Люминесцентные свойства слоев кремния, наноструктурированных путем облучения ионами электрически неактивных элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

МЕНДЕЛЕВА ЮЛИЯ АЛЕКСЕЕВНА

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СЛОЕВ КРЕМНИЯ, НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПУТЕМ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ НЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

01 04 10-Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

003064574

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им Н И Лобачевского»

Научный руководитель. Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Давид Исаакович Тетельбаум

доктор физико-математических наук, профессор Николай Николаевич Герасименко

кандидат физико-математических наук, доцент Владимир Дмитриевич Скупов

Казанский физико-технический институт Е К Завойского КазНЦ РАН, г Казань

Защита состоится «19» сентября 2007 г в 14 00 на заседании диссертационного совета Д 212 166 01 в Нижегородском государственном университете им НИ Лобачевского по адресу 603950, г Нижний Новгород, пр Гагарина, 23, корп 3 (НИФТИ)

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им Н И Лобачевского

Автореферат разослан «. августа 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, д ф -м н , профессор

А И Машин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Кремний — наиболее распространенный элемент земной коры, сыграл выдающуюся роль в полупроводниковой электронике Сама природа позаботилась о том, чтобы обеспечить этому материалу лидерство практически неограниченные сырьевые ресурсы, физико-химические свойства, облегчающие глубокую очистку от примесей и дефектов, близкие к идеальным для планарной технологии свойства термического окисла и др. По оценкам специалистов, ведущее положение кремния в микроэлектронике сохранится и в обозримом будущем Однако в последнее время лидерству кремния был брошен серьезный вызов в связи с новым этапом в развитии информационных технологий Непрерывное повышение требований к быстродействию интегральных схем, развитие систем волоконной оптики в коммуникационных сетях и другие факторы выдвинули на первый план оптоэлектронику, как альтернативу традиционной микроэлектронике Действительно, возможности дальнейшего повышения быстродействия могут быть достигнуты только путем замены электрических связей между активными элементами на оптические Кроме того, развитие волоконной оптики потребовало разработки комплекса новых светоизлучающих и фотоэлектронных устройств

Актуальность работы продиктована необходимостью разработки физических основ формирования созданных на основе кремния материалов, обладающих свойствами, которые обеспечили бы применение этого непрямозонного полупроводника для задач оптоэлектроники Создание излучателей света на основе кремния имеет исключительно важное значение, так как это в конечном итоге позволило бы инкорпорировать в монолитные интегральные схемы устройства, генерирующие и преобразующие оптические сигналы

Главная проблема, возникающая на пути оптоэлектронных применений кремния, состоит в низкой эффективности собственной люминесценции, обусловленной, в первую очередь, непрямозонностью энергетической структуры этого полупроводника.

Среди различных подходов к решению проблемы важное место занимает наноструктурирование путем создания нанокристаллов Si (квантовых точек), погруженных в широкозонную матрицу Si02 (система S1O2 ne-Si) Однако диэлектрический характер матрицы Si02 затрудняет функционирование в устройствах с токопереносом,-например, в светодиодах

В НИФТИ ННГУ был предложен один из способов наноструктурирования, который заключается в облучении поверхности кремния ионами инертных газов Идея основана на том, что в области доз облучения, близких к дозе аморфизации, внутри аморфного слоя сохраняются наноразмерные кристаллические области, способные выполнять роль квантовых точек Было экспериментально установлено, что такая система я-Si/nc-Si обладает фотолюминесценцией в красном и ближнем ИК диапазоне, и при этом спектр фотолюминесценции оказался близким к спектру системы Si02 ne-Si Было обнаружено, что аналогичный спектр фотолюминесценции наблюдается также в случае облучения кремния ионами инертных газов при дозах, намного превышающих дозу аморфизации Однако, закономерности формирования данных систем, механизмы люминесценции и ее особенности в зависимости от условий облучения оставались мало изученными

Исследование светоизлучающих свойств ионно-облученного кремния важно не только само по себе, но и для расширения фундаментальных знаний о свойствах относительно нового класса материалов - композитных аморфно-нанокристаллических полупроводников Это способствовало бы поискам путей применения материалов такого типа в качестве функциональных элементов наноэлектронных устройств различного назначения

Цель и основные задачи работы

Цель работы - разработка физических основ создания светоизлучающих в красном и ближнем ИК-диапазоне наноструктур в кремнии при облучении ионами электрически неактивных элементов

Основные задачи работы

1 Детальное исследование люминесцентных свойств кремния, наноструктурированного облучением ионами инертных газов при дозах, близких к дозе аморфизации («малые» дозы), изучение связанных с процессом формирования и эволюции наноструктур особенностей дозовых зависимостей концентрации парамагнитных центров

2 Компьютерное моделирование процесса формирования и эволюции системы нанокристаллов в ионно-облученном «малыми» дозами кремнии с учетом вторичных процессов

3 Исследование оптических свойств кремния, облученного «малыми» дозами ионов инертных газов, и уточнение модели фотолюминесценции аморфного слоя, содержащей нанокристаллы Si

4 Разработка модели формирования светоизлучающих нанокристаллов кремния для «больших» доз ионного облучения

Научная новизна работы

1 Впервые установлена зависимость фотолюминесценции слоев аморфизованного кремния, содержащих нанокристаллические включения, при облучении ионами средних масс - Аг+ и Ne+ в области «малых» доз от дозы, температуры отжига и температуры измерения.

2 Предложен и реализован модифицированный алгоритм компьютерного расчета процесса формирования слоев, состоящих из нанокристаллов Si в аморфной кремниевой матрице, с учетом вторичных процессов при ионном облучении

3 Впервые установлена немонотонность дозовой зависимости концентрации ЭПР-центров, обусловленная формированием наносистемы a-Si ne-Si и коррелирующая с дозовой зависимостью фотолюминесценции в красной и ближней ИК-области спектра

4 На основе исследования оптических свойств ионно-облученного кремния предложен уточненный механизм фотолюминесценции аморфизованного слоя, содержащего нанокристаллы кремния

5 Предложена и обоснована количественными оценками «механическая» модель формирования нанокристаллов кремния при ионном облучении для доз, существенно превышающих дозу аморфизации

Практическая ценность

1 Разработанный алгоритм расчета формирования аморфизованных слоев с нанокристаллами кремния позволяет прогнозировать диапазон доз ионного облучения, в котором имеет место максимальная интенсивность фотолюминесценции, а также может быть использован для решения других задач, в которых применяется способ наноструктурирования путем частичной аморфизации полупроводников ионными пучками (полупроводниковые газовые датчики, каталитические системы и др )

2 Показана возможность оптимизации люминесцентных свойств слоев аморфизованного кремния, содержащих нанокристаллические включения, путем вариации дозы имплантации 81

3 Установленная связь между фотолюминесцентными, парамагнитными свойствами и наноструктурированием может быть использована как средство диагностики и мониторирования процесса формирования наноструктур при ионном облучении

4 Подход к процессу наноструктурирования, предложенный для области «больших» доз, может быть использован не только в случае ионного облучения, но и при других способах обработки материалов, при которых формируются неоднородные в наномасштабе области, например, при импульсном лазерном (электронном) облучении структур с нанолитографическим рисунком или шероховатых поверхностей

Основные положения, выносимые на защиту

1 Экспериментально найденный немонотонный характер дозовой зависимости интенсивности фотолюминесценции 81 и согласие с результатами расчетов эволюции структуры облученного слоя, выполненных с использованием предложенного в работе алгоритма, подтверждают, что фотолюминесценция при дозах, близких к дозе аморфизации, обусловлена процессом наноструктурирования

2 Процесс наноструктурирования при дозах, близких к дозе аморфизации, является причиной немонотонной дозовой зависимости концентрации парамагнитных центров

3 «Механическая» модель фрагментации кремния при «больших» дозах позволяет объяснить формирование нанокристаллов, с которыми связанны люминесцентные свойства.

Личный вклад автора

Основные эксперименты и расчеты были спланированы автором совместно с научным руководителем Самостоятельно выполнялись подготовка образцов, исследования ЭПР и люминесцентных свойств, обработка и анализ результатов, а также разработка и реализация алгоритма компьютерного расчета ионно-лучевого формирования слоев, состоящих из нанокристаллов 81 в аморфной матрице Ионная имплантация производилась вед инж НИФТИ В К Васильевым В расчетах принимали участие Е В Волкова и Е С Коваленко Экспериментальные данные, необходимые для разработки модели формирования нанокристаллов в области «больших» доз предоставлены д ф -м н А А Ежевским

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы опубликованы [А1-А26] и докладывались на следующих конференциях V Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (02Т5) (Ульяновск, 2003), V Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ-

2003)» (Минск, Белоруссия, 2003), Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто — и наноэлектронике (С-Петербург, 2003, 2005), Десятая ежегодная международная научно-технической конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2004), Нижегородская сессия молодых ученых (Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007), Всероссийское совещание «Нанофотоника-2004» (Н Новгород, 2004), Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2004, 2005, 2007), IV Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С Петербург,

2004), MRS Spring Meeting 2004 (San-Francisco, CA, USA, 2004), European Microelectronics and Packaging Symposium EMPS-2004 (Prague, Czech Republic, 2004), Межрегиональная научная школа для студентов и аспирантов «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники физические свойства и применение» (Саранск, 2004,

2005), Всероссийский семинар (Н Новгород, 2004, 2006), 12-й Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, Зеленоград, 2005), Международная научная конференция «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005), Международная научная конференция «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, 2005), Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы» (Москва, Зеленоград, 2005),

Ряд докладов отмечен дипломами диплом лауреата 12-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, Зеленоград, 2005), диплом 1-ой Всероссийской конференции «Физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2006)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 4 статьи и 18 тезисов докладов Список публикаций приведен в конце автореферата

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 156 наименований Объем диссертации составляет 116 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок и Зтаблицы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дано обоснование выбора темы диссертационной работы и ее актуальность Сформулированы цель работы;" научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту Указаны структура и объем диссертации Содержатся сведения об апробации работы В главе 1. носящей обзорный характер, обсуждается проблема применения кремния в оптоэлектронных устройствах и рассмотрены различные пути ее решения на основе улучшения светоизлучающих свойств кремния, как непрямозонного полупроводника усиление собственной и дефектной люминесценции массивного Si, синтез бинарных соединений и сплавов (FeSi2, SiGe), легирование редкоземельными элементами и наноструктурирование Рассмотрены свойства аморфного кремния и перспективы его использования в качестве матрицы для формирования светоизлучающей системы, содержащей нанокристаллы кремния Особое внимание уделено ионно-лучевому способу формирования такой системы Предложенный в литературе компьютерный алгоритм формирования наноразмерной системы a-Si/nc-Si хорошо описывает ситуацию только при облучении кремния тяжелыми ионами Для легких ионов, где существенно влияние вторичных процессов, необходимо модифицирование алгоритма Для этого нужно знать закономерности кинетики накопления дефектов и основные закономерности аморфизации, кратко изложенные в данной главе

В заключение главы на основе анализа литературных данных формулируется постановка целей настоящей работы

Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию закономерностей влияния условий ионного облучения на свойства системы a-Si/nc-Si при дозах, близких к дозе аморфизации (область «малых» доз)

В разделе 21 описывается методика приготовления и исследования экспериментальных образцов В качестве исходного материала использовались образцы Si (100) и Si (111) с удельным сопротивлением 0 1 Ом см и 2000 Ом см (высокоомный кремний применялся для исследований методом ЭПР) Пластины подвергались стандартной химико-механической обработке с последующим стравливанием нарушенного слоя (~ 20 мкм) Облучение проводилось ионами Аг+ с энергией 150 кэВ, дозами 4 1013 - 5 1015 см"2, ионами Ne+ с энергией 150 кэВ, дозами 5 1014 - 5 1016 см"2 и ионами Ge+ - с энергией 80 кэВ, дозами 2 1013 - 5 1014 см"2 Плотность ионного тока не превышала 3 мкА/см2 Образцы, предназначенные для исследования фотолюминесценции (ФЛ), после облучения отжигались при температуре Т = 200, 250, 300 и 350°С в течение 30 мин Измерение ФЛ (с использованием спектроскопического комплекса КСВУ-23) проводилось при комнатной температуре и при температуре 77 К с возбуждением аргоновым лазером (А, = 488 нм) При обработке спектров ФЛ для избавления от шумов использовались методы частотной фильтрации Измерение ЭПР (на спектрометре ЭПА-2М) проводилось при температуре жидкого азота с использованием эталона MgO Мп

Для исследования спектров оптического пропускания аморфизованного ионным облучением кремния пленки Si толщиной ~ 1 мкм наносились с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии на подложки сапфира Облучение проводилось ионами неона с энергией 100 кэВ, дозами 1 1014 - 1 1016 Для уменьшения степени неоднородности дефектности по глубине в образцы дополнительно проводилась

имплантация ионов Ne+ с энергией 50 кэВ, причем доза второй имплантации подбиралась так, чтобы степень неоднородности концентрации вакансий (рассчитанной по программе TRIM) была минимальной

Раздел 2 2 данной главы посвящен исследованию фотолюминесцентных свойств системы a-Si/nc-Si, полученной облучением ионами Аг+ и Ne+ Как при облучении Аг+, так и Ne+ наблюдалось два пика ФЛ (рис 1)

Доза Аг*

700

1100 703

Длина волн ы,нм

Рис 1 Спектры ФЛ образцов Si, облученных различными дозами ионов Аг+ и Ne+ и отожженных при 300°С (30 мин)

Один из них (при~ 750 нм) приписан нанокристаллам (НК), другой (при ~ 950-1000 нм) - аморфной фазе Основанием для этого является то, что

1) положение пика при ~750 нм практически совпадает с положением для НК Si, созданных другими методами [1,2],

2) данный пик появляется при дозах, для которых ожидается формирование наноразмерной композиции a-Si/nc-Si, и ослабевает при дальнейшем увеличении дозы, когда согласно расчетам и данным ЭПР формируется сплошной аморфный слой (здесь не идет речь об области «больших» доз (см ниже)),

3) пик при ~ 950-1000 нм появляется при дозах, близких к известной из литературы (и полученных в наших расчетах) дозе аморфизации

Интенсивность ФЛ с дозой сначала возрастает, а затем падает, что связано с появлением (в переходной к аморфизации области доз), а затем (при полной аморфизации) исчезновением нанокристаллов Si в a-Si Оптимальная температура отжига - 300°С При ней достигается отжиг дефектов — центров безызлучательной рекомбинации и одновременно еще сохраняется структура системы, необходимая для соблюдения условий, при которых нанокристалл в матрице a-Si ведет себя (с точки зрения люминесцентных свойств) как квантовая точка

Поскольку в литературе для a-Si Н, полученного путем осаждения, наблюдалось температурное гашение ФЛ [3], представляло интерес исследование ФЛ, кроме комнатной температуры, при температуре жидкого азота Как видно из рис 2, возрастание интенсивности длинноволнового пика при Т= 11 К действительно имеет место При 77 К пик в области X = 750 нм слабо выражен, т е имеет место изменение соотношения между интенсивностями двух пиков в пользу сигнала от a-Si

о

X

а

700

800 900 1СПП

Длина волны, им

800 900

Длинаволны,нм

Рис 2 Спектры ФЛ образцов Б1, облученных различными дозами ионов и отожженных при 300°С (30 мин) измерение ФЛ - при 293К (а) и 77К (б)

В разделе 2 3 изучается влияние дозы на спектр ЭПР системы а-81/пс-81

В литературе дозовые зависимости спектров ЭПР при ионном облучении обычно исследовались с довольно большим шагом по дозе [4], поэтому особенности, связанные с формированием системы а-81/пс-81, могли оказаться не замеченными Мы исследовали дозовые зависимости спектров ЭПР при облучении 81 ионами с меньшим шагом На рис 3 приведены дозовые зависимости концентрации центров ЭПР с ^-фактором 2 0055 при облучении ионами различных масс (Ыс+, Аг+ и Сс+) Видно, что во всех трех случаях зависимости имеют экстремальный характер Положения максимумов кривых на дозовых зависимостях близки к дозам аморфизации (ДА) [5, 6], так что экстремальное поведение характеризует область доз, непосредственно предшествующую формированию сплошного аморфного слоя Такое поведение объясняется следующим образом Аморфизация при ионном облучении не является единовременным актом, охватывающим сразу всю облученную область Должна существовать некоторая переходная область доз, при которой структура облученного слоя представляет собой смесь аморфных и кристаллических областей Это обстоятельство и лежит в основе впервые предложенного в НИФТИ ННГУ метода создания системы а-Б1 пс-81 [7-11] Аморфный

и

а/

о Ъ£

10"

10"

Доза облучения, см"2

Рис 3 Дозовые зависимости концентрации ЭПР-центров с g = 2 0055 образцов 81, облученных ионами Ие+, Аг+ и Ое+

кремний характеризуется несколько большими межатомными расстояниями (длинами связей) по сравнению с c-Si [3] Поэтому на границах кристаллических и аморфных областей существуют механические напряжения, и следует ожидать наличия высокой концентрации оборванных связей на этих границах С учетом предельной концентрации VV-центров в a-Si [4] можно показать, что в переходной к сплошной аморфизации области доз, когда в аморфной матрице существуют малые кристаллические включения, суммарная концентрация оборванных связей, дающих вклад в сигнал ЭПР с g = 2 0055, может быть выше, чем в области насыщения, т е при дозах, соответствующих существованию сплошного («однородного») аморфного слоя

В разделе 3 4 описаны результаты исследования оптических свойств слоев a-Si/nc-Si и а-Si, полученных ионным облучением в области «малых» доз

В соответствии с ранее предложенной моделью [8, 11], люминесцентные свойства ионно-облученного кремния в области доз, близких к дозе аморфизации, объяснялись формированием гетерогенной системы, представляющей собой включения нанокристаллов кремния в аморфную матрицу (в слой аморфизованного кремния) При этом предполагалось, что a-Si играет роль широкозонной матрицы, так что разрыв зон на границе nc-Si/a-Si достаточен для осуществления квантового конфайнмента Для установления реальности этой модели важно знать зонную структуру матрицы Информацию о зонной структуре может дать исследование оптических свойств облученного кремния Хотя подобного рода исследования проводились и ранее [12], необходимо было изучить эти свойства именно для тех режимов имплантации, которые нами использовались при исследовании ФЛ Были сняты спектры пропускания эпитаксиальных слоев Si на сапфире, облученных ионами Ne+, при дозах, несколько

превышающих дозу аморфизации, а затем по зависимостям Тауца найдена оптическая ширина «запрещенной зоны» (оптическая щель) (рис 4) Величина оптической щели составила ДЕВ = 1,34 эВ до отжига и AEg = 1,55 эВ после отжига при 300°С Эти величины недостаточны для того, чтобы обеспечить квантовый конфайнмент ne-Si в аморфной матрице за счет разрыва энергетических зон д-Si и ne-Si (энергия перехода для пика при ~ 750 нм составляет Е = 1,65 эВ) Однако, в работе [13] было показано, что локализация (конфайнмент) носителей в НК Si, погруженном в матрицу a-Si, может иметь место за счет другого механизма - разупорядоченной структуры аморфной фазы (переход от периодического к хаотическому потенциалу для носителей заряда).

На рис 5 (а и б) представлены две возможные схемы ФЛ в нашей системе Излучение НК Si в обеих схемах происходит вследствие перехода электрона с

Е, эВ

Рис 4 Зависимость Тауца пленки Б1 на сапфире, облученной ионами Ые+ (доза 5 1015 см*2) а — коэффициент пропускания, Е — энергия кванта

первого уровня в зоне проводимости НК на уровень в валентной зоне Излучение же a-Si может происходить за счет одного из двух альтернативных процессов В первой схеме имеет место возбуждение носителей в a-Si на один из вышележащих уровней в с-зоне с безызлучательным переходом на дно «зоны проводимости» и последующим излучательным переходом на уровни, расположенные в хвосте плотности состояний валентной зоны (а)

2,5 эВ (Я. = 488 ни)

(а)

1.65 эВ 2,5 ЗВ (X = 750 ни)

1,3 эВ 1.55 эВ (Я. = 950 ни)

(б)

Рис 5 Возможные каналы ФЛ в системе a-Si/nc-Si а) независимое возбуждение, б) сенсибилизация ФЛ a-Si НК Si

Во второй схеме (б) осуществляется сенсибилизация a-Si нанокристаллами Si энергия основного перехода в НК (1 65 эВ) не излучается, а передается матрице Si с последующим излучательным переходом того же типа, что и в первой схеме Так как вероятности указанных переходов для НК и a-Si в общем случае не одинаково зависят от температуры, этим объясняется разное соотношение между интенсивностями пиков, связанных с ne-Si и a-Si, при комнатной температуре и температуре жидкого азота (см рис 2) В пользу второй схемы ФЛ свидетельствует то, что с ростом дозы (когда исчезают НК Si и формируется сплошной слой) интенсивность ФЛ при 9501000 нм (относящейся к аморфной фазе) тоже падает Более детальное изучение этого вопроса требует квантово-механического расчета матрицы переходов, что не входило в нашу задачу (строгая теория люминесценции системы a-Si ne-Si вообще еще не разработана)

Глава 3 посвящена моделированию процесса формирования и эволюции наноструктуры Si при ионном облучении

Упрощенная модель формирования нанокристаллических включений при облучении Si (глава 1) достаточно адекватно описывает ситуацию для случая тяжелых ионов При этом каскады смещенных атомов являются плотными, и в первом приближении можно не учитывать ни распределение дефектов внутри каскадов, ни вторичные процессы Поскольку ионы средних и малых масс создают более разветвленную структуру каскадов смещенных атомов, для этого случая предложенная ранее модель не применима Нами разработана уточненная модель наноструктурирования с учетом детальной структуры каскадов смещения и влияния вторичных процессов

В основу алгоритма положен метод статистических испытаний (Монте-Карло) Модельный слой (с площадью 200x200 нм3) делился на ячейки (2x2x2 нм3) По заданной плотности ионного тока рассчитывается среднее время между двумя актами падения иона на площадку, и методом Монте-Карло разыгрываются момент времени очередного падения иона, координаты (х, у) точки падения Координаты вакансий (х, у, z), генерированных в каскадах смещений, определяются по программе TRIM, сортируются по номерам ячеек, затем для каждой ячейки определяется количество вакансий, оставшихся к моменту следующего акта падения Вторичные процессы («динамический» отжиг) учитывались в соответствии с моделью [14], а именно, предполагалось, что в промежутках времени между падениями очередного иона происходят

1) захват вакансий ненасыщающимися ловушками, концентрация которых (Nt) есть заданная величина,

2) объединение вакансий в дивакансии

При этом учтено, что при реальных плотностях ионного тока характерные длительности вторичных процессов весьма велики по сравнению с характерными временами «горячей» стадии каскада

Изменения концентраций вакансий (N,) и дивакансий (N2) в промежутках между

падениями ионов описываются уравнениями

dN, , -L=ktN1Nt-k1Ni

(1)

dt

dN.

i = k,N12,

dt

где к( и к1 — кинетические коэффициенты В данном алгоритме не учтена возможность образования более сложных, чем дивакансии, дефектов, а также в явном виде не приняты во внимание междоузельные атомы и их комплексы Неявно междоузельные атомы учитываются тем, что захват вакансий ненасыщающимися ловушками математически эквивалентен непрямой рекомбинации с междоузельными атомами, согласно [15] доминирующей в случае облучения кремния Параметры для конкретных расчетов были заимствованы из [14] Уравнения (1) имеют следующие решения

k,N,

Ml±MiM I ЛГ,( 0)

iv2(0 = iv2(0)+-

MdMlb

Щ 0) 1 1

---L+'-i—^-In

2 2k,

¿Л+*Л(0)| k

^,(0) J '

k,N,

N, e'

tk,N, I

(2)

где N,(0) и N2(0) - концентрации вакансий и дивакансий в каждой ячейке перед падением очередного иона, соответственно

Вакансии, внесенные каждым новым ионом, реагируют между собой и с ловушками, а также с вакансиями, накопленными до этого времени Таким путем определяется полное количество вакансий и дивакансий в каждой ячейке при любой

дозе иоиов. Посла того, как суммарная концентрация вакансий в ячейке - свободных и связанных в дивакансии становится равной заданной пороговой величине (принятой равной 10 эт. % [16]), ячейка считается «аморфнзованной», и слежение за пей прекращается. Таким путем рассчитываются, как функции дозы, доля аморфной фазы, средние размеры еще не аморфизовэнных участков и количество (на 1 см2) таких участков, имеющих размеры, меньшие определенного значения. Эволюция структуры кремния при облучении ионами 'Ые-' (150 каВ) на глубине ГС, в разрезе представлена на рис.6.

□ Кристаллическая фазы ■ AHC-pttnafl фэ^н

Рис.6. Рассчитанная эволюция структуры облученного слом кремния ионами Ntf (150 кэВ).

Как видно, с ростом дозы доля аморфной фазы увеличивается, аморфные участки сливаются и в некотором интервале доз внутри сплошного аморфного слоя остаются кристаллические включения манометрового размера, которые и играют роль н анок ри стал л ов кремния.

На рис.7 приведены кривые накопления аморфной фазы в зависимости от дозы и плотности ионного тока для ионов Лг' (150 кэВ) на глубине R,,.

г- зт-

3 6

Доза, 10" см"2

Рис.7. Расчетная зависимость доли аморфной фазы на глубине Rp от дозы при облучении Si ионами Лг' (150 кэВ) без учета вторичных процессов (кривая I) и с их учетом при различных плотностях ионного

3 — 30 мкЛ/см"". кривая 4 -мкА/см"2.

100

Там же приведена зависимость, рассчитанная без учета вторичных процессов («динамического» отжига). С ростом плотности ионного тока ] кривые к пей приближаются. Это связано с тем, что с ростом ) повышается мгновенная

концентрация вакансий и, следовательно, увеличивается (квадратично по концентрации) темп их связывания в дивакансии, а относительные потери вакансий на захват ловушками (этот процесс линеен по концентрации) уменьшаются

На рис 8 приведена зависимость числа кристаллических областей с размерами d < 4 нм (НК) в слое на глубине Rp от дозы ионов Аг+ (150 кэВ), а на рис 9 -экспериментальная дозовая зависимость интенсивности ФЛ для пика в районе 750 нм

2 4

Доза, 10м см"2

Рис 8 Рассчитанная дозовая зависимость числа НК с размерами d< 4 нм для Аг+ (150 кэВ, j ~ 3 цА/см2)

о 2

Доза, 10"| Рис 9 Дозовая интенсивности ФЛ

зависимость для пика в

районе 750 нм (j ~ 3 цА/см )

Видно удовлетворительно согласие расчетных и экспериментальных данных максимальная ФЛ наблюдается приблизительно при тех же дозах, при которых согласно расчетам, число нанокристаллов максимально, что свидетельствует об адекватности нашего алгоритма и согласуется с предположением, что пик ФЛ при ~ 750 нм обусловлен НК Si Конечно, граница размеров (4 нм), при которых НК ведет себя, как квантовая точка, несколько условна и выбрана по аналогии с системой Si02 ne-Si [1, 2] Кроме того, следует учесть, что, в силу неоднородности распределения дефектов, кинетика накопления НК по дозе зависит от глубины, но слой вблизи Rp вносит наибольший вклад

В главе 4 предложена и обоснована механическая модель формирования нанокристаллов кремния (фрагментации) при ионном облучении дозами, существенно превышающими дозу аморфизации («большие» дозы)

В работах [17, 18] было установлено, что похожими на приведенные выше для «малых» доз люминесцентными свойствами обладает Si, облученный ионами инертного газа (Ne+) при дозах, существенно (на порядок величины) превосходящих дозу аморфизации В качестве примера спектр ФЛ для такой высокой дозы после травления в HF при различных выдержках на воздухе показан на рис 10 [17]

Рис 10 Спектры ФЛ образца Б1, облученного Ие+ (40 кэВ) с дозой 6 1016 см"2 и протравленного в Ш7 в течение 12 мин 1 - сразу после травления, 2 - после 50 минут выдержки на воздухе, 3 - после 7 дней выдержки на воздухе [17]

Характерной особенностью ФЛ в этом диапазоне доз является то, что она наблюдается не только от слоя с толщиной К.р + ДЯр, но и от более глубоких слоев Это свидетельствует о том, что если ФЛ обусловлена НК (а об этом говорит сходство спектров при «малых» и «больших» дозах), то они залегают не только в пределах глубин до Кр + АЯр но и гораздо глубже В пользу того, что формирование НК на таких глубинах может быть связано с глубоко проникающими дефектами, говорят данные ЭПР и электронографии, полученные при послойном травлении облученного Они свидетельствуют о наличии глубинных слоев с

нанокристаллической и мозаичной структурой (кольца и точечные рефлексы, соответственно) Области «больших» доз, при которых наблюдалась ФЛ, характеризовались наличием блистеров и пузырьков [18] Эти закономерности связывались [18] с образованием НК в при облучении «большими» дозами, но образование НК при этом не находило адекватного объяснения

Для объяснения формирования НК под аморфным слоем используем модель, ранее нами развитую применительно к процессу аморфизации («механическая модель аморфизации») [А 1] Применительно к нашему случаю суть модели состоит в следующем дефекты, проникающие на большие глубины из облученного слоя, за счет флуктуации плотности создают неоднородное волновое поле упругих напряжений, которое при превышении некоторого предела по амплитуде вызывает повороты блоков, т е фрагментацию монокристалла В отличие от аморфизации, размеры блоков в этом случае крупнее Расчеты, выполненные в предположении, что собственные междоузельные атомы, вытесненные из объемов, сформированных при «больших» дозах блистеров и пузырьков, проникают в слой, лежащий под аморфным, приводят к выводу, что возникающие статические напряжения еще недостаточны для фрагментации путем поворотов кристаллических блоков Однако в динамическом случае (когда учитываются акустические волны, генерируемые при реакциях между дефектами [19]) расчет показывает, что значения глубины, на которой может наблюдаться фрагментация, приводящая к наноструктурированию, достигают десятых долей мкм или 1 мкм

Необходимая для квантового конфайнмента изоляция блоков друг от друга и/или от матрицы кремния может быть осуществлена формированием тонких оболочек 8ЮХ за счет кислорода, «вбиваемого» ионами и/или проникающего по

дефектам на требуемые глубины, с последующей сегрегацией на интерфейсах блоков В пользу этого свидетельствуют данные, приведенные на рис 10 интенсивность ФЛ возрастает при выдержке образца на воздухе в течение нескольких суток Это может быть связано с усилением конфайнмента НК (блоков) вследствие диффузии кислорода из атмосферы и дополнительного окисления интерфейсов «Рыхлая» структура слоя с блистерами облегчает диффузию, а наличие высокой концентрации дефектов по границам блоков повышает их реакционную способность и облегчает процесс окисления, происходящий при комнатной температуре

В заключении сформулированы основные результаты диссертации

1 Предложен и реализован алгоритм компьютерного расчета процесса ионно-лучевого формирования композитных слоев, состоящих из нанокристаллов Si в аморфной матрице (a-Si ne-Si), учитывающий вторичные процессы при ионном облучении, в области доз, близких к дозе аморфизации (области «малых» доз)

2 Экспериментально полученный при ионном облучении Ne+ и Аг+ характер дозовой зависимости ФЛ в области «малых» доз совпадает с характером изменения концентрации нанокристаллов, установленным путем компьютерного расчета процесса формирования и эволюции наносистемы

3 Впервые установлен немонотонный характер дозовой зависимости концентрации парамагнитных центров, обусловленный формированием наносистемы a-Si ne-Si

4 Путем исследования оптических свойств аморфизованного ионным облучением Si показано, что его эффективная ширина запрещенной зоны недостаточна для осуществления обычного квантового конфайнмента, обусловленного разрывом энергетических зон нанокристаллов и a-Si Квантовый конфайнмент в системе a-Si ne-Si обусловлен флуктуациями потенциала в аморфной матрице, окружающей нанокристаллы

5 При «больших» дозах облучения Si люминесцирующие нанокристаллы могут формироваться вследствие фрагментации глубоких слоев монокристалла силами, связанными с акустическими волнами, испускаемыми дефектами

6 Предложено две альтернативные схемы фотолюминесценции в системе a-Si ne-Si в первой схеме возбуждение происходит независимо в каждой из компонентов системы, а во второй — излучение a-Si происходит за счет сенсибилизации возбужденными нанокристаллами Si

Список цитируемой литературы

1 Особенности фотолюминесценции в S1O2 с нановключениями кремния, полученными методом ионной имплантации / Д И Тетельбаум, И А Карпович, M В Степихова, В Г Шенгуров, К А Марков, ОН Горшков//Поверхность - 1998 -№5 -С 31-33

2 Формирование кремниевых нанокристаллов в слоях S1O2 при имплантации ионов Si с промежуточными отжигами /ГА Качурин, В А Володин, Д И Тетельбаум, Д В Марин, А Ф Лейер, А К Гутаковский, А Г. Черков, А H Михайлов // ФТП — 2005 -Т 39, №5 - С 582-586

3 Аморфные полупроводники Под редакцией M Бродски Перевод с англ — M Мир, 1982 -419 с

4 Физические процессы в облученных полупроводниках Под редакцией JIС Смирнова - Новосибирск Наука, 1977 -256 с

5 Зорин, Е И Ионное легирование полупроводников / Е И Зорин, П В Павлов, Д И Тетельбаум -М Энергия, 1975

6 Риссел, X Ионная имплантация / X Риссел, И Руге -М Наука, 1983 -304 с

7 The room temperature photoluminescence of Si nanocrystals in a-Si matrix composite system produced by the irradiation of silicon with ions of high and medium masses / D I Tetelbaum, A A Ezhevskn, S A Trushin, A N Mikhaylov, A Yu Azov, А К Mukhamatullm, S E Akis, D M Gaponova // Material Science and Engineering В - 2003 -V 101(1-3) -P 279-282

8 Формирование аморфно-кристаллических нанокомпозиций кремния путем облучения тяжелыми ионами / Тетельбаум Д И, Шенгуров В Г, Шенгуров Д В , ПитиримоваЕ А , Питиримов А В //Поверхность 1998 — №5 - С 34-37

9 Тетельбаум, Д И Компьютерное моделирование формирования аморфно-кристаллической двухфазной наносистемы при ионном облучении кремния / Д И Тетельбаум, С А Трушин, А В Питиримов // Известия РАН Сер физ - 2000 Т 64(11) - С 2168-2169

10 Электронно-микроскопическая диагностика аморфно-кристаллических наносистем, полученных путем бомбардировки кремния ионами Кг+ / А В Питиримов, Е А Питиримова, Д И Тетельбаум, В Г Шенгуров, А Ф Хохлов // Поверхность -1999 -№ 5-6 - С 11-13

11 Luminescence of silicon nanostructured by irradiation with heavy ions / D I Tetelbaum, SA Trushin, ZF Krasil'nik, DM Gaponova, AN Mikhaylov // Optical Materials -2001 -V 17(1-2) -P 57-59

12 Optical-absorption studies of ion-implantation damage in Si on sapphire / U Zammit etal //Phys Rev В -1994 -V 49(20) -P 14322-14330

13 Electron confinement m nanocrystals embedded in random media Anderson localization effects / V A Burdov, M F Cerqueira, A M Satanin, MI Vasilevskiy // AIP Conference Proceedings 28th International Conference on the Physics of Semiconductors -2007 - V 2 -P 332-334

14 Морозов, НП Закономерности накопления дефектов при облучении полупроводников легкими ионами / Морозов Н П , Тетельбаум Д И // ФТП - 1980 -Т 14(5) - С 934-938

15 Непрямая рекомбинация вакансий и междоузельных атомов в облученном кремнии/Г А Хлодарь и др //ФТП -1976 -Т 10(9) - С 17212-1718

16 Gibbons, J F Ion implantation in semiconductors Part 2 Damage production and annealing/Gibbons J F //ProcIEEE - 1972 -№9 -P 1062-1096

17 Ежевский, А А Фотолюминесценция нанокристаллического кремния, полученного методом имплантации ионов инертных газов / Ежевский А А, Лебедев М Ю , Морозов С В // ФТТ - 2005 - Т 47(1) - С 22-25

18 Атомно-силовая микроскопия кремния, модифицированного ионной бомбардировкой / А А Ежевский, А Ф Хохлов, Г А Максимов, Д О Филатов, М Ю Лебедев Вестник Нижегородского Университета -2000 -В 1(3) -С 221-229

19 Влияние упругих волн, возникающих при ионной бомбардировке, на структурное совершенство полупроводниковых кристаллов / П В Павлов, Ю А Семин, В Д Скупов, Д И Тетельбаум//ФТП -1986 -Т20(3) - С 503-507

Основные публикации по теме диссертации

А 1 Тетельбаум, Д И Механическая модель аморфизации при ионном облучении / ДИ Тетельбаум,Ю А Менделева//ФТТ -2004 -Т46 -В 11 -С 1960-1963 А 2 Two mechanisms of nanocrystals formation under ion irradiation of silicon / A A Ezhevskii, D I Tetelbaum, Yu A Mendeleva, D V Guseinov, E V Kiseleva // Nucl Instr Meth В -2007 - Vol 257 -P 68-70

A 3 Ионно-лучевое наноструктурирование кремния - новый метод создания светоизлучающих слоев / А А Ежевский, Д И Тетельбаум, А H Михайлов, M Ю Лебедев, Ю А Менделева, С В Морозов, Д В Гусейнов // Известия академии инженерных наук им AM Прохорова Технология материалов и компонентов электронной техники -2004 — Т7 — С 17-27

А 4 Менделева, Ю А Влияние температуры отжига на фотолюминесценцию и ЭПР ионно-облученного кремния / Ю А Менделева // Материалы Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы» (Москва, Зеленоград, 16-17 ноября 2005 г)- С 117-121 А 5 Влияние интерфейсов на оптические и люминесцентные свойства наноструктур на основе кремния /ЕС Демидов, Д И Тетельбаум, О H Горшков, А H Михайлов, Ю А Менделева, С В Морозов, Д M Гапонова // Тезисы V Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (02Т5) (Ульяновск, 23-27 июня 2003 г ) - 2003 - С 200-201

А 6 О природе спектров фотолюминесценции в кремниевых наноструктурах, полученных ионным облучением / Д И Тетельбаум, А H Михайлов, Ю А Менделева, Е А Петриченко, С В Морозов // Тезисы V Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ-2003)» (Минск, Белоруссия, 6-9 октября 2003 г ) -2003 - С 306-307

А 7 Менделева, Ю А Влияние дозы и температуры отжига на свойства наноструктурированных ионным облучением слоев / Ю А Менделева, Д И Тетельбаум // Пятая Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике (С-Петербург, Россия 1 - 5 декабря 2003 г ) - 2003 - С 45

А 8 Оптимизация люминесцентных свойств кремния, облученного ионами средних энергий / Д И Тетельбаум, Ю А Менделева, А H Михайлов, А А Ежевский, M Ю Лебедев // Тезисы докладов Десятой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, Россия, 2-3 марта 2004 г ) - 2004 - Т 1 - С 237-238 А 9 About the Luminescence Mechanisms of Composite a-Si nc-Si System Obtained by Ion-Beam Amorphization m the Wide Dose Region / D I Tetelbaum, A A Ezhevskii, A N Mikhaylov, M Yu Lebedev, Yu A Mendeleva, R G Ershov, S V Morozov // Proceedings of MRS Spring Meeting (San-Francisco, CA, USA April 12-16 2003) - 2004 - V 808 -A4 36

A10 Ионно-лучевой синтез и свойства нанокристаллов кремния в различных матрицах (a-Si, Si02, А1203) / Д И Тетельбаум, О H Горшков, А H Михайлов, Ю А Менделева, А И Белов, С В Морозов // Труды Всероссийского совещания «Нанофотоника-2004» (Н Новгород, ИФМ РАН, 2-6 мая 2004 г ) - 2004 - С 291 А 11 Моделирование методом Монте-Карло формирования аморфно-нанокристаллических слоев в кремнии при ионном облучении /АН Михайлов, Ю А Менделева, Р Г Ершов, Д И Тетельбаум // Тезисы докладов 34-й Международной

конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, Россия, 31 мая-2 июня 2004 г ) - 2004 - С 73

А 12 Влияние условий ионного облучения и отжига на фотолюминесцентные свойства ионно-синтезированных аморфно-кристаллических слоев кремния / ЮА Менделева, А Н Михайлов, Д И Тетельбаум, С А Трушин // Тезисы докладов IV Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С. Петербург, Россия, 5-8 июля 2004 г ) - 2004 - С 140 А 13 Amorphization by ion beam - a new way for development of silicon nanostructures luminescent at room temperature / D I Tetelbaum, A A Ezhevskn, A N Mikhaylov, M Yu Lebedev, Yu A Mendeleva, R G Ershov, S V Morozov // Proceedings of European Microelectronics and Packaging Symposium EMPS-2004 (Prague, Czech Republic, 16-18 June 2004) -2004 -P 535-545

A 14 Влияние условий ионной имплантации и отжига на фотолюминесценцию системы a-Si/nc-Si / Ю А Менделева, А Н Михайлов, Д И Тетельбаум, С В Оболенский // Тезисы докладов VII Всероссийского семинара "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, Россия, 26-29 октября

2004 г) -2004 -С 41-42

А 15 Исследование процессов формирования и свойств кремниевых наноструктур, полученных ионно-лучевым методом /АН Михайлов, Ю А Менделева, А И Белов // Тезисы докладов 12-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, Зеленоград, 19-21 апреля 2005 г) - 2005 - С 34-35

А16 Некоторые закономерности фотолюминесценции ионно-облученного (наноструктурированного) кремния / Д И Тетельбаум, А А Ежевский, Ю А Менделева, Д В Гусейнов, И В Зайцева, Д М Гапонова // Тезисы докладов 35-ой Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, Россия, 30 мая - 1 июня 2005 г ) - 2005 - С 157 А 17 Моделирование процесса формирования аморфно-кристаллических слоев в кремнии при ионном облучении / Ю А Менделева, Д И Тетельбаум, С В Оболенский, И В Зайцева // Тезисы 3-й Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, Россия, 13-18 июня 2005 г) -2005 -С 154

А18 Фотолюминесцентные свойства кремниевых наноструктур, полученных ионной бомбардировкой / ДВ Гусейнов, МЮ Лебедев, ЮА Менделева, А А Ежевский, ДИ Тетельбаум // Материалы Международной научной конференции «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, Россия, 22-26 ноября 2005 г ) - 2005 -Часть 1 -С 197-200

А 19 Менделева, Ю А Свойства ионно-синтезированных аморфно-кристаллических слоев кремния / Менделева Ю А, Тетельбаум Д И // Труды четвертой межрегиональной молодежной научной школы "Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники физические свойства и применение" (Саранск, Россия, 5-7 октября

2005 г) -2005 -С 81

А 20 Менделева, Ю А О формировании и трансформации светоизлучающего наноструктурированного слоя в кремнии при ионном облучении / Менделева Ю А , Тетельбаум Д И // Труды Седьмой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектроники (Санкт-Петербург, Россия, 5-9 декабря 2005 г ) — 2005 — С 61

А 21 Эволюция структуры кремния при получении светоизлучающих слоев путем ионного облучения / Ю А Менделева, Е В Киселева, Е С Коваленко, Д В Гусейнов, А А Ежевский, Д И Тетельбаум // Тезисы докладов I Всероссийской конференции "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород, Россия, 24-27 октября 2006 г ) - 2006 - С 42-43

А 22 Оптические свойства кремния, наноструктурированного ионным облучением / Ю А Менделева, А Ю Дудин, А И Белов, Е В Волкова, В Г Шенгуров, Д И Тетельбаум // Тезисы докладов 37-ой Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, Россия, 28 мая - 30 мая 2007 г) -2007 -С 117

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор литературы.

1.1. Кремний как материал оптоэлектроники.

1.2. Свойства квантовых точек.

1.3. Пути улучшения светоизлучающих свойств кремния.

1.4. Свойства аморфного кремния.

1.5. Система нанокристаллов кремния в матрице a-Si, полученная без применения ионного облучения.

1.6. Система нанокристаллов кремния в матрице a-Si, полученная с помощью ионного облучения.

1.7. Кинетика накопления дефектов при ионном облучении.

1.8. Модели аморфизации.

1.9. Формулировка задач исследований.

ГЛАВА 2. Исследование закономерностей влияния условий ионного облучения на свойства системы д-Si/nc-Si при дозах, близких к дозе аморфизации (область «малых» доз).

2.1. Методика эксперимента.

2.2. Фотолюминесцентные свойства системы a-Si/nc-Si, полученной путем облучения Si ионами Аг+ и Ne+.

2.3. Немонотонность дозовой зависимости концентрации VV-центров.

2.4. Оптические свойства a-Si/nc-Si и a-Si, полученных ионным обучением в области «малых» доз. Модель люминесценции.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. Компьютерный расчет (моделирование) процесса эволюции наноструктуры Si при ионном облучении в области «малых» доз.

3.1. Введение.

3.2. Алгоритм расчета кинетики формирования нанокомпозитной системы «-Si:nc-Si.

3.2. Результаты моделирования и их обсуждение.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. «Механическая» модель формирования нанокристаллов кремния в области «больших» доз.

4.1. Введение.

4.2. Люминесцентные свойства и структура кремния при «больших» дозах.

4.3. Формулировка модели и теоретические оценки.

4.4. Выводы.

Актуальность темы

Кремний - наиболее распространенный элемент земной коры, сыграл выдающуюся роль в полупроводниковой электронике. Сама природа позаботилась о том, чтобы обеспечить этому материалу лидерство: практически неограниченные сырьевые ресурсы, физико-химические свойства, облегчающие глубокую очистку от примесей и дефектов, близкие к идеальным для планарной технологии свойства термического окисла и др. По оценкам специалистов, ведущее положение кремния в микроэлектронике сохранится и в обозримом будущем. Однако в последнее время лидерству кремния был брошен серьезный вызов в связи с новым этапом в развитии информационных технологий. Непрерывное повышение требований к быстродействию интегральных схем, развитие систем волоконной оптики в коммуникационных сетях и другие факторы выдвинули на первый план оптоэлектронику, как альтернативу традиционной микроэлектронике. Действительно, возможности дальнейшего повышения быстродействия могут быть достигнуты только путем замены электрических связей между активными элементами на оптические. Кроме того, развитие волоконной оптики потребовало разработки комплекса новых светоизлучающих и фотоэлектронных устройств.

Актуальность работы продиктована необходимостью разработки физических основ формирования созданных на основе кремния материалов, обладающих свойствами, которые обеспечили бы применение этого непрямозонного полупроводника для задач оптоэлектроники. Создание излучателей света на основе кремния имеет исключительно важное значение, так'как это в конечном итоге позволило бы инкорпорировать в монолитные интегральные схемы устройства, генерирующие и преобразующие не только электрические, но и оптические сигналы.

Главная проблема, возникающая на пути оптоэлектронных применений кремния, состоит в низкой эффективности собственной люминесценции, обусловленной, в первую очередь, непрямозонностью энергетической структуры этого полупроводника. Среди различных подходов к решению проблемы важное место занимает наноструктурирование путем создания нанокристаллов Si (квантовых точек), погруженных в широкозонную матрицу SiC>2 (система SiC^inc-Si). Однако, диэлектрический характер матрицы SiC>2 затрудняет функционирование в устройствах с токопереносом, например, в светодиодах.

В НИФТИ ННГУ был предложен один из способов наноструктури-рования, который заключается в облучении поверхности кремния ионами инертных газов. Идея основана на том, что в области доз облучения, близких к дозе аморфизации, внутри аморфного слоя сохраняются наноразмер-ныё кристаллические области, способные выполнять роль квантовых точек. Было экспериментально установлено, что такая система д-Si/nc-Si обладает фотолюминесценцией в красном и ближнем ИК диапазоне, и при этом спектр фотолюминесценции оказался близким к спектру системы SiC^nc-Si. Было обнаружено, что аналогичный спектр фотолюминесценции наблюдается также в случае облучения кремния ионами инертных газов при дозах, намного превышающих дозу аморфизации. Однако, закономерности формирования данных систем, механизмы люминесценции и её особенности в зависимости от условий облучения оставались мало изученными.

Исследование светоизлучающих свойств ионно-облученного кремния важно не только само по себе, но и для расширения фундаментальных знаний о свойствах нового, более широкого класса материалов - композитных аморфно-нанокристаллических полупроводников. Это способствовало бы поискам путей применения материалов такого типа в качестве функциональных элементов наноэлектронных устройств различного назначения.

Цель и основные задачи работы

Цель работы - разработка физических основ создания светоизлучающих в красном и ближнем ИК-диапазоне наноструктур в кремнии при облучении ионами электрически неактивных элементов.

Основные задачи работы:

1. Детальное исследование люминесцентных свойств кремния, нанострук-турированного облучением ионами инертных газов при дозах, близких к дозе аморфизации («малые» дозы), изучение связанных с процессом формирования и эволюции наноструктур особенностей дозовых зависимостей концентрации парамагнитных центров.

2. Компьютерное моделирование процесса формирования и эволюции системы нанокристаллов в ионно-облученном «малыми» дозами кремнии с учетом вторичных процессов.

3. Исследование оптических свойств кремния, облученного «малыми» дозами ионов инертных газов, и уточнение модели фотолюминесценции аморфного слоя, содержащей нанокристаллы Si.

4. Разработка модели формирования светоизлучающих нанокристаллов кремния для «больших» доз ионного облучения.

Научная новизна работы

1. Впервые установлена зависимость фотолюминесценции слоев аморфи-зованного кремния, содержащих нанокристаллические включения, при облучении ионами средних масс - Аг+ и Ne+ в области «малых» доз, от дозы, температуры отжига и температуры измерения.

2. Предложен и реализован модифицированный алгоритм компьютерного расчета процесса формирования слоев, состоящих из нанокристаллов Si в аморфной кремниевой матрице, с учетом вторичных процессов при ионном облучении.

3. Впервые установлена немонотонность дозовой зависимости концентрации ЭПР-центров, обусловленная формированием наносистемы a-Si:nc-Si и коррелирующая с дозовой зависимостью фотолюминесценции в красной и ближней РЖ-области спектра.

4. На основе исследования оптических свойств ионно-облученного кремния предложен уточненный механизм фотолюминесценции аморфизо-ванного слоя, содержащего нанокристаллы кремния.

5. Предложена и обоснована количественными оценками «механическая» модель формирования нанокристаллов кремния при ионном облучении для доз, существенно превышающих дозу аморфизации.

Практическая ценность

1. Разработанный алгоритм расчета формирования аморфизованных слоев с нанокристаллами кремния позволяет прогнозировать диапазон доз ионного облучения, в котором имеет место максимальная интенсивность фотолюминесценции, а также может быть использован для решения других задач, в которых применяется способ наноструктурирования путем частичной аморфизации полупроводников ионными пучками (полупроводниковые газовые датчики, каталитические системы и др.).

2. Показана возможность оптимизации люминесцентных свойств слоев аморфизованного кремния, содержащих нанокристаллические включения, путем вариации дозы имплантации Si.

3. Установленная связь между фотолюминесцентными, парамагнитными свойствами и наноструктурированием может быть использована как средство диагностики и мониторирования процесса формирования наноструктур при ионном облучении.

4. Подход к процессу наноструктурирования, предложенный для области «больших» доз, может быть использован не только в случае ионного облучения, но и при других способах обработки материалов, при которых формируются неоднородные в наномасштабе области, например, при импульсном лазерном (электронном) облучении структур с наноли-тографическим рисунком или шероховатых поверхностей.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Экспериментально найденный немонотонный характер дозовой зависимости интенсивности фотолюминесценции Si и согласие с результатами расчетов эволюции структуры облученного слоя, выполненных с использованием предложенного в работе алгоритма, подтверждают, что фотолюминесценция при дозах, близких к дозе аморфизации, обусловлена процессом наноструктурирования.

2. Процесс наноструктурирования при дозах, близких к дозе аморфизации, является причиной немонотонной дозовой зависимости концентрации парамагнитных центров.

3. «Механическая» модель фрагментации кремния при «больших» дозах позволяет объяснить формирование нанокристаллов, с которыми связанны люминесцентные свойства.

Личный вклад автора

Основные эксперименты и расчеты были спланированы автором совместно с научным руководителем. Самостоятельно выполнялись подготовка образцов, исследования ЭПР и люминесцентных свойств, обработка и анализ результатов, а также разработка и реализация алгоритма компьютерного расчета ионно-лучевого формирования слоев, состоящих из нанокристаллов Si в аморфной матрице. Ионная имплантация производилась вед. инж. НИФТИ В.К. Васильевым. В расчетах принимали участие Е.В.Волкова и Е.СДСоваленко. Экспериментальные данные, используемые при разработке модели формирования нанокристаллов в области «больших» доз предоставлены д.ф.-м.н. А.А. Ежевским.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы опубликованы [А1-А26] и докладывались на следующих конференциях и семинарах: V Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (02Т5) (Ульяновск, 2003), V Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ-2003)» (Минск, Белоруссия, 2003), Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике (С-Петербург, 2003, 2005), Десятая ежегодная международная научно-технической конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2004), Нижегородская сессия молодых ученых (Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007), Всероссийское совещание «Нанофотоника-2004» (Н.Новгород, 2004), Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2004, 2005, 2007), IV Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С. Петербург, 2004), MRS Spring Meeting 2004 (San-Francisco, CA, USA, 2004), European Microelectronics and Packaging Symposium EMPS-2004 (Prague, Czech Republic, 2004), Межрегиональная научная школа для студентов и аспирантов «Материалы нано-, микро- и оптоэлек-троники: физические свойства и применение» (Саранск, 2004, 2005), Всероссийский семинар (Н.Новгород, 2004), 12-й Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, Зеленоград, 2005), Международная научная конференция «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005), Международная научная конференция «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, 2005), Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы» (Москва, Зеленоград, 2005), Всероссийская конференция «Физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2006).

Ряд докладов отмечен дипломами: диплом лауреата 12-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, Зеленоград, 2005), диплом 1-ой Всероссийской конференции «Физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2006).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 4 статьи и 18 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, «Общих выводов» и «Заключения». Объем диссертации составляет 116 страниц, включая 95 страниц печатного текста, 3 таблицы, 31 рисунок, список литературы, который содержит 156 наименований и список публикаций по теме диссертации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен и реализован алгоритм компьютерного расчета процесса ионно-лучевого формирования композитных слоев, состоящих из на-нокристаллов Si в аморфной матрице (a-Si:nc-Si), учитывающий вторичные процессы при ионном облучении, в области доз, близких к дозе аморфизации (области «малых» доз).

2. Экспериментально полученный при ионном облучении Ne+ и Аг+ характер дозовой зависимости ФЛ в области «малых» доз совпадает с характером изменения концентрации нанокристаллов, установленным путем компьютерного расчета процесса формирования и эволюции наносисте-мы.

3. Впервые установлен немонотонный характер дозовой зависимости концентрации парамагнитных центров, обусловленный формированием на-носистемы tf-Si:nc-Si.

4. Путем исследования оптических свойств аморфизованного ионным облучением Si показано, что его эффективная ширина запрещенной зоны недостаточна для осуществления обычного квантового конфайнмента, обусловленного разрывом энергетических зон нанокристаллов и д-Si. Квантовый конфайнмент в системе £-Si:nc-Si обусловлен флуктуациями потенциала в аморфной матрице, окружающей нанокристаллы.

5. При «больших» дозах облучения Si люминесцирующие нанокристаллы могут формироваться вследствие фрагментации глубоких слоев монокристалла силами, связанными с акустическими волнами, испускаемыми дефектами. т

6. Предложено две альтернативные схемы фотолюминесценции в системе a-Si:nc-Si: в первой схеме возбуждение происходит независимо в каждой из компонентов системы, а во второй - излучение я-Si происходит за счет сенсибилизации возбужденными нанокристаллами Si.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует отметить, что хотя интенсивность ФЛ, полученной путем ионного облучения, ниже, чем, например, для системы Si02:nc-Si, можно рекомендовать пути её усиления. К ним относятся: увеличение толщины наноструктурированных слоев путем повышения максимальной энергии ионов, одновременно с применением полиэнергетического облучения (для сглаживания профилей повреждения); облучение более легкими ионами, имеющими большие пробеги; водородная пассивация дефектов (гидрогенизация) путем отжига в водородосодержащей среде.

Преимуществом нашего метода, является его гораздо большая экс* пресность по сравнению с ионно-лучевым синтезом системы Si02:nc-Si (требуемые дозы - на 2-3 порядка ниже) и отсутствие потребности в высокотемпературных отжигах (> 1000°С), которые не всегда совместимы с требованиями технологии.

Данный метод наноструктурирования можно применять не только для создания светоизлучающих приборов, но и для других целей, когда наличие сильно развитой дисперсности в системе a-Si:nc-Si может дать положительный эффект, например, при создании газовых датчиков, каталитических приборов и т.д. В этих случаях измерение фотолюминесценции и/или ЭПР можно будет использовать как способ мониторирования процесса эволюции дисперсности облученных слоев.

Разработанный принцип наноструктурирования применим не только для Si, но и для любых материалов, способных претерпевать переход в аморфное состояние при облучении ионными пучками.

БЛАГОДАРНОСТИ

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю - проф. Д.И. Тетельбауму, а также проф. А.А. Ижевскому за постановку настоящей работы и помощь в анализе результатов.

Высказывается искренняя признательность сотрудникам НИФТИ, физического факультета ННГУ, ИФМ РАН: вед. инж. В.К. Васильеву и за помощь в проведении ионной имплантации; проф. за помощь в проведении механико-химической обработки образцов; А.И. Белову и А.Ю. Дудину за помощь в измерении спектров пропускания; инж. М.О. Марычеву, н.с. Д.М. Гапоновой и н.с. С.В. Морозову за помощь в разработке и усовершенствовании методик оптической спектроскопии и помощь в проведении соответствующих измерений; с.н.с. А.П. Касаткину, доц. В.А. Бурдову за плодотворное обсуждение результатов; проф. Е.С. Демидову, директору НИФТИ ННГУ доц. О.Н. Горшкову, доц. В.В. Карзанову за постоянный интерес к работе и ее результатам. инж. Ю.А. Дудину В.А. Перевощикову

1. Canham, L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers / Canham L.T. // Appl. Phys. Lett. 1990. -V.57(10). -P.1046-1048.

2. Lutskii V.V. // Phys. St. Sol. 1970. -V.l. - P. 199-201.

3. Arakawa, Y. Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current / Arakawa Y., Sakaki H. // Appl. Phys. Lett. 1982. -V.40(l 1). P. 939-943.

4. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры / Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., Бимберг Д. // ФТП. 1998. - Т.32(4). - С. 385-410.

5. Electroluminescence of erbium-doped silicon / J. Palm, F. Gan, B. Zheng, J. Michel, L.C. Kimerling// Phys. Rev. B. 1996. - V.54(24). - P.17603-17615.

6. Excitation and nonradiative deexcitation processesofEr3+ in crystalline Si / F. Priolo, G. Franzo, S. Coffa, A. Camera // Phys. Rev. B. 1998. - V.57(8). -P.4443-4455.i I

7. Er-carrier interaction and its effects on the Er luminescence of erbium-doped Si/Si02 superlattices / J.H. Shin, J.-H. Jhe, S.-Y. Seo, Y.H. Ha, D.W. Moon // Appl. Phys. Lett. 2000. - V.76(24). - P.3567-3569.

8. Desurvire, E. Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Principles and Applications / E. Desurvire. New York: Wiley, 1994.

9. Priolo, F. Excitation and nonradiative deexcitation processes of Er3+ in crystalline Si / F. Priolo, G. Franzo, A. Camera // Phys. Rev. B. 1998. - Vol.57, №8.-P.4443-4455.

10. Optical properties of a single type of optically active center in Si/Si:Er nano-structures / N.Q. Vinh, H. Przybylinska, Z.F. Krasil'nik, T. Gregorkiewicz // Phys. Rev. B. 2004. - Vol.70. - P.115332.

11. Electroluminescence of erbium-doped silicon / J. Palm, F. Gan, B. Zheng, J. Michel, L.C. Kimerling// Phys. Rev. B. 1996. - Vol.54(24). -P.l7603-17615.

12. Fujii, М. Excitation of intra-4/shell luminescence of Yb by energy transfer from Si nanocrystals / M. Fujii, S. Hayashi, K. Yamamoto // Appl. Phys. Lett. -1998. Vol.73(21). - P.3108-3110.л I

13. Er ions-Si nanocrystals interactions and their effects on the luminescence properties / G. Franzo, D. Pacifici, V. Vinciguerra, F. Priolo, F. Iacona // Appl. Phy?. Lett. 2000. - Vol.76( 16) - P.2167-2169.

14. Kik, P.G. Strong exciton-erbium coupling in Si nanocrystal-doped Si02 / P.G. Kik, M.L. Brongersma, A. Polman // Appl. Phys. Lett. 2000. -Vol.76(17). - P.2325-2327.

15. Role of the energy transfer in the optical properties of undoped and Er-doped interacting Si nanocrystals / F. Priolo, G. Franzo, D. Pacifici, V. Vinciguerra, F. Iacona, A. Irrera // J. Appl. Phys. 2001. - Vol.89(l). - P.264-272.

16. Qin, G. Theory of photoluminescence from Si02 films containing Si nano-crystals and Er ions / G. Qin, G.G. Qin, S.H. Wang // J. Appl. Phys. 1999. -Vol.85(9). - P.6738-6745.

17. Silicon nanocrystals and Er3+ ions in an optical microcavity / F. Iacona, G. Franzo, E.C. Moreira, F. Priolo // J. Appl. Phys. 2001. - Vol.89(12). - P.8354-8356.

18. Han, H.-S. Optical gain at 1.54 //m in erbium-doped silicon nanocluster sensitized waveguide / H.-S. Han, S.-Y. Seo, J.H. Shin // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol.79(27). - P.4568-4570.

19. Pavesi, L. Routes toward silicon-based lasers / Lorenzo Pavesi // Materials Today. 2005. - January. - P. 18-25.

20. Dislocation-related electroluminescence at room temperature in plastically deformed silicon / V.V. Kveder, E.A. Steinman, S.A. Shevchenko, H.G. Grim-meiss // Phys. Rev. B. 1995. - V.51. - P. 10520-10526.

21. An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode / Wai Lek Ng, M.A. Lourenco, R.M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, K.P. Homewood //Nature. -2001.- V.410. P. 192-194.

22. Эффективный, кремниевый светбдиод с температурно-стабильными спектральными характеристиками / A.M. Емельянов, Н.А. Соболев, Т.М. Мельникова, S. Pizzini // ФТП. 2003. - Т.37(6). - С.756-761.

23. Silicon nanocrystal memory devices obtained by ultra-low-energy ion-beam synthesis / P. Dimitrakis et al. // Solid-State Electronics. 2004. - Vol.48. -P.1511-1517.

24. Shimizu-Iwayama, T. Visible photoluminescence in Si+-implanted thermal oxide films on crystalline Si / T. Shimizu-Iwayama, S. Nakao, K. Saitoh // Appl. Phys. Lett. 1994. - Vol.65(14). - P. 1814-1816.

25. Visible photoluminescence in Si+-mplanted silica glass / T. Shimizu-Iwayama, K. Fujita, S. Nakao, K. Saitoh, T. Fujita, N. Itoh // J. Appl. Phys. -1994. Vol.75( 12). - P.7779-7783.

26. Effects of hydrogen in the annealing environment on photoluminescence from Si nanoparticles in Si02 / S.P. Withrow, C.W. White, A. Meldrum, J.D. Budai, D.M. Hembree, Jr., J.C. Barbour // J. Appl. Phys. 1999. - Vol.86(l). -P.396-401.

27. Visible light emission from Si nanociystals grown by ion implantation and subsequent annealing / S. Guha, M.D. Pace, D.N. Dunn, I.L. Singer // Appl. Phys. Lett. 1997. - Vol.70(10). - P. 1207-1209.

28. Optical and electron paramagnetic resonance study of light-emitting Si+ ion implanted silicon dioxide layers / M.Ya. Valakh, V.A. Yukhimchuk, V.Ya. Bra-tus', A.A. Konchits; P.L.F. Hemment, T. Komoda // J. Appl. Phys. 1999. -Vol.85(1). - P.168-173.

29. Red electroluminescence in Si+-implanted sol-gel-derived Si02 films / K. Luterova, I. Pelant, J. Valenta, J.-L. Rehspringer, D. Muller, J.J. Grob, J. Dian, B. Honerlage // Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol.77(19). - P.2952-2954.

30. Boeringer, D.W. Avalanche amplification of multiple resonant tunneling through parallel silicon microcrystallites / D. W. Boeringer, R. Tsu // Phys. Rev. B. 1995. - V.51. -P.13337-13343.

31. Quantum confinement energy in nanocrystalline silicon dots from high-frequency conductance measurement / S. Huang, S. Banerjee, R.T. Tung, S. Oda //J. Appl. Phys. 2003. - V.94(l 1). - P.7261-7265.

32. Pelaz, L. Ion-beam-induced amorphization and recrystallization in silicon / L. Pelaz, L.A. Marques, J. Barbolla // J.Appl.Phys. 2004. - V.96(ll). -P.5947-5976.

33. Аморфные полупроводники. Под ред. М. Бродски. Перевод с англ. -М.: Мир, 1982.-419 с.

34. Мотт Н., Девис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 472 с.

35. Structural, optical and electrical properties of amorphous silicon films / M. H. Brodsky, R. S. Title, K. Weiser, G. D. Pettit // Phys.Rev.B. 1970. - V.l(6). -P.2632-2641.

36. Stich, I. Bonding and disorder in liquid silicon /1. Stich, R. Car, and M. Par-rinello // Phys. Rev. Lett. 1989. - V.63. - P.2240-2243.

37. High resolution radial distribution function of pure amorphous silicon / K. Laaziri, S. Kycia, S. Roorda, H. Chicoine, J. L. Robertson, J. Wang, and C. S. Moss // Phys. Rev. Lett. 1999. - V.82. - P.3460-3463.

38. High resolution radial distribution function of pure amorphous silicon / Kha-lid Laaziri, S. Kycia, S. Roorda, M. Chicoine, J. L. Robertson, J. Wang, S. C. Moss // Phys. Rev. Lett. 1999. - V.82. - P.3460-3463.

39. Ju.Yin Cheng, J.M. Gibson, P.M. Baldo, and B.J. Kestel. J.Vac.Sci.Technol.A. V20, 6, 1855 (2002).

40. Polk, D. Superconductivity in "amorphous" transition-metal alloy films / D. Polk, D.S. Bondreax // Phys.Rev.Lett. 1973. - V.30. - P.92-95.

41. В.П. Захаров, B.C. Герасименко. Структурные особенности полупроводников в аморфном состоянии. Наукова думка, Киев, 1976. 280 с.

42. Физические процессы в облученных полупроводниках. / Под ред. JT.C. Смирнов. Новосибирск, «Наука», 1977. 256 с.

43. Герасименко, Н.Н. Исследование дефектообразования в облученных ионами кремнии методом ЭПР // Герасименко Н.Н., Двуреченский А.В., Смирнов Л.С. // ФТП. 1971. -Т.5(9). - С. 1700-1705.

44. Rakvin, В. Electron paramagnetic resonance study of amorphous silicon produced by Kr + ion implantation into silicon / B. Rakvin, B. Pivac, R. Reitano // J.Appl.Phys. 1997. - V.81. - P.3453-3456.

45. Хохлов, А.Ф. Ферромагнетизм кремния, обусловленный радиационными дефектами / А.Ф. Хохлов, П.В. Павлов // Письма в ЖЭТФ. 1976. -Т.24(4). - С.238-240.

46. Quasiferromagnetism in semiconductors / Т. Dubroca, J. Hack, R. E. Hummel, A. Angerhofer //Appl. Phys. Lett. -2006. -V.88. -P.1825041-1825403.

47. Вопросы радиационной технологии полупроводников. / Под ред. Л.С. Смирнов. Новосибирск, «Наука», 1980. 294 с.

48. Vasquez, R.P. Spectroscopic ellipsometry and x-ray photoelectron spectroscopy studies of the annealing behavior of amorphous Si produced by Si ion implantation / R.P. Vasquez, A.Madhukar, A. R. Tanguay, Jr. // J.Appl.Phys. -1985. V.58. - P.2337-2343.

49. Ion dose effect in subgap absorption spectra of defects in ion implanted GaAs and Si / U. Zammit, F. Gasparrini, M. Marinelli, R. Pizzoferrato, A. Agos-tini,F.Mercuri// J.Appl.Phys. 1991.-V.70(l 1).-P.7060-7064.

50. Gap-states distribution of ion-implanted Si and GaAs from subgap absorption measurements / U. Zammit, M. Marinelli, R. Pizzoferrato, F. Mercuri // Phys. Rev. В. 1992. - V.46. - P.7515 - 7518.

51. Optical-absorption studies of ion-implantation damage in Si on sapphire / U. Zammit et.al. // Phys. Rev. B. 1994. - V.49(20). - P.14322-14330.

52. Calorimetric evidence for structural relaxation in amorphous silicon / S. Ro-orda, S. Doom, W. C. Sinke, P. M. L. O. Scholte, E. van Loenen // Phys. Rev. Lett.- 1989.-V.62:-P.1880-1883.

53. Homogeneous and interfacial heat releases in amorphous silicon / E. P. Donovan, F. Spaepen, J. Poate, D. Jacobson // Appl. Phys. Lett. 1989. - V.55. -P.1516-1518.

54. N. Nagasima and N. Kubota, J. Vac. Sci. Technol. 1, 54 (1977).

55. Fan, J. Transition temperatures and heats of crystallization of amorphous Ge, Si, and GeixSix alloys determined by scanning calorimetry / J. Fan, H. Andersen // J. Appl. Phys. 1981. - V.52. - P.4003-4006.

56. Amorphization process and structural relaxation in ion implanted Si / T.Motooka et.al. // Jap. J.Appl.Phys. 1993. - V.32. - P.318-321.

57. Фотолюминесценция тонких пленок аморфно-нанокристаллического кремния / Голубев В.Г., Медведев А.В., Певцов А.Б., Селькин А.В., Феоктистов Н.А. // ФТТ. -1999. -Т. 41. С. 153-158.

58. Павлов Д. А. Структурная модификация пленок кремния в процессе роста и легирования. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Н. Новгород. - 2001. - 344 с.

59. Формирование аморфно-кристаллических нанокомпозиций кремния путем облучения тяжелыми ионами / Тетельбаум Д.И., Шенгуров В.Г., Шенгуров Д.В., Питиримова Е.А., Питиримов А.В. // Поверхность. 1998. -№5. С.34-37.

60. Тетельбаум, Д.И. Компьютерное моделирование формирования аморфно-кристаллической двухфазной наносистемы при ионном облучении кремния / Д.И. Тетельбаум, С.А. Трушин, А.В. Питиримов // Известия РАН. Сер. физ. 2000. Т.64( 11). - С.2168-2169.

61. Электронно-микроскопическая диагностика аморфно-кристаллических наносистем, полученных путем бомбардировки кремния ионами Кг+ / А.В.

62. Питиримов, Е.А. Питиримова, Д.И. Тетельбаум, В.Г. Шенгуров, А.Ф. Хохлов // Поверхность. 1999. - №. 5-6. - С.11 -13.

63. Luminescence of silicon nanostructured by irradiation with heavy ions / D.I. Tetelbaum, S.A. Trushin, Z.F. Krasil'nik, D.M. Gaponova, A.N. Mikhaylov // Optical Materials. -2001. V.17(l-2). -'P.57-59.

64. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов M.A., Темкин М.М. Пространственные распределения энергии, выделенной в каскадах атомных столкновений в твердых телах. М., Энерготехиздат, 1985. 248с.

65. Атомно-силовая микроскопия кремния, модифицированного ионной бомбардировкой. / А.А. Ежевский, А.ф. Хохлов, Г.А. Максимов, Д.О. Филатов, М.Ю. Лебедев. Вестник Нижегородского Университета. 2000. -В.1(3).-С. 221-229.

66. Ежевский, А.А. Фотолюминесценция нанокристаллического кремния, полученного методом имплантации ионов инертных газов / Ежевский А.А., Лебедев М.Ю., Морозов С.В. // ФТТ. 2005. - Т.47(1). - С.22-25.

67. Спонтанно-акустическое гиперзвуковое дальнодействующее стимулирование синтеза нитрида кремния при ионном облучении аргоном / Е.С.Демидов, В.В.Карзанов, К.А.Марков, В.В.Сдобняков // ЖЭТФ. 2001. - ТЛ 20, вып. 3(9). -С. 637-649.

68. Motooka, Т. Amorphization processes in ion implanted Si: Ion species effects / T. Motooka; O. W. Holland //'Appl.Phys.Lett. 1992. - Vol.61. -P.3005-3007.

69. Holland, O.W. Damage nucleation and annealing in MeV ion-implanted Si /0. W. Holland, M. K. El-Ghor, C. W. White // Appl.Phys.Lett. 1988. -Vol.53.-P.1282-1284.

70. Ishimaru, M. Transmission electron microscopy studies of crystal-to-amorphous transition in ion implanted silicon / M. Ishimaru, S. Harada, T. Motooka //J.Appl.Phys. 1997. - Vol.81. - P. 1126-1130.

71. Priolo, F. Low-temperature reordering in partially amorphized Si crystals / F. Priolo, A. Battaglia, R. Nicotra, E. Rimini // Appl.Phys.Lett. 1990. -Vol,57. - P.768-770.

72. Battaglia, A. Mechanisms of amorphization in crystalline silicon / A. Battaglia, S. U. Campisano//J.Appl.Phys. 1993.- Vol.74. -P.6058-6061.

73. Priolo, F. Ion-beam-induced epitaxial crystallization and amorphization in silicon /F. Priolo, E. Rimini //Mater.Sci.Rep. 1990. - Vol.5. -P.319-379.

74. Atwater, H. A. Grain boundary mediated amorphization in silicon during ion irradiation / H. A. Atwater, W. L. Brown // Appl.Phys.Lett. 1990. - Vol.56. -P.30-32.

75. Goldberg, R. D.< Preferential amorpHization at extended defects of self-ion-irradiated silicon / R. D. Goldberg, J. S. Williams, R. G. Elliman // Phys.Rev.Lett. 1999. - Vol.82. -P.771-774.

76. Battaglia, A. Ion-induced annealing and amorphization of isolated damage clusters in Si / A. Battaglia, F. Priolo, E. Rimini // Appl.Phys.Lett. -1990. -Vol.56.-P.2622-2624.

77. Defect accumulation during ion irradiation of crystalline Si probed by in situ conductivity measurements / A. Battaglia, S. Coffa, F. Priolo, C. Spinella // Appl.Phys.Lett. 1994. - Vol.65. - P.306-308.

78. ESR and optical absorption studies of ion-implanted silicon / B. L. Crowder, R. S. Title, M. H. Brodsky, G. D. Pettit // Appl.Phys.Lett. 1970. - Vol.16. -P.205-208.

79. Production and annealing of lattice disorder in silicon by 200-keV boron4ions / J. E. Westmoreland, G. W. Mayer, F. H. Eisen, B. Welch // Appl. Phys. Lett. 1969. - Vol.15. - P.308-311.

80. Temperature dependence of lattice disorder created in Si by 40 keV Sb ions / S. T. Picraux, J. E. Westmoreland, J. W. Mayer, R. R. Hart, O. J. March // Appl. Phys. Lett. 1969. - Vol. 14. - P.7-9.

81. Mechanisms of amorphization in ion implanted crystalline silicon / S. U. Campisano, S. Coffa, V. Raineri, F. Priolo, E. Rimini // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. В. 1993.-Vol.80-81.- P.514-518.

82. Dennis, J. R. Crystalline to amorphous transformation in ion-implanted silicon: a composite model / J. R. Dennis, E. B. Hale // J.Appl.Phys. 1978. -Vol.49.-P.l 119-1127.

83. Morehead, F.F. Formation of amorphous silicon by ion bombardment as a function of ion, temperature, and dose // F. F. Morehead, B. L. Crowder, R. S. Title // J.Appl.Phys. 1972. - Vol.43. - P. 1112-1118.

84. Effect of irradiation temperature on Si amorphization process / E. C. Bara-nova, V. M. Gusev, Y. V. Martynenko, I. B. Haibullin // Radiation Effects and Defects in Solids 1975. - Vol.25. - P. 157-162.

85. A model for the formation of amorphous Si by ion bombardment / F. F. Morehead, B. L. Crowder // Radiation Effects and Defects in Solids 1970. -Vol.6.-P.27-32.

86. Goldberg, R.D. The kinetics of self ion amorphization of silicon / R. D. Goldberg, R. G. ElHman, J. S. Williams //Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1993. - Vol.80/81. - P.596-599.

87. Вавилов B.C., Кив A.E., Ниязова O.P. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках. М.: Наука, 1981. - 368 с.

88. Морозов, Н.П. Закономерности накопления дефектов при облучении полупроводников легкими ионами / Морозов Н.П., Тетельбаум Д.И. // ФТП. 1980.-Т.14(5).-С.934-938.

89. Романов С.Н., Мелькер А.И. Атермическое образование вакансион-ных кластеров в каскадах атомных смещений // ЖТФ. 1981. - №6.1. C.1252-1257.

90. Винецкий B.JL, Холодарь Г.А. Радиационная физика полупроводников. Киев: Наук.думка, 1979. - 336 с.

91. Тетельбаум Д.И. Вторичные процесс при ионной имплантации полупроводников. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Горький. - 1987. - 482 с.

92. Waite, T.R. Theoretical treatment of the kinetics of diffusion-limited reactions / Waite T.R. // Phys.Rev. 1957. - V. 107(2). - P.463-470.

93. Waite, T.R. General theory of biomolecular reaction rates in solid and liquids / Waite T.R. // J.Chem.Phys. 1958,- V.28(l). - P. 103-106.

94. Титов, А.И. Кинетика роста поверхностных аморфных слоев при облучении кремния легкими ионами низких энергий / А.И. Титов, АЛО. Азаров, B.C. Беляков // ФТП. 2003. - Т.37(3). -С.358-364.

95. Mechanism for the molecular effect in Si bombarded with clusters of light atoms / A.I. Titov, A.Yu. Azarov, L.M. Nikulina, S.O. Kucheyev // Phys.Rev.B. 2006. - V.73. - P.064111-064117.

96. Atomistic calculations of ion implantation in Si: Point defect and transient enhanced diffusion phenomena / M. Jaraiz, G. H. Gilmer, J. M. Poate, T. D. de la Rubia // Appl.Phys.Lett. 1996. - V.68(3). - P.409-411.

97. Prussin, S. Formation of amorphous layers by ion implantation / S. Prussin,

98. D. I. Margolese, R. N. Tauber// J. Appl. Phys. 1985. - Vol.57. - P.l80-185.

99. Picraux, S.T. Ionization, thermal, and flux dependences of implantation disorder in silicon / S. T. Picraux, F. L. Vook // Radiation Effects and Defects in Solids 1971. - Vol. 11. - P.179-192.

100. Ion implantation of Si by 12C, 29Si, and 120Sn: Amorphization and annealing effects / K. W. Wang, W. G. Spitzer, G. K. Hubber, D. K. Sadana // J.Appl.Phys. 1985. - Vol.58. - P.4553-^564.

101. McGill, T.C. Optical Reflection Studies of Damage in Ion Implanted Silicon / Т. C. McGill, S. L. Kurtin, G. A. Schifrin // J. Appl. Phys. 1970. -Vol.41.-P.246-251.

102. Swanson, M.L. Damaged regions in neutron-irradiated and ion-bombarded Ge and Si / M. L. Swanson, J. R. Parsons, C. W. Hoelke // Radiation Effects and Defects in Solids 1971. - Vol.9. -P.249-256.

103. Chadderton, L.T. On the annealing of damage produced by boron ion implantation of silicon single crystals / L. T. Chadderton, F. H. Eisen // Radiation Effects and Defects in Solids 1971. - Vol.7. - P. 129-138.

104. Cerva, H. Comparison of Transmission Electron Microscope Cross Sections of Amorphous-Regions in Ion Implanted Silicon with Point-Defect Density Calculations / H. Cerva, G. Hobler // J. Electrochem. Soc. 1992. - Vol.139. -P.3631-3638.

105. Holland, O.W. New model for damage accumulation in Si during self-ion irradiation / O.W. Holland, S.J. Pennycook, G. L. Albert // Appl.Phys.Lett. -1989.-Vol.55.-P.2503-2505.

106. Holland, O.W. Damage nucleation and annealing in MeV ion-implanted Si /0. W. Holland, M. K. El-Ghor, C. W. White // Appl.Phys.Lett. 1988. -Vol:53.-P.1282-1284.

107. Dose rate dependence of damage clustering during heavy ion irradiation in Si / 0. W. Holland, D. Fathy, J. Narayan; O. S. Oen // Radiation Effects and Defects in Solids 1985. - Vol.90. - P. 127-139.

108. Corbett, J.W. Ion-induced defects in semiconductors / J. W. Corbett, J. Ka-rins, T. Y. Tan // Nucl. Instrum. Methods 1981. - Vol. 182-183. - P.457-476.

109. MeV, self-ion implantation in Si at liquid nitrogen temperature; a study of damage morphology and its anomalous annealing behavior / O. W. Holland, C. W. White, M. K. El-Ghor, J. D. Budai // J. Appl.Phys. 1990. - Vol.68. -P.2081-2086.

110. Ion-beam proc'essing of silicon at keV energies: A molecular-dynamics study / M.-J. Caturla, T. D. de la Rubia, L. A. Marques, G. H. Gilmer // Phys.Rev.B 1996. - Vol.54. - P. 16683-16695.

111. Howe, L.M. Features of collision cascades in silicon as determined by transmission electron microscopy / L. M. Howe, M. H. Rainville // Nucl. In-strum. Methods Phys. Res. 1981. - Vol. 182/183. - P. 143-151.

112. A model for the formation of amorphous Si by ion bombardment / F. F. Morehead, B. L. Crowder // Radiation Effects and Defects in Solids 1970. -Voli6. - P.27-32.

113. Gibbons, J.F. Ion implantation in semiconductors. Part 2: Damage production and annealing / Gibbons J.F. // Proc.IEEE. 1972. - №9. - P. 1062-1096.

114. Dennis, J.R. Amorphization of silicon by ion implantation: Homogeneous or heterogeneous nucleation? / J. R. Dennis, E. B. Hale // Radiation Effects and Defects in Solids 1976. - Vol.30. - P.219-225.

115. Thompson, D.A. High density cascade effects / D. A. Thompson // Radiation Effects and Defects in Solids 1981. - Vol.56. - P. 105-150.

116. Atomic structure of collision cascades in ion-implanted silicon and channeling effects / J. Narayan, O. S. Oen, D. Fathy, O. W. Holland // Mater. Lett. -1985.-Vol.3.-P.67-72.

117. On silicon amorphization during different mass ion implantation / E. C. Ba-ranova, V. M. Gusev, Y. V. Martynenko,. С. V. Starinin, I. B.Haibullin // Radiation Effects and Defects in Solids 1973. - Vol.18. - P.21-26.

118. M. Avrami //J. Chem. Phys. 1941. - V.9. - P. 177-181.

119. Особенности фотолюминесценции в Si02 с нановключениями кремния, полученными методом ионной имплантации / Д.И. Тетельбаум, И.А. Карпович, М.В. Степихова, В.Г. Шенгуров, К.А. Марков, О.Н. Горшков // Поверхность. 1998. - №5. - С.31-33.

120. Зорин, Е.И. Ионное легирование полупроводников / Е.И. Зорин, П.В. Павлов, Д.И. Тетельбаум. М.: Энергия, 1975.

121. Риссел, X. Ионная имплантация / Х.Риссел, И. Руге. М.: Наука, 1983. -304 с.

122. Герасименко, Н.Н. О парамагнитных центрах, образующихся при облучении кремния ионами / Герасименко Н.Н., Двуреченский А.В., Смирнов Л.С. // ФТП. 1972. - Т.6(6). - С.1111-1114.

123. Electron confinement in nanocrystals embedded in random media: Anderson localization effects / V.A.Burdov, M.F.Cerqueira, A.M.Satanin,lb

124. M.I.Vasilevskiy // AIP Conference Proceedings: 28 International Conference on the Physics of Semiconductors. 2007. - V.2. - P.332-334.

125. Nakagawa, S.T. Crystallographic analysis of amorphization caused by ion irradiation / Nakagawa S.T. // NIMB. 2003. - V.206. - P.13-17.

126. Johnson, B.C. Ion-channeling and Raman scattering study of damage accumulation in silicon / B.C. Johnson, J.C. McCallum // J.Appl.Phys. 2004. -V.95(3). - P. 1096-1101.

127. Structural characterization and modeling of damage accumulation in In implanted Si / G. Lulli, M. Bianconi, A. Parisini,E. Napolitani // J.Appl.Phys. -2004. V.95(l). - P.150-155.

128. Тетельбаум, Д.И. Механическая модель аморфизации при ионном облучении / Д.И. Тетельбаум, Ю.А. Менделева // ФТТ. 2004. - Т.46. - B.l 1. -С.1960-1963.

129. Герасименко Н.Н. О свойствах радиационных дефектов междоузель-ного типа в кремнии // Ионная имплантация: 2-ой Советско-американский семинар, Пущино, 1979. Новосибирск: Наука, 1979. - С.351-370.

130. D.I. Tetelbaum, A.A. Ezhevskii, S.A. Trushin, A.N. Mikhaylov, A.Yu. Azov, A.K. Mukhamatullin, S.E. Akis, D.M. Gaponova. Material Science and Engineering B, 101 (1-3), 279 (2003).

131. Эшелби Дж. Континуальная теория дислокаций. Под ред. Б.Я. Любо-ва. М., Изд.иностр.лит., 1963. 247 с.

132. А. Дамаск, Дж. Дине. Точечные дефекты в металлах. М.: Мир, 1966. -291 с.

133. Н.А. Ашкрофт, Н. Мермин. Физика твердого тела. М.: Мир, 1979. -422 с.

134. Влияние упругих волн, возникающих при ионной бомбардировке, на структурное совершенство полупроводниковых кристаллов / П. В. Павлов, Ю. А. Семин, В. Д. Скупов, Д. И. Тетельбаум // ФТП. 1986. - Т.20(3). -С.503-507.

135. Такер Дж., Рэмптон В. Гитерзвук в физике твердого тела. Пер. с англ. М.:,'Мир, 1975.-454 с.

136. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

137. А. 1. Тетельбаум, Д.И. Механическая модель аморфизации при ионном облучении / Д.И. Тетельбаум, Ю.А. Менделева // ФТТ. 2004. - Т.46. - В.11. -С.1960-1963.