Катодолюминесйенйия алмаза, имплантированного ионами высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

р V Б ^

* 4 . БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

^ о ^

на правах рукописи

УДК 537.635: 546.273

ФИЛИПП Андрей Романович

КАГОДОЛШИНЕСЦЕНЦИЯ АЛМАЗА, ИМПЛАНТИРОВАННОГО ИОНАМИ ; ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК 1997

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник ВАРИЧЕНКО B.C.

Научный консультант: доктор физико-математических наук старший научный сотрудник ЗАЙЦЕВ A.M.

Официальные оппоненты: доктор технических наук член-корреспондент АНБ ТОЧИЦКИЙ Э.И.

кандидат фиаико-математических наук старший научный сотрудник УЛЬЯШИН А.Г.

Оппонирующая организация - Объединенный институт ядерных исследований (г.Дубна, Россия)

Защита диссертации состоится 14 марта 1997 г. в 14 часов на заседании Совета Д 020116 по присуждению ученой степени доктора наук в Белорусском государственном университете (220080, г.Минск, пр.Ф.Скорины, 4, главный корпус, к.206)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан "_

Ученый секретарь Совета доцент

1997 г.

< (С . Стельмах В.Ф.

/и- V

Актуальность теми.Актуальной задачей полупроводниковой электроники является поиск новых материалов, пригодных для создания на их основе быстродействующих, мощных, высокотемпературных и радиа-ционно-стойких приборов. Алмаз, имеющий большое значение ширины запрещенной зоны (5.49 эВ), обладающий высокой теплопроводностью и устойчивостью к внешним воздействиям, как нельзя лучше подходит для этих целей.

Одна из главных задач, которые предстоит решить при производстве приборов на основе алмаза, касается разработки методов контролируемого примесного легирования этого материала. В столь плотной кристаллической решетке обеспечить введение примеси с поверхности на необходимую глубину может ионная имплантация и, в частности, высокознергетичная ионная имплантация. В связи с этим исследование свойств ионно-имплантированных слоев алмаза является актуальной задачей.

Особый интерес представляет собой исследование влияния термического отжига на имплантированный алмаз, поскольку отжиг является составной частью технологического процесса производства полупроводниковых приборов и необходим для восстановления нарушенной облучением кристаллической структуры, а также для перевода примеси в электрически активное состояние. Происходящая при отжиге алмаза трансформация радиационных дефектов сопровождается их диффузией. Изучение этого вопроса также представляется весьма актуль-ным.

Целью работы являлось установление методами катодолюминесцен-ции основных закономерностей формирования дефектно-примесной структуры алмаза в процессе имплантации высокознергетичных ионов малых и средних масс и последующей ее модификации в ходе термического и термобарического отжига.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы Белорусского государственного университета по теме "Разработка новых физических и технологических принципов создания и контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро-и оптоэлектроники", а также по теме "разработка физических основ высокоэнергетичной ионно-лучевой технологии для создания заглубленных и многослойных структур в полупроводниках" (Республиканская научно-техническая программа "Информатика"), гос. per. N19941333.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в

- г -

следующем:

- впервые методом катодолюминесценции исследованы процессы дефек-тообразования в алмазе, облученном высокоэнергетичными ионами В и N1, и получен ряд новых результатов в области радиационной физики полупроводников, развита концепция низкоразмерных элементов и структур.

- впервые установлена диффузионная природа появления радиационных дефектов в алмазе, облученном высокоэнергетичными ионами, на глубинах, значительно превышающих средний проективный пробег ионов.

- показано, что процессы, сопровождающие электронное и ядерное торможение высокоэнергетичных ионов бора в алмазе, различным образом влияют на формирование собственных и примесных дефектов.

- впервые предложено объяснение причины появления в спектре като-долюминесценции облученного высокоэнергетичными ионами никеля алмаза центра с длиной волны бёсфононной линии 638 нм, обычно регистрируемого только в спектрах фотолюминесценции. Предполагается, что эта особенность обусловлена искривлением энергетических зон в алмазе под влиянием специфического дефектного окружения, создаваемого при облучении в слое доминирующего электронного торможения.

- впервые с помощью методов теории кристаллического поля установлена атомная структура и схема оптических переходов на центре с длиной волны бесфононной линии 484 нм в алмазе.

- впервые исследована диффузия имплантированного никеля в алмазе при высоких температурах отжига. Проведена оценка коэффициента диффузии никеля для температур 1700 и 2200°С, предложен механизм диффузии.

- обоснована возможность применения математического аппарата теории многокомпонентной диффузии для описания параллельного смещения профиля имплантированных с высокой энергией атомов азота в алмазе при термическом отжиге.

- .установлено, что средний проективный пробег в алмазе ионов никеля и ионов углерода с энергией порядка 6 МэВ/а.е.м. хорошо соответствует теоретически рассчитанному по программе Т!?1М-90, тогда как для ионов никеля и ионов бора с энергией порядка 1 МэВ/а.е.м. такое соответствие не наблюдается. Это объясняется тем, что движение в твердом теле иона, обладающего энергией, значительно превышающей величину 1 МэВ/а.е.м., хорошо поддается математическому описанию, поскольку нет необходимости учета процес-

сов перезарядки иона, сложным образом влияющих на его тормозные потери.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные в работе результаты по исследованию закономерностей формирования дефектно-примесной структуры алмаза в процессе имплантации высокоэнергетичных ионов и последующей модификации этой структуры в ходе отжига могут найти применение при разработке методов контролируемого примесного легирования алмаза, включая процесс ускоренного легирования посредством диффузии по трекам. Они могут быть полезными также для развития технологии каталитического синтеза алмаза. Модернизированные методы плазменного травления могут быть использованы для оптимизации технологических приемов контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро- и оптоэлектроники.

Положения, выносимые на защиту:

- Установленные закономерности формирования и катодолюминесцент-ные свойства дефектного слоя алмаза, созданного высокоэнергетич-ным . облучением ионами малых и средних масс, учитывающие диффузию примеси и радиационных дефектов.

- Модель никельсодердсащего люминесцентного центра в алмазе с длиной волны бесфононной линии 484 нм в виде одиночного замещающего атома никеля и схема оптических переходов на нем, соответствующая структуре спектра данного центра.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 2-й Межреспубликанской школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы спектроскопии , лазерной физики и физики плазмы" (Минск,1989г.), Конференции молодых ученых и представителей НТТМ "Актуальные вопросы прикладной физики" (Ташкент, 1989г.), X Международной конференции по технологии ионной имплантации (Катания,1994г.), Международной конференции по радиационным эффектам в изоляторах (Веймар,1991г.), II Европейской конференции по алмазу и алмазо-подобным покрытиям (Ницца, 1991г.), I Международном семинаре по алмазным пленкам (Улан-Удэ,1991г.), VII Международной конференции "Алмаз-92" (Хайдельберг, 1992г.), IX Международной конференции по ионно-лучевой модификации материалов (Канберра,1995г.), Международной конференции "Алмаз в электронике" (Москва,1992г.).

Публикации. Основные результаты работы изложены в 11 опубликованных научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав, основных выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 160 страниц, она включает 32 иллюстрации. Список использованных источников включает в себя 164 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор литературных данных по като-долюминесцентным центрам в алмазе. Рассмотрены вопросы, связанные с основными закономерностями формирования дефектной структуры твердых тел под воздействием облучения ионами. Описаны известные случаи перераспределения в процессе отжига имплантированных атомов, когда примесь при отжиге смещается в направлении, противоположном градиенту ее концентрации. В данной главе также изложены данные, касающиеся примеси никеля в алмазе.

Радиационные дефекты при ионном облучении твердых тел возникают не только в слое торможения ионов, но и на глубинах, значительно превышающих средний проективный пробег ионов (эффекты дальнодействия). Известны два механизма этого явления. Первый из них - диффузионный - предполагает диффузию первичных радиационных дефектов в процессе имплантации из облученного слоя в глубь кристалла СИ. Однако в плотной решетке алмаза диффузия любых дефектов затруднена. Тем не менее, известны литературные данные, доказывающие связь эффектов дальнодействия в алмазе с диффузионными процессами С2]. Предполагается, что подвижность радиационных дефектов возрастает вследствие повышенного уровня ионизации кристаллической решетки алмаза в процессе облучения. Второй механизм связан с участием акустических волн в образовании заглубленных дефектов при облучении [33. Можно ожидать, что этот механизм для алмаза является наиболее эффективным, поскольку именно в этом кристалле "волновой импеданс" (произведение плотности на скорость упругой волны), в сравнении с другими полупроводниками, максимален.

Характерным явлением, сопровождающим отжиг алмаза, имплантированного высокознергетичными ионами, является смещение профиля примеси по направлению к облученной поверхности, т.е. диффузия происходит в направлении, противоположном градиенту концентрации примеси. Это объясняется существованием в облученном слое крис-

галла треков, вдоль которых диффузия примеси облегчена. Такому явлению аномальной диффузии имеется аналог в случае двойной имплантации кремния ионами обычных энергий, когда между примесными атомами различных типов возможно установление парного взаимодействия. Эти процессы удовлетворительно описываются в терминах теории многокомпонентной диффузии.

Для установления механизма процесса диффузии при термобарической обработке имплантированного никеля в алмазе весьма полезными являются сведения, известные из теории каталитического синтеза алмаза. Это обуславливает потребность рассмотрения особенностей поведения в алмазе атомов никеля - металла, применяемого при синтезе алмаза в качестве катализатора.

Итак, несмотря на то, что процессам дефектообразования при вы-сокознергетичной ионной имплантации посвящено уже немало работ, многие вопросы, касающиеся распределения различных типов дефектов в облученном слое и на глубинах, значительно превышающих средний проективный пробег ионов, а также касающиеся особенностей перераспределения имплантированной примеси в процессе отжига, не получили достаточно полного освещения в литературе. Не до конца ясной остается роль треков в формировании дефектно-примесной структуры имплантированного слоя алмаза.

Во второй главе приведены краткие технические характеристики экспериментальной установки для исследования спектров катодолюми-несцекции исходных и облученных образцов алмаза. Рассмотрены модифицированные методические приемы плазменного послойного удаления облученной области кристалла.

Образцы для исследований представляли собой пластинки природного алмаза типа I1а (концентрация азота менее 1017см"э) и типа 1а (содержание азота 1018-1019см~3), вырезанные в плоскости (100), а также кубооктаздры синтетического алмаза, синтезированные из изотопа углерода С12 и синтезированные из изотопа углерода С13.

Образцы подвергались имплантации ионами бора с энергией 13,6 МэВ дозой Ю15см~2, ионами углерода с энергией 82 МэВ дозой 1015см"2 ионами никеля с энергиями 59 МэВ дозой 1015см~2 и 335 МэВ дозами 5х1012см~2 и 5х1014см"2 на циклотронах ИЦ-100, У-300 Объединенного института ядерных исследований (г.Дубна, Россия) и V1С31 Хан-Майтнеровского института (г.Берлин, ФРГ).

Изохронный двадцатиминутный отжиг образцов проводился в гра-

фитовом контейнере в вакууме 10~4Па при температурах до 1600°С. Отжиг под давлением (термобарическая обработка) проводился при температурах 1700 и 2200°С при давлении 8,5х109Па в аппарате высокого давления в течение двух часов.

Пространственное распределение концентрации дефектов и примеси по глубине облученного слоя изучалось при послойном удалении ион-но-облученной области. Однако использование этого метода требует внесения значительных корректив в пространственное распределение дефектов в облученном слое. Анализ условий травления позволил определить основные причины, влияющие на плоскопараллельность удаляемых слоев и сделать численные оценки вносимой в определение точной глубины залегания примесного слоя погрешности. Даны конкретные рекомендации, которые призваны уменьшить погрешность измерений.

В третьей главе рассматриваются особенности дефектообразования в природном алмазе при высокоэнергетичной ионной имплантации, поведение дефектов при высокотемпературном отжиге, а также основные закономерности пространственного распределения центров катодолю-минесценции как по глубине облученного слоя, так и до глубин, в несколько раз превышающих средний проективный пробег ионов.

Использование ионов различных масс и энергий, создающих дефектную структуру со своими характерными особенностями, позволило исследовать как саму эту структуру, так и различные эффекты, связанные с перераспределением радиационных дефектов и примеси в процессе облучения и последующего отжига.

Рассмотрено распределение собственных и азотсодержащих дефектов в алмазе, облученном ионами бора с энергией 13,6 МэВ. Исследование зависимости от глубины облученного слоя интенсивности центров кагодолюминесценвди НЗ, ГИ2, GR1, 389 и 575 нм показало наличие минимума на глубине 6-7 мкм, соответствующего максимуму ядерного торможения иона и обусловленного высоким уровнем дефект-кости кристаллической решетки в этом слое. Изучение профилей различных центров показывает, что эффективность введения собственных центров (TR12 и GR1) выше в области упругих соударений тормозящихся ионов и атомов мишени. Азотсодержащие центры (389 и 575 нм) имеют иные механизмы формирования, и для них аналогичное утверждение несправедливо. ,

Зарегистрированы радиационные дефекты на глубинах, значительно превышающих средний проективный пробег ионов. Так, интенсивность

оптического центра с длиной волны бесфононной линии 503,2 нм на глубине, большей 7 мкм, постепенно уменьшается, достигая приблизительно постоянного значения на глубине порядка 45 мкм. Поскольку перед исследованием глубоких слоев кристалла слой толщиной 7 мкм был удален и проведен отжиг при температуре 1700°С, то влияние упругих локальных напряжений на структуру слоя, расположенного на глубине, превышающей средний проективный пробег ионов, было исключено. Аналогичное по форме распределение центра 503,2 нм регистрировалось после облучения алмаза ионами меди с энергией 64 МэВ и пойти углерода с энергией 82 МэВ [43, вакансионного центра й?1- после имплантации ионами кобальта [5].

Сравнительное исследование алмаза, имплантированного ионами меди с энергией 64 МэВ [43 и ионами бора с энергией 13,6 МэВ, а также результаты дополнительно проведенного эксперимента по облучению кремния ионами бора с энергией 13,6 МэВ при различных плотностях тока облучения позволяют рассматривать диффузию радиационных дефектов ¡сак наиболее вероятную причину проявления эффектов дальнодействия во всех этих случаях. Это обуславливается неравновесными условиями [ионизация и нагрев, потоки фононов в решетке), которые' сопровождают процесс облучения алмаза.

Изучено распределение интенсивности оптических центров по глубине облученного слоя в алмазе, облученном ионами углерода с энергией 82 МэВ и отожженном под давлением при температуре 2200°С. В настоящей работе, гак же как и в работе [53, где исследовался такой же кристалл после отжига при температуре 1000°С, установлено, что определенные оптические центры (НЗ и ЗН - соответственно для двух работ) наблюдаются в алмазе, облученном ионами углерода с энергией 82 МэВ, только в слое доминирующего электронного торможения ионов, при этом их максимум расположен на глубине 35 мкм, в то время как теоретически рассчитанная зависимость величины электронного торможения от глубины облученного слоя не имеет максимума в указанной точке. Это свидетельствует о том, что распределение радиационных дефектов в кристалле, коррелируя с величиной энергетических потерь иона, может еще дополнительно зависеть от особенностей процессов перезарядки быстрых ионов при их торможении. •

Сравнительный анализ экспериментально полученных и теоретически рассчитанных величин среднего проективного пробега использованных в работе высокоэнергетичных ионов позволяет сделать вывод

о том, что применение программы ТИШ-ЭО дает наилучшие результаты в тех случаях, когда энергия имплантируемого иона превышает энергию. соответствующую максимуму электронного торможения (ионы углерода с энергией 82 МэВ и никеля с энергией 335 МэВ). Это связано с тем, что в этом случае скорость иона значительно превышает скорость электронов на к-оболочке атомов мишени, отсутствуют обменные взаимодействия иона с электронной подсистемой кристалла, и движение иона описывается достаточно простой математической моделью взаимодействуя положительно заряженной частицы с электронами и ядрами мишени, распределенными в объеме кристалла хаотически.

Изучение особенностей перераспределения в процессе отжига имплантированных атомов никеля по глубине облученного слоя алмаза проводилось при различных температурах отжига. Имплантация никеля с энергией 59 МэВ с последующим отжигом при температуре 1400°С приводит' к формированию центра с. длиной волны бесфононной линии 484 нм, максимум интенсивности которого расположен на глубине 5 мкм. Отжиг при температурах 1700°С и 2200°С приводит к значительному уширению профиля этого центра, что обусловлено диффузионными процессами.

На основании известного решения для задачи диффузии из слоя, полученного ионной имплантацией, проведена оценка коэффициента диффузии никеля, составляющего: 6,4х10~1гсм2с-1 при температуре 1700°С и 2,9хЮ-11см2с"г - при 2200°С. Практически такие же величины коэффициента диффузии.металла-катализатора наблюдались и в экспериментах по графитации фурфурилового спиртаГб]. Этот факт свидетельствует о подобии механизмов данных процессов, которые, в перзом приближении, определяются участием металла- катализатора в высокотемпературных процессах массопереноса в углеродной матрице.

Отмечены следующие особенности отжига оптических центров, наблюдавшихся с облученной поверхности азотсодержащего кристалла алмаза, имплантированного ионами никеля с энергией 335 МэВ:

- повышение термостабильности дефектной структуры имплантированного слоя, по сравнению со случаем облучения азотсодержащего алмаза ионами меди меньшей энергии (64 МэВ), что проявляется в повышения температуры образования центров 575 и 503,2 нм с 400-500 до 600-700°С.

- отжиг при температуре свыше 1000°0 приводит к появлению в спектре катодолюминесценции двух ранее не наблюдавшихся центров с

длинами волн бесфононных линий 707 и 717 нм. .Различные температуры отжига этих центров свидетельствуют о том, что данные линии не являются переходами между разными уровнями одного и того же центра, а относятся к различным оптическим центрам. - оптический центр НЗ (два атома азота и две ^кансии) формируется в исследованных кристаллах, содержащих А-форму азота (пары атомов азота), при температуре отжига 600-700°С, тогда как в кристаллах типа Па (содержащих гораздо меньше азота в А-форме), облученных ионами меди с энергией 64 МзВ - при температуре 1000-1200°С. Это отличие, вероятно, связано с тем, что большая концентрация пар атомов азота, являющихся заготовками для формирования центров НЗ, облегчает процесс их образования.

Отжиг при температуре 1400°С алмаза, облученного ионами никеля с энергией 335 МэВ, обуславливает появление центра с длиной волны бесфононной линии 638 нм в слое с доминирующими процессами электронного торможения. Обычно этот центр наблюдается только в фотолюминесценции. в катодолюминесценции заброшенные в зону проводимости неравновесные носители заряда не могут рекомбшшровать через соответствующие уровни этого центра» поскольку они слабо взаимодействуют с зоной проводимости. Специфическое дефектное окружение, созданное при участии ионизационных процессов, так искривляет электронные орбитали дачного дефекта, что становится зозмож- * ним его возбуждение посредством рекомбинации электронов из зоны проводимости.

Особенности дефектообразовакия в приповерхностном слое (толщиной около *1 мкм) алмаза, облученного высокоэнергетичными ионами, определяются неравновесными процессами установления зарядового состояния кона при его вхождении в кристаллическую решеи^у.

Исследовано распределение оптических центров в тонкой области вблизи поверхности алмаза, облученного ионами углерода с энергией 82 МэВ и ионами никеля с энергией 59 МэВ (различные ионы имплантировались в различные стороны одной и той же алмазной пластины), подвергнутого термобарической обработке при 2200°С, В спектре ка-тодолюминесценции до глубины 1 мкм (после имплантации никеля) и 3 мкм (после имплантации углерода) отмечается присутствие азотсодержащих центров катодолюминесценции 415 и 575 нм. Центр 503,2 нм наблюдается до глубины 1 мкм после имплантации ионами никеля. После имплантации ионами углерода'в приповерхностном слое наблюдается аномальное распределение интенсивности этого центра с мак-

сумуыои на глубине 2,5 мкм, после чего - постепенный рост в более глубоких слоях кристалла. На основании того, что другие (неазотсодержащие) центры люминесценции распределены практически равно-• мерно в этом слое, сделан вывод о диффузии атомов азота с облученной поверхности в глубь кристалла при термобарической обработке. Диффузия азота происходит по трекам - протяженным дефектным областям, обогащенным вакансиями, которые формируются в слое до- • минирующего электронного торможения иона [73.

Использование известного механизма многокомпонентной диффузии позволило объяснить наблюдавшееся ранее параллельное смещение профиля атомов азота, имплантированных в алмаз с энергией 60 МэВ, происходящее в процессе отжига. Предполагается, что в данном случае между созданными в процессе высокоэнергетичного облучения вакансиями и имплантированными атомам;: азота установилось парное взаимодействие, что привело к тому, что процесс диффузии примеси приобрел анизотропный характер. Таким образом, обоснована возможность применения математического аппарата теории многокомпонентной диффузии для описания таких явлений.

рассмотрен ншедьсодержащий центр люминесценции с длиной волны бесфононной линии 484 им,: возникающий в алмазе после имплантации ионами никеля или в процессе синтеза. "На основании анализа всех имеющихся литературных данных, расчета по теории кристаллического поля, а также по исследованию изотопического сдвига в системе линий данного центра обоснована модель данного центра как одиночного атома никеля в замещающем положении. Структура спектра данного центра соответствует переходам с терма 1Б на уровни терма 3Р двухкратно ионизованного иона никеля, помещенного в тетраэдричес-кое кристаллическое поле с параметром 50см"1.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.Методом кагодолшинесценции показано, что возникновение радиационных дефектов в алмазе, облученном высокоэнергетичными ионами, на глубинах, значительно превышающих среднепроективный пробег ионов, имеет диффузионную природу и объясняется проникновением в эту область части первичных радиационных дефектов в процессе имплантации.

2. Обнаружено эффективное возбуждение электронным лучом в азотсо-

держащих алмазах, облученных высокоэнергетичными ионами никеля, центров люминесценции с длиной волны бесфононной линии 638 нм, обычно регистрируемых только в фотолюминесценции. Предполагается, что эта особенность обусловлена искривлением энергетических зон кристалла под влиянием специфического дефектного окружения, создаваемого при облучении в области доминирующего электронного торможения иона.

3. Предложена модель центра с длиной волны бесфононной линии 484нм как одиночного атома никеля в замещающем положении. Проведенные на основе теории кристаллического поля расчеты показали, что структура спектра данного центра соответствует переходам с терма на уровни терма 3F двухкратно ионизованного иона никеля, помещенного в тетраэдрическое кристаллическое поле с параметром 50см"1.

4. Установлено, что при имплантации алмаза высокоэнергетичными ионами бора эффективность образования собственных радиационных центров TR12 и GR1 значительно выше в слое доминирующего ядерного торможения. В распределении азотсодержащих центров 575 и 389 нм аналогичная закономерность не прослеживается, что обусловлено иными механизмами их образования.

5. Исследования диффузии никеля в алмазе позволили предположить идентичность ее механизма известному процессу диффузии ванадия в углероде, основанному на высокой карбидообразующей способности переходного металла.

6. Предложено объяснение исследов'анного процесса параллельного смещения профиля атомов азота, имплантированных в алмаз с энергией свыше 1 МэВ/нуклон, происходящего в процессе отжига. Это смещение обусловлено механизмом многокомпонентной диффузии с участием радиационных дефектов вакансионного типа и имплантированных атомов азота.

7. Впервые обнаружено, что в процессе термобарической обработки в кристаллы алмаза, предварительно облученные высокоэнергетичными ионами, из окружающей шихты проникают атомы азота на глубину 1-3 мкм, что связано с существованием вблизи поверхности облученного кристалла протяженных дефектных областей-треков, вдоль которых диффузия атомов азота облегчена.

8. Установлено, что применение методики плазменного травления может вносить погрешность в определение точного местоположения профиля дефектов, равную 5 процентам. Разработаны рекомендации» даю-

- 12 -

щие возможность минимизировать данную погрешность.

Содержание работы отражено в следующих публикациях: •1. V.S.Yarichenko, A.M.Zaitsev, V.A.Martinovich, A.R.Filipp, A.A.Melnikov, N.M.Penina, D.P.Erchak, V.F.Stelmakh, W.R.Fahrner, D.Flnk Defect production in diamond irradiated with 335 MeV Ni ions// Abstracts of X Int. Conf. on Ion Implantation Technology.- • Italy,Catania.- 13-17 June, 1994.- p.3.27

2. V.Varichenko, V.Tkachev, A.Filipp, A.Zaitsev, J.Kluev Characterization of defects in insulating diamond subjected to high energy ion implantation// Abstracts of Int. Conf. on Radiation Effects in Insulators.- Weimar.- 24-28 June 1991.

3. A.Filipp, V.Tkachev, V.Varichenko, A.Zaitsev, A.Chelyadinskii Diffusion of implanted nickel in diamond// Abstracts of Second European Conf. on Diamond, Diamond-like and Related Coatings.-Nicca, France.- 2-6 September,1991.

4. A.V.Denisenko, V.S.Varichenko, A.M.Zaitsev, A.R.Filipp, V.A.Laptev, S.A.Martynov, V.P.Varnin, I.G.Teremetskaja Spektros-copic study of diamond epitaxial films// Materials of the First Int. Seminar on Diamond Films.- Ulan-Ude.- 30 June-6 July, 1991.-p.8-9.

5. В.С.Вариченко, А.Ю.Дидык, В.А.Мартинович, А.Р.Филипп ЭПР и ка-тодолюминесцеиция дефектов в алмазе, облученном ионами никеля с энергией 335 МэВ.- Препринт/ Сообщения ОИЯИ,- Дубна, 1995.-Р14-95-180.- 11 стр.

6. A.R.Filipp, V.V.Tkachev, V.S.Varichenko, A.M.Zaitsev, A.R.Che-lyadinskii, Yu.A.Kluev Diffusion of implanted nickel in diamond// Diamond and Related Materials.- 1992.- v.l.- p.271-276.

7. V.Drozd, D.Erchak, A.Filipp, N.Penina, V.Varichenko, A.Zaitsev, A.Collins, H.Kanda EPR and cathodoluminescence of carbon-13 synthetic diamond// Int. Conf. Diamond-92.- Haidelberg.FRG.-1992. .

8. W.R.Fahrner, V.Varichenko, A.Filipp, A.Zaitsev, S.Fedotov, D.Fink Defect production- in diamond implanted with 335 MeV Ni ions// The Ninth Int. Conf. . on Ion Beam Modification of Materials.- Canberra, Australia.- 5-10 Feb.,1995.- p.07.048.

9. Филипп A.P..Ткачев B.B..Вариченко B.C..Зайцев A.M..Клюев Ю.А. Радиационные дефекты, стимулированные диффузией никеля, имплантированного в алмаз// Алмаз в электронике (физика и применение).-

Москва, 1992 г.- стр.90.

10. Вариченко В.С.,Дрозд В.А., £рчак Д.П..Зайцев A.M..Ленина

H.М., Филипп А.Р. ЭПР и катодолюминесценция алмаза, синтезированного из изотопа углерода С13// Алмаз в электронике (физика и применение).- Москва, 1992 г.-.стр.99.

11. Филипп А.Р., Дрозд В.А., Ткачев В.В. Образование треков в алмазе// Материалы конференции молодых ученых и представителей НТТМ "Актуальные вопросы прикладной физики".- Ташкент.- 25-27 окт. 1989 г.

Список цитируемой литературы

I. Морозов Н.П..Тетедьбаум Д.И. Глубокое проникновение радиационных дефектов из ионно - имплантированного слоя' в объём полупроводника // ФТП,- 1983.- в.5.- С.838-842.

2. Вавилов B.C., Конорова Е.А. Ионная имплантация в алмаз / В кн.:"Ионная имплантация в полупроводниках и др. материалах". Вильнюс.- 1985.- с.155-162.

3. Вайткус Ю..Гедрис Т..Гривицкас В..Рагаускас А. Изучение эффектов дальнодействия при ионной имплантации методом импульсной фотопроводимости // В кн.:"Ионная имплантация в полупроводниках и других материалах".Вильнюс.- 1985.- с.169-173.

4. Вариченко B.C., Дидык А,Ю..Зайцев A.M..Кузнецов В.И..Кулаков В.М..Мельников A.A..Плотникова С.П..Скуратов В.А..Стельмах В.Ф..Шестаков В.Д. Дефектообразование в алмазе при высокоэнерге-тичной ионной имплантации.- Препринт/Сообщения ОИШ.- Дубна,1988.- N14-86-411.- 12с.

5. Зайцев A.M. Люминесценция ионно-имплантированных алмаза и кубического нитрида бора / Диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук- Мн.,1992г.

6. Федоров В.Б., Шоршов М.Х., Хакимова Д.К. / В кн." Углерод и его взаимодействие с металлами"- Москва,1978г.- 139с.

7. V.S.Varíchenko, A.M.Zaitsev, M.S.Rusetskii. V.F.Stelmakh, K.de Weldíge, Th.Fries, K.Wandelt, A.Ju.Didyk, V.A.Laptev Scanning tunneling microscopy of diamond irradiated with high energy ions// Diamond and Rel.Mat.- 1994.- V.3.- p.711-714.

- 14 -РЕЗЮМЕ

Филипп Андрей Романович

Катодолюминесценция алмаза, имплантированного ионами высоких

энергий

Ключевые слова: Катодолюминесценция, алмаз, никель, бор, высокоэ-нергетичная ионная имплантация, термический и термобарический отжиг, диффузия, электронное и ядерное торможение, дефектообразова-ние.

Целью работы являлось установление закономерностей формирования дефектной структуры алмаза при высокоэнергетичной ионной имплантации и модификации этой структуры после термического и термобарического отжига.

Впервые методом катодолюминесценции исследованы процессы де-фектообразования в алмазе, облученном высокоэнергетичными ионами никеля и бора. Получен ряд новых результатов в области радиационной физики твердого тела. Исследованы особенности формирования дефектной структуры алмаза в слое, расположенном глубже максимума ядерного торможения иона. Предложена модель никельсодержащего центра в алмазе с длиной волны бесфононной линии 484 нм.' Развиты спектроскопические методы исследования для диагностики пространственного распределения дефектов в алмазе.

Полученные результаты показывают, что в алмазе, имплантированном высокоэнергетичными ионами, распределение примеси и радиационных дефектов по глубине облученного слоя существенным образом определяется их диффузией. Результаты работы могут быть использованы при разработке технологических принципов создания электронных и оптоэлектронных приборов на алмазе.

- 15 -RESUME

Filipp Andrej Romanovich

The cathodoluminescence of diamond implant«. . with high energy

ions

Key words: Cathodoluminescence, diamond, nickel, bor, high energy ion implantation, annealing, diffusion, electron and nuclear stopping, defect production.

The aim of the study is the investigations of regularities of defect production in diamond by high energy ion implantation and the modification of defect structure after annealing.

For the first time the defect production processes in diamond irradiated with high energy bor and nickel ions have been studied by cathodoluminescence technique. New results have been obtained in the fields of radiation defects in solid materials. The peculiarities of the defect production processes which take place deeper than the maximum of the nuclear stopping power have investigated. A new physical model of the 484 nm nickel center has created. The spectroscopic methods of investigations of spatial distribution of defects in diamond have been futher developed.

The presented data show that in diamond irradiated with high energy ions the distributions of both impurity and intrinsic defects may be affected to a great extent by diffusion. The obtained results can be used as a basis for development of new technologies of production of electronic and optoelectronic diamond based devices.

- 16 -РЭЗШЭ

Ф1лхпп Андрэй Раманав1ч

Катодалюм1несцзнцыя алмаза, апрамененага 1онаш высоких энерг1й.

Ключавыя словы: Катодалюм1несцэнцыя, алмаз, нз.кель, бор, высо-каэнергетычная 1онная 1мплантацыя, отжыг, дыфуз!я, злектроннае 1 ядзернае тармажэнне, дэфектаутварэнне.

Мэтай работы а* яулялася устанауленне заканамернасцяу фарм1ра-вання дефектнай структуры алмазу пры высокаэнергетычным 1онным апраменьванн1 1. перастройк1 гзтай структуры пасля тэрм1чнага 1 тэрмабарычнага отжыгу.

Упершыню ивтадаы катодааюШнесцэнцы! даследаваны працэсы дэ-фектаутварэння у алмазе, апрамененым высокаэнергетычным! 1онам1 бору 1 Н1келю. Атрыманы шераг новых вын1кау у гал1не радыяцыйнаи ф!з1к1 цвердага цела. . Даследаваны уласц1васц! фармгравання дэ-фектнай структуры алмаза у тым сла1, як1 знаходз1цца эначна глыбей за слой найбольшай вел1чын1 ядзернага тармахення. Прапанава-на мадэль цэнтра з даужыней валны 484 нм, змяшчаючага н!кель. Раэв1тыя спектраскап!чныя метады даследаванняу для дыягностык! аб'емнага размеркавання дэфектау у алмазе.

На падставе атрыманых вын!кау сцвярджаецца, што у алмазе, апрамененым высокаэнергетычным1 1онам1, размеркаванне прымес! 1 ра-дыяцыйных дэфектау па глыб1н! апрамененага слою у значнай ступен1 аалежыць ад дыфузИ. ВынШ работы могуць выкарыстоувацца пры распрацоуцы тэхналаг!чных прынцыпау стварэння электронных 1 опта-электронных прыборау на алмазе.