низкое переходное сопротивление контакта к и- и ¿»-кремнию, простота обработки, термодинамическая стабильность (при температурах до 900 °С) привлекли внимание к данному силициду. Дополнительный интерес к материалу связан с возможностью

эпитаксиального выращивания Со5ь на кремнии, при этом качество полученных эпитаксиальных слоев является наилучшим среди силицидов и других известных кристаллических материалов. Также получены удовлетворительные результаты по двойной гетероэпитаксии кремния на Со812 на кремнии.

Явление формирования квантовых проволок при синтезе дисилицида кобальта на поверхности кремниевых пластин при ионном синтезе было обнаружено нами впервые при использовании сверхплотных пучков ионов Со+. Методами вторичной ионной масс-спектрометрии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской дифракции высокого разрешения, сканирующей туннельной микроскопии исследовался процесс формирования слоя Со81'2 в зависимости от плотности тока ионов. Было установлено, что при увеличении плотности тока .Г до 100 мкА-см-2 возникает ряд интересных ранее не наблюдавшихся эффектов, а именно:

-профиль распределения внедренных атомов кобальта немонотонно сдвигается в зависимости от плотности пучка ионного тока либо от облучаемой поверхности, либо в противоположном направлении (при максимально использованной плотности тока);

-облучаемый слой кремния в процессе бомбардировки аморфизуется (несмотря на нагрев пластины пучком до 700 °С), а затем кристаллизуется в едином процессе;

-структурное совершенство сформированного слоя силицида и его электрофизические свойства также немонотонно изменяются с ростом плотности тока. Максимальная электропроводность Со5г2, минимальная дефектность в слое силицида и прилежащей области кремния, а также минимальный уровень механических напряжений были зафиксированы при 1 = 15 мкА-см"2;

-наблюдалась корреляция между среднеквадратичной шероховатостью поверхности, вычисляемой по данным, получаемым методом сканирующей туннельной микроскопии, и фазами формирования слоя Со812;

-наиболее совершенному слою Со512 соответствовала минимальная среднеквадратичная шероховатость поверхности, то есть данные, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), коррелировали с объемными параметрами приповерхностного слоя, сформированного в процессе облучения;

-согласованность параметров решеток кремния и дисилицида кобальта.

Методом СТМ исследовались процессы самоорганизации приповерхностного слоя кремния, модифицированного облучением высокоэнергетическими ионами Со+.

При анализе изменения структуры поверхности в зависимости от плотности тока можно отметить следующую тенденцию. Облучение исходного кремния ионами Со+ с 1 = 5 мкА-см"2 делает поверхность более шероховатой без видимых признаков самоорганизации поверхности. При увеличении I до 15-30 мкА-см"2 поверхность становится более гладкой, и шероховатость уменьшается в 2-3 раза в сравнении с шероховатостью

кремния при облучении 1 = 5 мкА-см"г. При этом на поверхности появляются самоподобные (квазиточечные) элементы, ориентированные друг относительно друга. Благодаря высокому подобию этих элементов, они, "*

возможно, являются местами выхода точечных дефектов на поверхности, которые декорируются пленкой адсорбата. При дальнейшем увеличении 1 до 100 мкА-см"2 самоорганизация поверхности вдоль выделенного направления *

сохраняется, но при этом значительно, в 20-30 раз, увеличивается шероховатость поверхности, и характерные латеральные размеры элементов поверхности увеличиваются на порядок. Таким образом, образуются вытянутые (шнурообразные) структуры. Следует отметить, что при таких плотностях ионного тока формируемая фаза дисилицида кобальта выходит на поверхность и, что наиболее вероятно, участвует в образовании шнурообразных структур. СТМ-изображения поверхности, нагретой в течение 1 с и протравленной в течение 1 мин в НВР4, значительно отличаются от исходной топографии поверхности образца, полученного при плотности тока .1 = 100 мкА-см"2. Эта поверхность не проявляет ни самоподобных, ни самоупорядоченных структур, латеральный размер неоднородностей становится больше, чем на исходном образце. Но дальнейшее травление в течение 20 мин в НВР4 вновь выявляет самоорганизованные и самоподобные структуры, что свидетельствует о наличии таких структур в объеме.

Относительно природы самоорганизованных и самоподобных структур можно сделать предположение, что возникновение самоподобных структур связано с перестройкой собственной структуры поверхности кремния при участии радиационных дефектов. Возникновение самоорганизованных протяженных структур, по-видимому, связано с выходом на поверхность синтезированной фазы дисилицида кобальта, которая принимает участие в формировании таких структур.

Выход атомов Со на облучаемую поверхность монокристаллического кремния был зафиксирован при увеличении плотности тока ионов Со+ до значения порядка 100 мкА-см"2. Оказалось, что выход на поверхность формируемой фазы дисилицида кобальта сопровождается структурированием этой фазы в зависимости от плотности тока ионною пучка. При этом наблюдается как формирование самоподобных структурных образований на плотностях тока до 30 мкА-см"2, так (с увеличением плотности тока) и образование упорядоченных параллельно расположенных линий.

С помощью фрактального, вейвлет и Фурье анализов исследованы упорядоченные и неупорядоченные структуры поверхности Со812, ♦

наблюдаемые сканирующей туннельной микроскопией. Установлена взаимосвязь между фрактальным размером и степенью упорядоченности поверхности фазы дисилицида кобальта, а также показана корреляция фрактального анализа и Фурье анализа. Проведен вейвлет анализ пространственно упорядоченных структур и сделана попытка определения формы этих структур в зависимости от параметров вейвлета.

Фурье анализ показал наличие выделенных направленных структур для всех образцов Со812, полученных при плотности тока 100 мкА см"2, а также для некоторых образцов, полученных при плотности тока 5 мкА-см"2. Фурье анализ проводился параллельно с анализом, основанным на определении фрактальной размерности, для сравнения результатов, полученных этими двумя методиками.

Фурье анализ образцов, полученных при 5 мкА см"2, которые обладают максимальной электропроводностью Со812 и минимальной дефектностью в слое силицида и прилежащей области кремния, выявил похожие на бабочек структуры, не являющиеся упорядоченными, в то же время фрактальный анализ показал, что значения фрактальной размерности, вычисленные методом ГР, равны 2,71-2,79, что характерно для неупорядоченных структур.

Для упорядоченных структур средние значения фрактальной размерности, полученные методом ГР, изменяются в интервале от 2,36 до 2,63. Для неупорядоченных структур эти значения варьируются от 2,64 до 2,81. Средние значения фрактальной размерности, полученные методом 11Я, для упорядоченных структур находятся в интервале от 1,38 до 1,55, а для неупорядоченных - в интервале от 1,56 до 1,67.

Все рассчитанные фрактальные размерности характерны только для описанных условий эксперимента.

Лучшие результаты показал метод ГР, так как этим методом были получены интервалы с большим разбросом значений фрактальной размерности, что позволило провести четкую границу между упорядоченными и неупорядоченными структурами.

Экспериментальные исследования СТМ-изображений поверхности 81, облученной ионами Со+, показали, что данные, полученные фрактальным анализом и Фурье анализом, коррелируют между собой.

Проведенный вейвлет анализ выявил, что пространственно-упорядоченные поверхности со "шнурообразными" дефектами имеют структуры в виде "холмов", которые по форме и размерам соответствуют друг другу. Для этих поверхностей были выявлены диапазоны основных параметров образующих "холмы": 2 < а < 25 и 1,5< Ь <7. Различие в разбросах вычисляемых величин на порядок, вдоль перпендикулярных направлений, говорит о наличии выделенного направления среди "холмов".

Также было получено, что поверхность со "шнурообразными" дефектами насыщенна искомыми объектами, и показана их относительно высокая регулярность.

Основным результатом представленной в главе части диссертационной работы является по нашему мнению то, что с помощью фрактального анализа удается зафиксировать упорядоченность и в тех случаях, когда различить существование заметной упорядоченности другими методами, в частности путем визуального наблюдения не удается.

Таким образом, резупьтаты представленные в главах 2 и 3 показывают, что с помощью фрактального анализа в сочетании с другими методами

(Фурье анализ, Вейвлет анализ) удается получить информацию о степени упорядоченности наноразмерных элементов не только в случае формирования квантовых точек, но и в случае создания квантовых проволок. Следующим этапом продолжения этой работы было создание математической модели, которая позволяет проводить анализ наноразмерных структур в независимости от формы.

Глава 4 содержит результаты компьютерного моделирования двумерных систем с элементами разной формы и разной степенью их упорядоченности. На базе такого представления была разработана компьютерная модель, суть которой заключается в определении методом ГР фрактальной размерности системы идеальных двумерных объектов, расположенных с заданным процентом упорядочения, и отслеживании динамики её изменения при варьировании геометрического местоположения объектов в системе. Элементарными объектами были выбраны окружности и квадраты. Совокупность таких элементов представлялась как горизонтальный срез трёхмерной структуры. Изменяя начальные параметры в системе (процент порядка, количество элементов и т.д.) мы можем контролировать форму получаемых объектов и соответственно фрактальную размерность всей системы в целом. Чем сложнее форма полученных объектов, тем фрактальная размерность, как будет показано позже, выше.

На рисунке 4 показаны несколько случаев расположения объектов в модельной структуре. Суть геометрических преобразований заключается в сближении центров объектов без изменения их формы. Для каждого случая весь процесс разбивается на определённое количество шагов I, и для каждого шага подсчитывается величина фрактальной размерности £> и количество объектов N. Каждый следующий шаг является приближением центров на 1% от начального расстояния между объектами (рис 5). Для случая 100%-го порядка вероятность соприкосновений объектов в системе будет меньше, чем для остальных случаев, и графики изменения фрактальной размерности и количества объектов в системе будут выглядеть так, как показано на рисунке 6 а, а для случая 50%-го упорядочения как на рисунке 6 б. Как видно из графиков, при соприкосновении (слиянии) объектов фрактальная размерность резко возрастает, это обусловлено усложнением формы получаемого объекта. При одновременном соприкосновении большого числа объектов изменение фрактальной размерности больше, чем при соприкосновении малого числа элементов И это позволяет сделать вывод об упорядоченности или не упорядоченности системы в целом.

Для усложнения картины и приближения к реальным объектам мы ввели второй тип элементов, квадраты, что привело к усложнению формы пересекающихся объектов. На поведении фрактальной размерности при изменении расположения объектов это отразилось слабо. Что позволяет сделать вывод о том, что фрактальная размерность неупорядоченных структур выше, чем упорядоченных. Это согласуется с результатами, полученными при изучении с поверхности образцов кремния, облучённых ионами кобальта.

Каждая из глав диссертации заканчивается перечнем основных результатов и выводов, которые обобщены в приведенном ниже заключении.

• • • •

» • I

а)

Рисунок 4. Расположения объектов в модельной структуре, а) При 100% порядка б) При 50% порядка.

Л

4«

а)

б)

Рисунок 5. Геометрические преобразования в структуре а) Начальный шаг; б) 40-ой шаг; в) 80-й шаг.

I

I

3 0*5

!

При 1МЧ порядке

а)

В „>

40 «С 'С

б)

а)

б)

Рисунок 6. Изменение фрактальной размерности при морфологических преобразованиях системы, а) 100% порядка; б) 50% порядка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Диссертация является частью комплексной работы, выполненной группой исследователей с участием автора. В ходе работы были впервые получены наноструктуры дисилицида кобальта на кремнии и наноразмерные системы Si-Ge с помощью ионного синтеза. Исследование свойств кремний -германий нанокластеров показало, что в них реализуется эффект размерного квантования, что подтверждено экспериментами по исследованию спектров Рамановского рассеяния и фотолюминесценции. Для анализа степени упорядоченности массива наноразмерных элементов предложены методы математического анализа, среди которых наиболее перспективным количественным методом оказался метод анализа фрактальной размерности.

Необходимо отметить, что как полученные экспериментальные результаты, так и результаты компьютерного моделирования и связанная с ними методика, основанная на использовании фрактальной размерности, представлены впервые. Часть из них вошла в совместную монографию автора диссертации с научными руководителями, которая на момент её публикации была первым мировым опытом для рассматриваемого направления. Поставленные в работе задачи выполнены полностью. Работа является пионерской, её технико-экономическая эффективность может быть оценена в будущем при получении сравнительных результатов другими коллективами.

Конкретные результаты работы представлены в каждой из глав диссертации. Среди наиболее значительных результатов можно выделить следующие:

1. Впервые показано (на примере CoSi2, SiGe), что с помощью ионного синтеза можно формировать наноразмерные структуры.

2. Для наноструктур SiGe продемонстрирована возможность проявления такими структурами квантово размерных эффектов. В частности

обнаружена люминесценция на длине волны i ,54 мкм с высокой квантовой эффективностью. • 3. Показано, что степень упорядоченности наноразмерных структур может

быть охарактеризована количественно путем анализа фрактальной размерности.

4. Проведено моделирование величины фрактальной размерности для структур с меняющимися параметрами. Это моделирование подтвердило эффективность использования фрактальной размерности для количественной оценки степени упорядоченности

Личный вклад автора.

Автор диссертационной работы участвовал в проведении экспериментов, обсуждении полученных результатов и постановке задачи по разработке методики фрактального анализа и модели, объясняющей получаемые результаты. Автором проведено компьютерное моделирование, для которого разработаны соответствующие программы, сформулированы выводы (в каждой главе в отдельности), а также идеи, положенные в основу проведенной работы и предложения по ее развитию. Представленные публикации написаны автором лично.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Самоорганизованные наноразмерные структуры на поверхности и в объеме полупроводников. -Алматы: Издательство «LEM». - 2002. - 192 с.

2. Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Формирование нитридных слоев в различных материалах с помощью ионного синтеза // Сб. научн. трудов «Проблемы пауки России и Казахстана на стыке тысячелетия». - 2002. -Челябинск. - С. 36 - 42.

3. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К. Медетов H.A. Классификация гетероструктур и механизмы самоорганизации. // Вестник Костанайской социальной академии. - 2003. - №4. - С.113-117.

4. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Физические основы радиационной стойкости приборов и интегральных схем на кремнии. Тез. докл. межд. научно-практ. конф. «Снежинск и наука 2003, Совр. пробл. Атомной науки и техники». - Снежинск. - С.233.

5. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Самоорганизация в <г облученных материалах. Тез. докл. IV межд. конф. «Ядерн. и радиац.

физика». Алматы. - 15-17 сентября, 2003. - С. 213-214.

6. Апрелов С.А., Гайдуков Т.И., Герасименко H.H., Ланцова О.Ю., Павлюченко О.Н., Медетов H.A. Фрактальный анализ самоорганизованных наноструктур в облученных полупроводниках. Тез. докл. межд. междисципл. симпоз. «Фракталы и прикладная синергетика». - Москва. - 2003. - С.302-303.

7. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Формирование наноразмерных структур в кремнии путем внедрения ионов германия // Научный журнал Министерства образования и науки PK «Поиск. Серия естественно-техническая». - 2004. - №1. - С. 190-195

8. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Образование собственных нанокристаллов в монокристаллическом кремнии. // Вестник Казахского национального технического университета. - 2003. - №3-4. -С.287-289

9. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Фрактальный анализ упорядоченности поверхностных микроструктур // Научный журнал Министерства образования и науки PK «Поиск. Серия естественно-техническая». - 2004. - №4. - С. 156-162

Ю.С.А.Анрелов, Г.Н.Гайдуков, Н.Н.Герасименко, Н.А.Медетов. Фрактальный анализ упорядоченности поверхностных микроструктур // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. - 2005. - №2. - С.25-31.

Отпечатано в типографии ООО «Издательство УМЦ УПИ» 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 17, С-134. Заказ Тираж -/С€> экз.

ris - 1 901 1

РНБ Русский фонд

2006-4 16050

Глава 1. Введение. Квантово-размерные структуры на моноатомных и многокомпонентных полупроводниках. Аналитический обзор, обоснование и постановка задачи.

1.1 Наноэлектроника - новое направление электронной техники.

1.2 Современное состояние технологических методов создания полупроводниковых квантово-размерных структур.

1.3 Методы исследования квантово-размерных структур. Возможности выявления эффектов размерного квантования.

1.4 Преимущества квантово-размерных структур при создании приборов и устройств наноэлектроники.

1.4.1 Проявление эффектов размерного квантования в оптических явлениях.

1.4.2 Радиационная стойкость кристаллов с квантовыми точками.

1.4.3 Создание приборов на системах с размерным квантованием.

1.5 Методы математического и компьютерного анализа изображений образцов наноразмерных структур.

1.5.1 Фурье-анализ.

1.5.2 Фрактальный анализ.

1.5.3 Вейвлет анализ.

1.5.4 Сравнение методов математического анализа.

1.6 Выводы по первой главе.

Глава 2. Формирование и анализ квантово-размерных структур Si-Ge полученных методом ионной имплантации.

2.1 Формирование наноразмерных структур.

2.2 Анализ структур методами сканирующей зондовой микроскопии.

2.3 Пространственное распределение внедренных ионов германия с образованием наноразмерных кластеров. ВИМС анализ и Оже спектроскопия высокого пространственного разрешения: результаты анализа.

2.4 Контроль проявления квантово-размерных свойств методом Рамановского рассеяния света.

2.5 Фотолюминесценция на квантовых точках Si-Ge.

2.6 Фрактальный и Фурье анализы синтезированных наноразмерных структур Si-Ge.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Диссертация является частью комплексной работы, выполненной группой исследователей с участием автора. В ходе работы были впервые получены наноструктуры дисилицида кобальта на кремнии и наноразмерные системы Si-Ge с помощью ионного синтеза. Исследование свойств кремний -германий нанокластеров показало, что в них реализуется эффект размерного квантования, что подтверждено экспериментами по исследованию спектров Рамановского рассеяния и фотолюминесценции. Для анализа степени упорядоченности массива наноразмерных элементов предложены методы математического анализа, среди которых наиболее перспективным количественным методом оказался метод анализа фрактальной размерности.

Необходимо отметить, что как полученные экспериментальные результаты, так и результаты компьютерного моделирования и связанная с ними методика, основанная на использовании фрактальной размерности, представлены впервые. Часть из них вошла в совместную монографию автора диссертации с научными руководителями, которая на момент её публикации была первым мировым опытом для рассматриваемого направления. Поставленные в работе задачи выполнены полностью. Работа является пионерской, её технико-экономическая эффективность может быть оценена в будущем при получении сравнительных результатов другими коллективами.

Конкретные результаты работы представлены в каждой из глав диссертации. Среди наиболее значительных результатов можно выделить следующие:

1. Впервые показано (на примере C0SÍ2, SiGe), что с помощью ионного синтеза можно формировать наноразмерные структуры.

2. Для наноструктур SiGe продемонстрирована возможность проявления такими структурами квантово размерных эффектов. В частности обнаружена люминесценция на длине волны 1,54 мкм с высокой квантовой эффективностью.

3. Показано, что степень упорядоченности наноразмерных структур может быть охарактеризована количественно путем анализа фрактальной размерности.

4. Проведено моделирование величины фрактальной размерности для структур с меняющимися параметрами. Это моделирование подтвердило эффективность использования фрактальной размерности для количественной оценки степени упорядоченности

Личный вклад автора.

Автор диссертационной работы участвовал в проведении экспериментов, обсуждении полученных результатов и постановке задачи по разработке методики фрактального анализа и модели, объясняющей получаемые результаты. Автором проведено компьютерное моделирование, для которого разработаны соответствующие программы, сформулированы выводы (в каждой главе в отдельности), а также идеи, положенные в основу проведенной работы и предложения по ее развитию. Представленные публикации написаны автором лично.

Выражаю глубокую благодарность моим научным руководителям профессору Герасименко H.H. и профессору Джаманбалину К.К. за помощь оказанную при выполнении этой работы. i» ч

1. Леденцов H.H., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры // ФТП. 1998. - Т.32. -№ 4. - С. 385-410.

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

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

4. Максимов К. С., Герасименко Н. Н., Вернер И. В., Павлюченко М.Н. Эффекты упорядочения при формировании наноструктур на основе SiGe/Si. // Известия вузов. Электроника. 2001. - № 2. - С. 3-16.

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

6. Алферов Ж.И. Формирование квантовых точек InAs в матрице GaAs при росте на разориентированных подложках. // ФТП. 1998. - Т.32. - №1. -С. 3-18.

7. Бухараев A.A. Диагностика поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии. // Заводская лаборатория. 1994. - № 10. -С. 15-26.

8. Бухараев A.A., Овчинников Д.В., Бухараева A.A. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии. // Заводская лаборатория. 1997. - № 5. - стр. 10-27.

9. Хирш П., Хови А., Николсон Р., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов. Москва, Мир. — 1968. - 574 с.

10. Latyshev A.V., Krasilnikov A.B., Aseev A.L. Near surface defects in epitaxialfilms. // Microsc. Res. Technique. 1992. - v. 20. - p. 341-345.

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

12. Алешкин В.Я. Бекин Н.А., Калугин Н.Г., Красильник З.Ф., Новиков А.В., Постников В.В., Сейрингер X. Самоорганизующиеся наноостровки германия в кремнии, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. // Письма в ЖТФ. 1998. - Т. 67. - № 1. - С. 46-50.

13. А.В. Двуреченский, А.И. Якимов. Квантовые точки 2 типа в системе Ge/Si //ФТП. 2001. - т. 35. - вып. 9. - С. 1143-1153.

14. С.В. Гапоненко. Электронные процессы в полупроводниковых нанокристаллах (квантовых точках) //ФТП. 1996. - т. 30 - с. 577-619.

15. V. Ya. Aleshkin, N.A. Bekin. The conduction band and selection rules for interband optical transitions in strained Gei.xSix/Ge and GeixSix/Si heterostructures. //J. Phys.: Condens. Matter. 1997. - v.9. - p.4841-4852.

16. V .A. Markov, H.H. Cheng, Chih-ta Chia, A.I. Nikiforov et al. RHEED studies of nucleation of Ge islands on Si(001) and optical properties of ultra-small Ge quantum dots. // Thin Solid Films. 2000. - v.369. - N.l-2. - p. 79-83.

17. L. C. Lenchyshyn, M. L. W. Thewalt, D. C. Houghton et al. Photoluminescence mechanisms in thin SiixGex quantum wells. // Phys. Rev. B. 1993. - v.47.-P.16655-16658.

18. T. Baier, U. Mantz, K. Thonke, R. Sauer, F. Schaffler, HJ. Herzog. // Proc. 22nd Int Conf. on the Phys. Semicond. (Vancouver, 1994), ed. by D.J. Lockwood (World Scientific, Singapore, 1995) v. 2. p. 1568.

19. N.N. Ledentsov, J. Bohrer, M. Beer et al. Radiative states in type-II GaSb/GaAs quantum wells. // Phys. Rev. B. 1995. - v.52. - p.14058-14066.

20. T. M. Бурбаев, Т. H. Заварицкая, В. А. Курбатов и др. Исследование люминесценции и комбинационного рассеяния света сверхтонких слоев германия на кремнии // Изв. РАН, Сер. Физ. 2002. - Т.66. - № 2. - С.154.156.'

21. М.В. Huang, J. Zhu, S. Oktyabrsky. Enhanced radiation hardness of photoluminescence from InAs quantum dots embedded in an AlAs/GaAs superlattice structure // NIMB. 2003. - v.211. - P. 505-511.

22. R. Leon, G.M. Swift, B. Magness et al. Changes in luminescence emission induced by proton irradiation: InGaAs/GaAs quantum wells and quantum dots. // Appl. Phys. Lett. 2000. - v.76. - N. 15 - P. 2074-2076.

23. N.A. Sobolev, A. Cavaco, M.C. Carmo, M. Grundmann et al. Enhanced Radiation Hardness of InAs/GaAs Quantum Dot Structures. // Phys. Stat. Sol. B. 2001. - v.224. - N. 1. - P. 93-96.

24. T. Surkova, A. Patane, L. Eaves et al. Indium interdiffusion in annealed and implanted InAs/(AlGa)As self-assembled quantum dots. // J. Appl. Phys. -2001. v. 89. - N. 11. - P. 6044 - 6047.

25. C. Ribbat, R. Sellin, M. Grundmann, D. Bimberg, N.A. Sobolev, M.C. Carmo. Enhanced radiation hardness of quantum dot lasers to high energyproton irradiation. // Electron. Lett. 2001. - v.37. - N.3 - P. 174 - 175.

26. P.G. Piva, R.D. Goldberg, I.V. Mitchel, D. Labrie, R. Leon, S. Charbonneau, Z.R. Wasilewski, and S. Fafard. Enhanced degradation resistance of quantum dot lasers to radiation damage. // Appl. Phys. Lett. 2000. - v.77. - No.5 - pp. 624-626.

27. Tinkham M. "Coulomb blockade and an electron in a mesoscopic box" // Am. J. Phys. 1996. - № 64. - 343-347.

28. Неизвестный И.Г. Соколова O.B., Шамирян Д.Г. Одноэлектроника. 4.1 // Микроэлектроника. 1999. - Т. 28. - вып. 2. - С. 83-107.

29. Неизвестный И.Г. Соколова О.В., Шамирян Д.Г. Одноэлектроника. Ч.Н. Применение одноэлектронных приборов // Микроэлектроника. 1999. - Т. 2.-вып.З.-С. 163-174.

30. Хакен Г. Синергетика. Москва: Мир. - 1980. - 406 с. (Haken H. Synergetics. An introduction. Non-equilibrium phase transitions and self-organization in physics, chemistry and biology - Berlin, Heidelberg, New

31. York: Springer-Verlag, 1978.)

32. Sherrington I. and Smith E. H., Fourier models of the surface topography of engineering components. // Surface topography. 1988. - v.l. - pp. 167-181.

33. Gomez-Rodriguez J. M., Baro A. M., Salvarezza R. C. Fractal characterization of gold deposits by scanning tunneling microscopy // Journal of Vacuum Science and Technology. 1991. - v.B9. - pp.495^199.

34. Chesters S., Wang H. C., Kasper G. A fractal based method for describing surface roughness and texture // In Proc. of Institute of Environmental Science. -1990. -p.316-322.

35. Chui C.K. An introduction to wavelets. New York: Academic Press. 1992. — 321 p.

36. Герасименко H. H., Протасенко В. В., Вернер И. В., Троицкий В. Ю. Самоорганизация поверхности кремния при ионном синтезе дисилицида кобальта. // Известия вузов. Электроника. 2000. - № 4-5. - с. 80-85.

37. Teichert С., Bean J. С., Lagally М. G. Self-organized nanostructures in Sii.xGex films on Si(001). // Appl. Phys. A. 1998. - v.67. - N.6. - pp. 675-685.

38. Vinh Le Thanh, Yam V., Boucaud P., Fortuna F., Ulysse C., Bouchier D., VervoortL., Lourtioz J.-M. Vertically self-organized Ge/Si(001) quantum dots in multiplayer structures. // Phys. Rev. B. 1999. - v.60. - N.8. - p. 5851-5857.

39. Kumar Sunil, Trodahi HJ. Raman spectroscopy studies of progressively annealed amorphous Si/Ge superlattices. // J. Appl. Phys. 1991. - v.70(6). -pp.3088-3092

40. Бурбаев Т.М., Заварицкая Т.Н., Курбаров В.А., Мельник Н.Н., Цветков В.А., Журавлев К.С., Марков В.А., Никифоров А.И. Оптические свойства монослоев германия на кремний. // ФТП. 2001. - т. 35. - №8. -стр. 979-984

41. Alonso M.I., Winner К. Raman spectra of oSii.xGex alloys. // Phys. Rev. B. -1989. v.39. - p. 10056-10062,

42. Баллах М.Я., Востоков H.B., Гусев C.A., Дроздов Ю.Н. и др. Влияние диффузии Si на рост, параметры и фотолюминесценцию самоорганизующихся островков GeSi/Si(001). // Известия АН. Серия Физическая. 2002. - т. 66. - №2. - стр. 161-164.

43. L.E. Brus. Electron-electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state // J. Chem. Phys. 1984. - v.80. - No.9. - 4403-4409.

44. Frank Tinjod and Henri Mariette. Self-assembled quantum dot formation induced by surface energy change of a strained two-dimensional layer. // Phys. stat. sol. (b). 2004. - v.241. - No.3. - pp. 550-557.

45. Murarka Sh. Silicide thin films and their applications in microelectronics. RPI, Troy, NY 12180, USA, 1994.

46. Dvurechensky A.V., Gerasimenko N.N., Romanov S.I., SmirnovL.S. High dose effects in ion implantation. // Radiation Effects. 1976. - v.30. - p. 69-78.

47. Gerasimenko N. N., Troitski V. Yu., Pavluchenko M. N., Djamanbalin К. K. Nanostructured CoSi2 Layers Formed on Si with High Density Co+ Ion Beams // Surf, and Coating Tech. -2002. V.158-159. - pp. 416^120

48. Brongersma S.H. Self-organised wire growth using ion-implanted reservoirs. // Proc. of International Conference of IBMM98. Amsterdam. - 1998.

49. Tersoff J., Tromp R.M. Shape transition in growth of strained islands: spontaneous formation of quantum wires. // Phys. Pev. Lett. 1993. - v. 70. -p. 2782-2785.

50. Герасименко H.H., Павлюченко M.H., Джаманбалин K.K. Сайфутдинова JI.P. Фрактальный анализ поверхности CoSi2, полученной ионным синтезом // Изв. Вузов. Электроника. 2002. - №6. - 35-39.

51. HedmanA. Surface Characterization and Applications to Atomiuc Force Microscopy. Graduate diploma thesis. HLU-TH-EX-1994/72-E-SE.

52. Сальникова E.M., Мартюшев JI.M. К вопросу об определении параметра порядка для морфоанализа двумерных структур // Письма в ЖТФ. 2001. - Т.27. - вып.7. - С.80-89

53. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Самоорганизованные наноразмерные структуры на поверхности и в объеме полупроводников. -Алматы: Издательство «LEM». 2002. - 192 с.

54. Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Формирование нитридных слоев в различных материалах с помощью ионного синтеза // Сб. научн. трудов «Проблемы науки России и Казахстана на стыке тысячелетия». 2002. -Челябинск. - С. 36 - 42.

55. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Самоорганизация в облученных материалах. Тез. докл. IV межд. конф. «Ядерн. и радиац. физика». Алматы. 15-17 сентября, 2003. - С. 213-214.

56. Герасименко H.H., Джаманбалин К,К., Медетов H.A. Формирование наноразмерных структур в кремнии путем внедрения ионов германия. // Научный журнал Министерства образования и науки PK «Поиск. Серия естественно-техническая». 2004. - №1. - С. 190-195

57. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Образование собственных нанокристаллов в монокристаллическом кремнии. // Вестник Казахского национального технического университета. 2003. - №3-4. -с.287-289

58. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Фрактальный анализ упорядоченности поверхностных микроструктур // Научный журнал Министерства образования и науки PK «Поиск. Серия естественно-техническая». 2004. - №4. - С. 156-162

59. С.А.Апрелов, Г.Н.Гайдуков, Н.Н.Герасименко, Н.А.Медетов. Фрактальный анализ упорядоченности поверхностных микроструктур // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. 2005. - №2. - С.25-31.