Люминесцентная спектроскопия радиационных дефектов в алмазе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ УШРКРСИТЗТ

РГ6 од

Нэ прапах рукописи

2 5 ДПР 1994

. ХУСЕЙН АЛИ-НУР

Люминесцентная спектгоскопяя радиационных дефектов я алмчяе

01.04,10 - физика полупроводников и диэлектриков

А в т о р еферат

на соискание ученой степени кандидата фипико - математически* наук

'Линек. 1994г.

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук

вед. научный сотрудник A.M.Зайцев

Научный консультант: кандидат фиэ.-мат. наук зав. лабораторией В.С.Вариченко

Официальные оппоненты: ст. научный сотрудник, канд. фиэ.-

мат. наук Е. М.Шишонок

Ведущая организация:

Защита диссертации состоится. . . 7.2 РУ. Г..... 1994 года

в ..II/.0... часов на заседании специализированного Совета Д056.03.05 по присуждению ученой степени доктора физико-математических наук в Белорусском государственном университете {220080, Минск, пр. Ф.Скорины 4, ауд. 206).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГУ.

Автореферат разослан ...................... 1994 года.

Ученый секретарь специализированного

Совета, кандидат физ.-мат. наук

доцент В.Ф.Стельмах

- ?. -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

>

Актуальность

Исследование дефектной структуры ионно-имплаитировамного

алмаза является в настоящее время актуальной научно-практической # -

задачей. Значительно возросший за последние годы интерес промышленности к применению алмаза как материала полупроводниковой техники явился главным стимулом этих исследований. Главная задача, которая должна быть решена при внедрении в электронику нового полупроводника - это создание методов его контролируемого примесного легирования. В силу специфики кристаллической структуры алмаза и, в частности, ее чрезвычайно высокой прочности, ионная имплантация является незаменимым методом примесного легирования при создании полупроводниковых структур.

Важнейшие вопросы, которые возникают при исследовании ионно-имплантированного алмаза - это вопросы изучения процессов образования радиационных дефектов и исследования атомной структуры этих дефектов. К настоящему времени сделано большое количество экспериментальных работ, в которых изучались радиационные дефекты а ионно-имплантированном алмаае методами люминесценции и ЭПР. Было установлено, что важнейшими дефектами являются азотсодержащие дефекты. Поскольку примесь азота активно взаимодействует в решетке алмаза со структурными нарушениями, то вполне естественно ожидать, что азот будет эффективно влиять на формирование дефектной структуры также и в ионно-имплантироваином алмазе. , •

Несмотря на обилие экспериментальных работ как по процессам дефектообразования, так и по структуре возникающих при этом радиационных дефектов, ясности и однозначности и этом вопросе не до сих пор. Одной иэ причин такого положения является практичесю полное отсутствие теоретических работ по расчету атомной 1 электронной структуры радиационных дефектов. Второй причиной является крайне ограниченная информация о взаимодействия азотсодержащих дефектов с имплантируемой примесью I ионко-облученных областях. Известно, что азот является само| активной примесью в алмазе и, следовательно, наличие такси информации позволило бы более ясно представить механизм! междефектного взаимодействия а ионно-имплантированном слое, I также процессы комплексообразования с участием примесных атомов.

Решению этих вопросов посвящена настоящая работа. Целью работы явилось изучение структуры азотсодержащих радиационных дефектов и межпримесного взаимодействия в ионно-легированных алмазах. В качестве тестовой ионно-имплантированной примеси был выбран гелий. Гелий является оптически активным в алмазе, чт является следствием его химической активности в плотно кристаллической решетке. Таким образом, при постановке задач исследования можно было надеяться, что, изучая поведени гелийсодерхащих и азотсодержащих центров в ионно-имплантированно алмазе, удастся получить новую информацию о процесса комплексообразования с участием примесных атомов.

Научцая новизна . полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:

впервые получены сведени» о взаимодействии азота

важнейшей примеси в алмазе и атомов благородного га'за, введенных в алмаз ионной имплантацией;

- получены новые данные по атомной и электронной структуре сновных люминесцентно активных азотсодержащих центров 575 нм, ИЗ

N3 в алмазе с привлечением расчетов методом молекулярных рбиталей; .

- впервые показано, что путем имплантации атомов благородных азов в приповерхностных слоях алмаза можно получать устойчивую ланарную деформацию;

обосновано поведение изолированной вакансии а алмазе как кцеяторного центра.

Практическая значимость

Установление акцепторных свойств вакансии в алмазе является 1жним практическим результатом работы, позволяющим эогнозироиять полупроводниковые свойства сильно облученных

тазов.

Значимым практическим результатом является также установление гсутствия'влияния лриыеси азота на энергию связи атомов гелия с гшеткой алмаза. Этот результат будет использован при )рмировании оптически активных слоев алмаза, активированных томами благородных газов.

Установление атомной и электронной структуры азотсодержащих :нтров 575 нм, и N3 является также существенным практически шчнмыи результатом, поскольку именно эти центры рассматриваются настоящее время главными кандидатами на роль эффективных 1тических активаторов алмаза в красной, зеленой и голубой >ласти.

Положения, выносимые на защиту:

1. Особенности взаимодействия атомов гелия с примесью азота в ионно-имнлантированных алмазах.

- 5 - ;

/

2. Особенности атомной и электронной структуры азотсодержащих центров 575 ни, НЗ, N3 и центра 01? 1 в алмазе.

Результаты работы докладывались на международной конференции Европейского натериаловедческого общества (Страсбург, 1990 г.) М на научных семинарах Белгосуннверситета. Основные результаты опубликованы в двух научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов и списка цитируемой литературы. Она изложена на 126 страницах, включает 45 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, научная новизна и значимость полученных результатов, а также сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу литературных данных по вопросам оптических методов исследования ионно-ииплантнрованных алмазов, эффектам дефектоообразования при ионной имплантации в алмазе, методу пьезоспектроскопии и исследованию структуры точечных дефектов. Отдельно рассмотрены имеющиеся данные по гелийсодержащим и азотсодержащим оптически активным дефектам в. алмазе, а также целесообразность применения МО ЛКАО расчетов для

оделирования структуры дефектов в алмазе. ,

Анализ литературы показывает, что ионная имплантация влиется эффективным методом изменения дефектной структуры лмаза, позволяющим управляемым образом - создавать как обстпенные, так и примесные дефекты. Большое количество этих ефектоц оказывается оптически активными и поэтому могут они быть зучены методом люминесценции. К настоящему времени в литературе меется относительно большой объем информации по люминесценции адиационных дефектов в алмазе. Эти сведения, однако, зачастую псят противоречивый характер и не позволяют составить ^позначного мнении о моделях дефектов, порождающих аответствующие центры. Существенным расширением информации о эведении примесных и собственных радиационных дефектов в ашю-имплантировамных алмазах могли бы быть данные о зжпримесном взаимодействии. Эти сведения, к сожалению, а ^тературе также практически отсутствуют. Поскольку в алмазе звестны такие активные в люминесценции примеси как азот и гелий, з можно ожидать, что изучение взаимодействия между ними в знно-имплантнрованных алмазах даст дополнительную информацию о араметрах примесных дефектов.

Во второй главе описаны методика катодолюминесцентного ^следования структуры точечных дефектов в алмазе и метод :оретического расчета МО ЛКАО атомной и электронной структуры гих дефектов.

Исследованные природные алмазы представляли собой кристаллы та На (содержание азота менее 10'7 см"3) и типа 1а (содержание юта 1019 см-3). Концентрация азота в образцах определялась по юктрам фотопроводимости и оптического поглощения. Образцы >едставляли собой пластинки, вырезанные в плоскости (110) с

1ЛЩИНОЙ от 0,7 до 0,07 мм и поперечными размерами 1-3 мм. - ? -

Ионное облучение алмазов проводилось гелием с энергиями 100, 200 и 300- кэВ и дозами в интервале 10'4 - 5x¡0,s см"2 на ускорителе HVEE-350 Физического Института ЛН России (Москна). После имплантации для восстановления кристаллической структуры облученных слоев и для активации центром люминесценции применялась термообработка в диапазоне 400-1200°С.

g_третьей главе приведены результаты оригинальных

исследований. В ней рассмотрено формирование изолированных вакансий (центр GRI) в алмазе при ионной имплантации гелия. Показано« что сразу после ионного облучения наблюдается сильное взаимодействие имплантированного гелия с вакансиями и, вследствие этого, полное тушение люминесценции последних. Это примссно-дефектное взаимодействие также проявляется в ниде сильного неоднородного искажения вакансий, при температурах отжига свыше í.'00°C и в виде отрицательного отжига центров GR1 в диапазоне температур 500-700°С. Поведение центра GR1 при отжиге показало, что термостабильность вакансий не изменяется заметно в присутствии имплантированного гелия, что говорит о том, что энергия связи вакансий с решеткой не определяется взаимодействием с атомами гелия, и атомы гелия играют здесь роль лишь как центры неоднородного искажения решетки.

Атомная и электронная структура нейтральной вакансии в алмазе рассчитывалась методом МО ЛКАО с использованием кластером C«IIi2 и CitH»t. Показано, что центр GR1 может трактоваться как электронный переход из возбужденного Т состояния неискаженной вакансии на Ai и 1Е основные состояния тетрагонально искаженной вакансии, а центры GR2, 3 - как переход на 2 Е основное состояние тетрагонально «скаженной вакансии, лежащее ниже потолка валентной зоны.

Полученные результаты объясняют многие экспериментальные ранее наблюдавшиесяреэультаты, касающиеся центра GR I, и, ч

частности, прсдскаэмп.чют его акцепторные свойства и дырочн-фотопроводимость вакансий с пороговой энергией 2,85 эВ.

Теоретически рассмотрена дивакансия в алмазе. Показано, что такой дефект должен быть устойчив в алмазной решетке и может быть оптически активен п спектральной области 1,7 мкм.

Рассмотрено поведение гелийсодержащих центров люминесценции в ионно-имплантнрованном азотсодержащем алмазе. Показано, что в этом случае наблюдается тушение многих гелийсодержащих центров, что видимо связано с взаимодействием имплантированного гелия.с примесью азота. Также как и в случае нейтральной вакансии, взаимодействие с азотом не изменяет термостабильности атомов гелия, а следовательно, и энергии связи гелийсодержащих центров с кристаллической решеткой.

Обнаружены два новых центра с бесфононными линиями 718 н 482 им. Эти центры, ранее не наблюдавшиеся в беэазотных алмазах предварительно приписаны дефектам, включающим ь свой состав атомы гелия и азота.

Особое внимание уделено рассмотрению азотсодержащих центров люминесценции 575 им, ИЗ и N3 в алмазах, возникающих при ионной имплантации.

На основании анализа всех имеющихся литературных данных, результатов настоящих исследований и теоретического расчету МО ЛКДО обоснованы следующие модели центров.

Центр 575 им представляет собой комплекс вакансии и междоузельного атома азота в ближайшем тетраэдрическом положении по оси <100>. Равновесное расстояние между ними составляет 1,2 А. Энергетический барьер для рекомбинации вакансии и междоузельного атома азота составляет 0,22 эВ. Молекулярная орбиталь основного состояния дефекта состоит в основном из атомных орбитален атомов углерода, окружающих вакансию, а вклад орбиталей атомов азота

■ _ Q _

составляет лимь 10%. Расчетная величина бесфононного перехода на центре 575 ни получена равной 2,4 эВ, что качественно соответствует экспериментальной величине.

Центр НЗ (503 нм) представляет собой комплекс, состоящий ил двух соседних замещающих атомов азота . и двух вакансий, расположенных диаметрально противоположно по отношению к атомам азота. Рассчитанная величина бесфононного перехода составляет 2,6 эВ. Вклад атомных орбнталей углерода в основное состояние дефекта является определяющим и участие атомов азота составляет лишь около 10%. Молекулярная структура центра предполагается как VN>V-тракс.

Подтверждено, что центр N3 представляет собой комплекс из трех ближайпих замещающих атомов азота в плоскости (111), связанных с ближайшей вакансией по осн <111>.

Рассмотрены механические искажения в ионно-имплантнрованном гелием алмазе. Показано, что в плоскости имплантированного слои возникает устойчивая пленарная деформация, приводящая к характерному расщеплению бесфононных линий вакансионных азотсодержащих центров. Величина деформации при дозе имплантации гелия 5xl0,s см"1 достигает величины 0,5 ГПа.

Термостабильность'деформации составляет 1700 К. Наибольший эффект деформации отмечен для центров 575 нм, в свизи с чем было предположено, что центры 575 нм являются своеобразными стоками имплантированных атомов гелия.

Основные выводы -

1. Показано, что нейтральная вакансия в алмазе имеет основное состояние .вблизи валентной зоны и это придает cf акцепторные свойства.

2. Теоретически показано, что диоакансия в алмазе может 6uti оптически активна в спектральной области 1,7 мкм.

i. Показано, что наличие азота не влияет существенно на энергию

спязн атомов гелия с решеткой алмаза.

. Обнаружены новые центры люминесценции с бесфононными линиями

718 и 482 нм н азотсодержащих алмазах, имплантированных ионами гелия. Эти центры предварительно трактуются как

гелийсодсржащие.

. Показано, что наиболее вероятными моделями азотсодержащих

центров -575 им, ИЗ и N3 являются дефекты IVI*<т))<100>,

VNíVrpunc и МзV соответственно.

. Показано, что ионная имплантация гелия создает в азотсодержащих алмазах Планерную деформацию в плоскости образца, что приводит к пьезоспектроскопическому расцеплению бесфононных линий азотсодержащих центров.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Зайцев Л.М., Ульяшин А.Г., Хусейн А.Н. Оптический центр с бесфононной линией 575 км в алмаэе//Сверхтвердые материалы. 1991. N1. С. 18-24. . A.G.Utjasin, A.M.Zaitsev and H.Ali Noor. Nitrogen-containing defects in diamond; experimental data and molecular orbital 1 i near-combi nation-of-atomic-orbi ta 1s//Materials Sciencc and Engineering, D. 1991. P. 6367-1 - 6867-4.

Лодлгсано в печать -<2-^ ^¿Гйаз 235. Бесплатно Ткргяк ЮС экз. Формат о0хЬ4, Добьем печ.л.

Отпечатано на ротапринте БГУ.

22C0Ü0, !/.инк, ул. Бобруйская, 7.

• V. -