Модификация физико-химических свойств поверхности эпитаксиальных пленок GaAs/Ge и GaAs/CaF2 ионной имплантацией и отжигом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ им. У.А. АРИФОВА

ргб оа

1 3 дек ?1юв

На правах рукописи УДК 537.533;534

ТАШМУХАМЕДОВА ДИЛНОЗА АРТИКБАЕВНА

МОДИФИКАЦИЯ ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК СаАв/Се И СаАя/СаЕг ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ И ОТЖИГОМ

Специальность 01.04.04. - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Ташкент-2000г.

Работа выполнена в Ташкентском Государственном Техническом Университете им. А.Р. Беруни, на кафедре "Физика и технология материалов электронной техники".

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук,

профессор УМИРЗАКОВ Б.Е.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук

ФЕРЛЕГЕР В.Х.

- кандидат физико-математических наук, АШУРОВ Х.Б.

Ведущая организация: - Национальный Университет Узбекистана

им. М.Улугбека

^Защита диссертации состоится « -У »^р.^хлоря 2000 года в «■{^» часов на заседании специализированного Совета Д 015.23.01 в Институте Электроники им. У.А. Арифова АН РУз по адресу: 700143, г. Ташкент, Академгородок, ул. Ф. Ходжаева, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Электроники им. У.А. Арифова АН РУз.

Автореферат разослан « -7 » тха&гуо 2000 Г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Доктор технических нлук, Профессор Хамидов Н.

3 Ш /.1. о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Многослойные гетероструктурные пленки с резко отличающимися электронными свойствами все шире используются для создания приборов микро- и наноэлектроники (высокочастотных полевых транзисторов, резонаторов СВЧ, инжекционных лазеров, оптоэлектронных и интегрально - оптических систем и др.). Границы раздела этих пленок, например "полупроводник - диэлектрик" обладают уникальными, присущими только им физико-химическими свойствами. Целенаправленное изменение свойств пленок позволяет создать на их основе электронные приборы нового поколения.

Создание перспективных ПДП- и МДП - структур связано со следующими основными трудностями: во-первых, необходимо разработать новые виды тонкопленочных гетероструктурных систем с одинаковыми типами кристаллической решетки; во-вторых, для многослойных структур не всегда удается выбрать полупроводники, металлы и диэлектрики с идентичными параметрами решетки, что требует формирования согласующихся переходных слоев. Результаты экспериментов проведенных в последние годы показали, что для этих целей можно использовать метод низкоэнергетической ионной имплантации. Этот метод обеспечивает низкотемпературный эпитаксиалышй рост пленок с новыми физическими свойствами, даёт улучшение эмиссионной эффективности материалов, позволяет получать пассивирующие, антикоррозийные покрытия.

Однако, исследования в данной области проводились в основном для массивных монокристаллических образцов 8!, СаАэ и тонких пленок силицидов металлов. При этом в случае получены достоверные сведения по влиянию ионной имплантации на состав, кристаллическую структуру и плотность электронных состояний исследуемых полупроводников. В случае СаАэ до конца не изучены изменения химического состава, параметры энергетических зон и кристаллической решетки при различных стадиях ионной имплантации и отжига. Возможности создания переходных согласующихся слоев и контактов на поверхности ОаАэ практически не изучены. Причём в случае тонких эпитаксиальных пленок СаАэ, влияние низкоэнергетической ионной имплантации на их состояние и свойства до начала настоящей работы практически не исследовалось.

Поэтому исследование возможности создания многокомпонентных гетероструктурных систем на поверхности пленок СаАз имплантацией ионов активных металлов и газов, согласующихся слоев на границе раздела СаАв/СаРг, а также всестороннее изучение их состава и электронных свойств является актуальной задачей.

Целью данной работы является получение методом ионной имплантации и отжига тонких гетероструктурных пленок на поверхности GaAs, определение механизмов их формирования и изучение состава, структуры и электронных свойств.

Объекты исследования. Эпитаксиальные пленки GaAs с толщиной-500 - 1000 Ä, созданные на поверхности монокристаллов GaAs (110), Ge (110) и CaF2 (110). Бомбардировка проводилась ионами Ar+, Na+, Ва+, Sr+ и Mg+ с энергиями Ео=0,5 - 5 кэВ.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Изучено влияние имплантации ионов металлов и инертных газов на состав, кристаллическую структуру и топографию поверхности, электронное состояние и свойства поверхности эпитаксиальных пленок GaAs. Проанализированы изменения состава и структуры поверхности ионно-легированных пленок GaAs при температурной и лазерной обработке. Определены оптимальные условия ионной имплантации, температурного и лазерного отжига, позволяющие получать тонкие гетероэпитаксиальные пленки.

2. Определено влияние несоответствия постоянных решеток «пленка -подложка» на структуру, состав и профили распределения атомов в приграничной области для систем типа GaAs/CaF2 и GaAs/Ge.

3. Определена глубина выхода истинно — вторичных (ИВЭ) и фотоэлектронов (ФЭ), изучены электронные и оптические свойства пленок GaAs/CaF2 переменной толщины.

4. Показана возможность создания методом ионной имплантации в сочетании с отжигом переходного согласующегося слоя на границе GaAs/CaF2 и CaF2/GaAs и надежных омических контактов на поверхности ультратонких пленок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Определены оптимальные режимы ионной имплантации и последующего отжига (температурного и лазерного) для создания гетероструктурных пленок, переходных согласующихся слоев и омических контактов, в приповерхностной области тонких пленок GaAs. Стабильные трехкомпонентные соединения в зависимости от типа иона образовывались при температурах: Gao.eBao.^As - Т= 850 - 900 К, Gao,5Mgo,5As - Т = 800 К, Ga^Na^s - Т = 850 К, Gao.3Sro.5As - Т = 850 К.

2. Изучено влияние образования дефектов кристаллической решетки и новых соединений на плотность энергетических состояний валентных электронов поверхности GaAs при ионной имплантации. Установлена природа основных особенностей наблюдаемых на фотоэлектронных спектрах соединений типа Ga - Ва - As, Ga - Ва. Показано, что

разупорядочение приповерхностного слоя приводит к смещению положения и формы пиков фотоэлектронного спектра, а образование трехкомпонентных соединений - к появлению в нём новых пиков.

3. Установлено, что соединения Gao.6Bao.4As, Gao.4Nao.6As, Gao.5Sro.5As, Ga0.5Mg0.jAs кристаллизуются в кубическую решетку; определены параметры их энергетических зон и кристаллической решетки; показано, что постоянная решетки ("а") этих соединений отличается от "а" присущей для СаАв на ± ОД - 0,3 А.

4. Экспериментально показано, что после ионной имплантации значение коэффициента ВЭЭ и квантового выхода фотоэлектронов ваАз увеличивается до 2 — 3 раз, а значение удельного сопротивления уменьшается до 107 раз.

5. Установлено влияние изменения энергии в диапазоне Ео=0,5 - 5 кэВ и дозы ионов в интервале 1014 - 10п см'2 на форму концентрационных профилей распределения атомов, состав образовавшихся соединений, на параметры энергетических зон и кристаллическую решетку.

Научная и практическая ценность работы: Научная ценность работы заключается в том, что установленные механизмы образования трехкомпонентных соединений типа СахМе^Аз имеют важное значение для развития теории образования многокомпонентных систем и для прогнозирования аналогичных процессов, происходящих в других соединениях АШВУ при ионной имплантации и последующем отжиге. С практической точки зрения полученные результаты можно использовать для создания гетероструктурных пленок, переходных слоев и омических контактов, применяемых для улучшения функциональных характеристик полупроводниковых приборов.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 25 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Апробация работы. Материалы данной работы обсуждались на международных (США - 97, Москва - 97, 99, 2000, Ташкент- 97, Амстердам-98, Германия-99, Фергана - 99) и республиканских (Ташкент-95, 97, 99, Термез - 99) конференциях и симпозиумах по эмиссионной электронике и взаимодействию ионов с поверхностью.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы из 152 наименований. Работа содержит 128 страниц машинописного текста, 40 рисунков и 8 таблиц.

Основное содержание работы Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследований, ее научная и практическая ценность, сформулированы

основные положения, выносимые на защиту, цель исследования, показана новизна работы.

Первая глава посвящена анализу известных научных данных по влиянию низкоэнергетической ионной имплантации на состав и свойства, поверхности материалов электронной техники, по изучению электронных свойств эпитаксиальных систем GaAs — Gai.xMexAs, Si — MeSi, по перспективам применения тонкопленочных кристаллов различной природы с кубической решеткой.

Большое число работ было посвящено изучению взаимосвязи между изменениями элементного и химического состава, электронных свойств и кристаллической структуры приповерхностной области материалов при ионной имплантации. В частности, установлено, что при имплантации ионов активных металлов в случае Si образуются силициды металлов, а в случае GaAs и СаИг трехкомпонентные соединения типа GaxMei.xAs, CaxMei.xF2. Результаты некоторых исследований, полученные для систем на основе Si, нашли применение в создании гетероструктурных пленок, ультратонких контактов, солнечных элементов и барьерных слоев.

При создании многослойных МДП- и ПДП - структур возникают трудности, связанные с рассогласованием постоянных решеток соприкасающихся поверхностей пленок. Для получения гетероструктурных пленок на основе GaAs и уменьшения рассогласований постоянных решеток в ПДП - структурах в настоящее время используются системы типа: GaAs -GaxIni.xAs, GaAs - GaxAli.xAs. Структуры типа Ge - GaAs и GaAs - GaxAli.xAs используются для создания полевых транзисторов, электронно запоминающих устройств и гетеролазеров. Однако такие приборы еще не нашли серийного выпуска и требуют совершенствования методов их создания и улучшения качества многокомпонентных пленок. Подобные проблемы частично могут быть решены созданием новых структур типа GaAs - GaxBai.xAs, GaAs - GaxNai.xAs и др. при помощи ионной имплантации. В конце главы сделаны выводы по обзору и приводятся основные задачи данной диссертационной работы.

Во второй главе описана техника и методика экспериментов, проводимых для получения гетероструктурных пленок, переходных слоев и омических контактов, а также данных о составе, структуре и свойствах этих слоев.

В исследованиях были использованы пленки GaAs, полученные методом МЛЭ на стандартной установке типа LAS — 2200. Эти образцы помещались в высоковакуумную камеру универсальной установки, в которой проводились все технологические обработки и изучение состояния и свойств поверхности исследуемых материалов методами ВЭС и УФЭС. С помощью этих методов были получены экспериментальные данные:

- о концентрационных профилях распределения атомов в приповерхностной области ионно - имплантированного ОаАэ;

- о распределении электронных состояний валентных электронов и о параметрах энергетических зон "чистого", ионно - легированного и подвергнутого посгимплантационному отжигу образца;

- об изменении значений коэффициентов ВЭЭ и удельного сопротивления в процессе ионной имплантации;

- о составе "чистого" и ионно- легированного ваЛв;

- о параметрах решетки исследуемых пленок и об оптических свойствах СаР2 с поверхностной пленкой СаАз различной толщины.

Сведения о микрорельефе поверхности и параметрах решетки определялись растровым электронным микроскопом "Сашеса" и электронографом ЭМР -102.

Третья глава посвящена проблемам получения многокомпонентных гетероструктурных пленок в приповерхностной области ОаАв методом низкоэнергетической ионной имплантации в сочетании с отжигом, а также вопросы изучения состава, структуры и свойств этих пленок. В качестве матрицы использованы эгтитаксиальные пленки ОаАв с толщиной 500-1000 А. Очистка используемых образцов осуществлялась высокотемпературным прогревом при вакууме не хуже Ю'7 Па, при этом концентрация кислорода составляла ~0,5 - 1 % и углерода до 0,5 ат.%.

На рис. 1 приведена низкоэнергетическая часть оже спектров "чистого" СаАз и СаЛя имплантированного ионами Аг4 с Ео=1 кэВ при различных дозах облучения. Анализ оже спектров, полученных при различных дозах, показал, что в процессе ионной имплантации происходит разложение ОаАв на составляющие. При этом наблюдается обогащение поверхности атомами Ав и Са, относительные концентрации которых зависят от дозы облучения. При изменении дозы от 1014 до 5-Ю16 см"2 зависимость поверхностной концентрации Аз проходит через максимум, а ба - через минимум. Последнее наблюдается при дозах 8-10н см"2. При сравнительно высоких дозах ( Б > 8-Ю14 см'2) происходит интенсивная десорбция Аэ с поверхности (а также частичная диффузия атомов Аб вглубь образца), что приводит к обогащению поверхности атомами Са. Эти изменения продолжаются до дозы (2 - 4)-1016 см"2. При этом поверхностная концентрация Са составляет 80 - 85 ат.%, а Аб - 15-20 ат.%. Дальнейшее увеличение дозы облучения пе приводит к изменению элементного и химического состава СаАв.

В случае имплантации ионов активных металлов в СаАз при средних дозах (Б < 1015 см"2), наряду с разложением СаАз, происходит внедрение легирующих ионов в приповерхностную область СаАз. Это приводит, например, при имплантации ионов Ыа, к образованию соединений типа

s

Аз-Иа и Са-Ка-Ав. При увеличении дозы облучения начиная с 1015 см"2, происходит интенсивная десорбция атомов Аз с поверхности, что приводит к обогащению приповерхностного слоя атомами Ыа и Оа, и образованию их интерметаллических соединений.

Рис. 1. Оже — спектры пленок СаАзЩО), имплантированных ионами Аг+ (а) и Иа+ (б), с Ео=1кэВ при дозах облучения Б, см'2: 1-0 ("чистый" СаАв), 2 - 8-10й; 3 - 21016.

Установлено, что атомы Ga, As и Ва в приповерхностной области распределяются сравнительно равномерно до глубины 15-20 А. В интервале d=20-60 А Сва монотонно уменьшается от 35-40ат.% до 4-5 ат.%, Сса увеличивается от ~35ат.% до 45-50 ат.%, а зависимость CAs(d) проходит через максимум в области d=40-45 А. В максимуме концентрация мышьяка доходит до 55-60ат.%. Исходя из этого можно предполагать, что в процессе ионной имплантации происходит не только интенсивное распыление атомов мышьяка, но и некоторая диффузия их вглубь образца.

Результаты экспериментов для GaAs, легированного ионами Ва+ с разными энергиями, показали что начиная с Еи-0,5 кэВ, наблюдается резкое уменьшение (до 40 ат.%) концентрации Ва на поверхности и заметное проникновение Ва вглубь образца. При этом до глубины d=15-20 А концентрация Ва существенно не меняется и составляет 30-40 ат.%, а затем с ростом d она резко уменьшается.

В работе также исследовано влияние ионной имплантации на эмиссионные и электрофизические свойства ОаАэ. При этом с увеличением дозы ионов термоэлектронная работа выхода монотонно уменьшается, а стт -увеличивается. Уменьшение е<р и увеличение сгт, по-видимому, главным образом обусловлено образованием субмонослойных покрытий атомов Ва на поверхности ионно — имплантированного образца.

Исследование электрофизических свойств проведено на примере удельного сопротивления р поверхности. Эксперименты показали, что величина р, не зависимо от энергии ионов, с ростом дозы облучения уменьшается. Уменьшение р связано с разложением ОаАз, обогащением поверхности атомами металлов (Ва, ва) и уменьшением концентрации атомов мышьяка.

На рис. 2, а) приведены фотоэлектронные спектры пленки СаАв, подвергнутого бомбардировке ионами Аг+ с Е0=1 кэВ разными дозами. Как видно из этого рисунка, начиная с дозы 1014см"2, происходит смещение положений и изменение интенсивности основных пиков СаАв. Эти изменения продолжаются до дозы (4-6)-10и см"2. Так как при этом стехиометрический состав поверхности ОаАэ заметно не изменяется, наблюдаемые отличия структуры спектра объясняются разупорядочением приповерхностных слоев. При дозе 1015 см"2 в спектре фотоэлектронов некоторые пики начинают исчезать и появляются новые пики.

Рис. 2. Фотоэлектронные спектры ОаАв, имплантированного ионами Аг+ (а) и Ва+ (б) с Ео=1кэВ, при Б, см"2: 1 - 0 («чистый» СдАб); 2 -1014; 3 -1015; 4 — 2-1016. ПС — поверхностное состояние.

Одновременно происходит смещение начала спектра в сторону больших энергий и появление мало интенсивного пика при Еу+1 эВ. С дальнейшим

ростом дозы смещение начала спегара продолжается, а интенсивность нового пика возрастает. По — видимому, при этих дозах скорость разложения ОаАв превышает скорость образования соединений. Следовательно происходит обогащение приповерхностных слоев пленки атомами Оа и Аб, причем на поверхности и вблизи нее превалируют атомы мышьяка. Образование большого количества избыточных атомов Оа и А б, приводит к появлению различных примесных уровней электронов вблизи потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. Вследствие этого эффективная ширина запрещенной зоны системы уменьшается до 0,4-0,5 эВ. При ЕХ=5-1013см"2 начало спектра и новый пик сливаются друг с другом. Как показал анализ результатов картин ДБЭ при этой дозе происходит полное разупорядочение ("аморфизация") приповерхностной области.

Дальнейшее увеличение дозы ионов приводит к интенсивному испарению и диффузии Ая, что способствует обогащению поверхности атомами Оа. При дозе 1>=1016см'г концентрация Аэ на поверхности не превышает 20 ат.% и при этом ширина запрещенной зоны системы практически уменьшается до нуля и спектр фотоэлектронов становится характерным для металлов. С дальнейшим ростом дозы облучения практически не происходит изменения состава и свойств поверхности.

Анализ данных УФЭС полученных для ОаАэ (110), имплантированного ионами бария с энергией Ео=1 кэВ разными дозами (рис. 2, б), позволяет предположить:

1. При малых дозах (до -5-1014 см"2), имплантация ионов Ва также, как в случае легирования ионами Аг+, создаёт некоторое смещение положения основного пика спектра СаАБ, что связано с частичным разулорядочением приповерхностного слоя.

2. При дозах облучения Б=5-10'4-10'5 см"2, происходят процессы разложения и образования новых соединений. При этом, наряду с изменениями формы и положений основных пиков, происходит смещение начала спектра в сторону больших энергий. В этом случае, в отличие от имплантации ионов Аг+, не наблюдается появление нового пика в области Еу+1 эВ. Это объясняется образованием новых соединений типа Ва - Аб, (За - Ва - Ав. В результате возникает небольшое количество избыточных атомов только Оа, а несвязанные атомы Аб в приповерхностной области отсутствуют. Поэтому полупроводниковые свойства ионно-легированной области полностью сохраняются вплоть до дозы =1015 см"2. При этом ширина запрещенной зоны составляет 0,6 — 0,8 эВ.

3. Начиная с Б ~ 1013 см'2 с увеличением дозы облучения разложение ОаАэ сопровождается интенсивным испарением (и диффузией в глубь мишени) атомов Аб, обогащением приповерхностных слоев атомами металлов. Большая часть атомов Ва и Оа образует интерметаллические

соединения. Эти изменения происходят до дозы (Я-10)-1015 см"2. Дальнейшее увеличение дозы приводит не только к образованию соединений ВаОа, но и к увеличению избыточных атомов Ва на поверхности и вблизи неё. При дозе насыщения [(4-6)'1016 см"2] концентрация избыточных атомов Ва составляет 20 — 25 ат.%.

На основе анализа данных УФЭС нами определены параметры энергетических зон ионно-легированного СаАэ. Определение положений уровня Ферми (Ер) СаАэ, а также его изменения при технологических обработках проводилось путем сравнения его с уровнем Ферми для эталонного образца, которым служил поликристаллический Р<1. Параметры определены с использованием следующих соотношений:

£к=т1и>-Д£; Е3=ЕС-Еу; % = ЕВ—ЕС

где, Еу — потолок валентной зоны, Е8 — ширина запрещенной зоны, X - сродство к электрону, Ес - дно зоны проводимости.

Как видно, из таблицы 1 при бомбардировке ОаАя ионами Аг+ до дозы облучения Е)=1014 см"2 не происходит заметного изменения параметров зон. Увеличение дозы облучения до 1015 см'2 приводит к уменьшению значения Еу, ЕР, Ев и к увеличению сродства к электрону. Это объясняется разупорядочением приповерхностного слоя, образованием различных уровней в запрещенной зоне. При высоких дозах облучения значения Еу, ЕР и X приближаются к значениям этих параметров характерных для ва. Ширина запрещенной зоны определена условно, так как она практически близка к нулю.

Таблица 1

Влияние имплантации ионов Аг+ и Ва+ с энергией Ео=1 кэВ на параметры

энергетических зон ваАэ

Параметры зон, эВ Чистый СаАэ Аг+—» СаАв, Б: см'2 Ва+—*ОаАз, О: см"1

10м 1015 2-1016 2-Ю14 10" 2-Ю16

Еу 5,1 5,1 4,8 4,6 5,0 4,9 2,3

ЕР 5,0 5,1 4,3 4,6 4,8 4,4 2,3

Е8 1,4 1,4 0,5 0,2 1,4 0,8 0

% 3,7 3,7 4,3 4,4 3,6 4,1 2,3

В случае бомбардировки ваАэ ионами Ва+ при относительно высоких дозах изменения параметров зон существенно отличаются от случая бомбардировки ионами Аг+. Это объясняется образованием соединений типа Ва+Аэ, Оа+Ва+Ая и резким уменьшением работы выхода за счет накопления атомов Ва на поверхности.

Для направленного изменения физико-химических свойств поверхности ионно-легированных образцов во многих случаях проводится постимплантационный высокотемпературный прогрев или лазерный отжиг.

Были установлены, оптимальные условия постимплантационного отжига. При Т=850 - 900 К в приповерхностном слое толщиной 20-30 А образуется сплошная, в определенной степени однородная монокристаллическая пленка со стехиометрическим составом близким к соединению Gao.6Bao.4As.

На различных этапах отжига по картинам ДБЭ определена кристаллическая структура, а по спектрам фотоэлектронов - параметры энергетических зон ионно - имплантированного СаАв. Экспериментальные данные сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Параметры зон, полученные после прогрева СаАэ, имплантированного ионами Ва+ с Ео=0,5 кэВ и Е)=61016см"2

т Примерный состав структур Кристаллическая структура е<р, эВ Х.эВ Eg) эВ

300 к BaGa-Ba Аморфная 2,6 2,6 0

600 к BaGa Поликристалл 4,1 4,1 0

800 К Gai.xBaxAs Монокристалл 4,5 4 0,5

900 К Gao.6Bao.4As Монокристалл 4,6 3,8 0,8

1000 К GaAs Монокристалл 5,1 3,9 1,2

Из таблицы 2 видно, что при невысоких температурах отжига (Т i 550 -600 К) приповерхностные слои ионно-имплантированного арсенида галлия обладают электронно-зонными параметрами, характерными для металлов. Полупроводниковые свойства этих пленок проявляются начиная с Т=600 -650К, что примерно соответствует началу кристаллизации приповерхностного слоя.

В интервале Т и 800-1000 К общая поверхностная концентрация атомов Ba+Ga составляет 45-50 ат.%, а концентрация As достигает 50-55 ат.%, т.е. приповерхностный слой составляет система Gai.xBaxAs (х = 0,2 - 0,6). Переход этой системы от поликристаллической в монокристаллическую фазу происходит при Т « 850 - 900 К. Начиная с 1000К концентрация Ва для обоих образцов резко уменьшается и при Т=1100 К её значение составляет всего лишь 4-5 ат.%.

В случае лазерного отжига ионно - имплантированной пленки GaAs рекристаллизация приповерхностного слоя начиналась с W=0,5 Дж-см"2, а электронно-зонные параметры, характерные для полупроводников, устанавливались с W = 0,7 Дж-см'2. При этой плотности энергии лазерного облучения образовывались соединения типа Gao.6Bao.4As Однако, эта система не имеет регулярной монокристаллической структуры. Для получения такой структуры необходимо было проводить лазерный отжиг в сочетании с кратковременным высокотемпературным (Т » 1000 К) прогревом. После такой обработки образовалась трехкомлонентная монокристаллическая структура, обладающая полупроводниковыми свойствами. Температура

образования монокристаллической структуры Тм зависит от дозы облучения: в области 1>=5-10|3-5-10" с ростом Б значение Тм монотонно увеличивается от -400 К до 950 К. При высоких О приповерхностная область сильно разупорядочивается вплоть до аморфизации. Поэтому в области высоких доз облучения скорость увеличения Т„(Б) сначала уменьшается (при Е>=5-1013 -5-10|Лсм'2), и начиная с 0=5,1016 см'2 и Т=950 К эта зависимость выходит на плато.

В работе проведено сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими расчетами выполненными на основе программы САБМ^-Э. Расчеты изменения концентрации атомов проводились с учетом каскадного перемешивания, распыления, а также с релаксацией концентрационных напряжений, возникающих при больших дозах облучения:

где, С^ т~ концентрация компонент в слоях с учетом набора дозы 50: с', = С, +Ду, •да/Дг/

к,т к,т к,т ' С^ т~концентрация атомов исходного материала.

Ду^ среднее изменение концентрации атомов данного сорта "к" в данном

слое "т" на один ион: Ау, = Ау?х -Ду,гас -А*??1

Расчетные и экспериментальные данные отличались не более чем на 15-20%.

В четвертой главе была исследована возможность создания согласующихся слоев на границе раздела СаРг/ОаАв с помощью ионной имплантации, изучены эмиссионные и оптические свойства пленок ОаАэ переменной толщины на поверхности СаБа (110), проанализированы экспериментальные результаты и даны научно - обоснованные рекомендации по применению полученных структур в микроэлектронике.

В создании многослойных ПДП, МДП - структур наиболее перспективным является совместное использование Бь Со81г, СаАэ, СаР2. Однако постоянная решетки СаАэ существенно (на ОД - 0,3 А) отличается от постоянных решетки Б!, СаРг и Со812. Для выяснения влияния несоответствия постоянных решетки на состав и структуру тонкопленочных многослойных систем были исследованы профили распределения атомов на границе раздела ОаАа/СаРз при выращивании пленок ОаАэ на поверхности монокристаллических пленок СаЕг. Для сравнения аналогичные исследования проводились для системы ваАБ/Ое, где постоянные решеток этих материалов близки друг к другу. В случае системы СаАэ/СаРг ширина переходного слоя составляла <3„=350 - 400 Л, а в случае ОаАзЛЗе <!„= 150-

200А. Таким образом, ширина переходного' слоя и концентрация взаимодиффундирующих атомов в случае СйАб/Сс значительно (в 2 и более раз) меньше, чем в случае системы СаАБ/СаР2. По-видимому, одной из основных причин большого значения ширины переходного слоя на границе ваАБ/СаРг, является возникновение значительного напряжения между сопрягающимися поверхностями из-за заметного различия параметров их решеток.

Для предотвращения увеличения плотности дефектов на границах раздела ваА Б/СаИг необходимо получение переходных слоев с помощью ионной имплантации в сочетании с отжигом. Имплантация производилась ионами Ва, Ыа, и Бг. Затем проводился постимплантационный отжиг до температуры, при которой формировалась монокристаллическая структура. В случае СаАБ частичная замена ва атомами Ва и Бг приводила к росту постоянной решетки системы, а при замене ва атомами Иа не наблюдалось монотонного изменение параметра решетки. Наиболее совершенные согласующиеся слои применительно для систем Са!-уСаАБ получены при имплантации ОаАэ ионами М§. Наименьшее значение постоянной решетки при образовании системы ва - - Аб составляет 5,4 А, что близко к "а" пленок СаРг-

Исследованы также электронные и оптические свойства пленок ваАБ разной толщины нанесенных на поверхность СаР2. Установлено, что глубина выхода истинно - вторичных электронов (ИВЭ) для СаАБ составляет 50-60А, а эффективная глубина выхода неупругоотраженных электронов достигает 100 — 120 А. С ростом толщины пленки СаАБ значение квантового выхода фотоэлектронов, также как и для 5т, до глубины 60 - 70 А резко уменьшается. При > 60 - 70 А значение квантового выхода для системы СаАБ/СаР2 практически не изменяется. Таким образом, значения глубины зоны выхода ИВЭ и фотоэлектронов для СаАБ существенно не отличаются друг от друга.

Можно отметить, что с ростом толщины пленки коэффициент отражения света увеличивается в несколько раз и становится характерным для полупроводниковых материалов.

В таблице 3 приведены значения удельного сопротивления р и ширины переходного слоя (3 на границе раздела для систем N1 - СаАБ и № -ионно-легированный СаАБ, (Ва+ с Е0=1 кэВ при Е)=410|6см'2).

Таблица 3

_Значения ркЫ для систем № - СаАБ, N1 - Ва - ваАБ._

М-ваАБ № - Ва - СаАБ

Т=300К Т=700К Т=300К Т=700 К

р, Ом -см а, А 6-Ю"4 600-700 10"* 1000-1200 2-1 О*4 100-150 5-104 200-250

Видно, что предварительная ионная имплантация существенно улучшает качество омического контакта и уменьшает ширину слоя прн которой происходит взаимодиффузия атомов контактирующего металла и подложки.

Полученные результаты можно использовать для еоздания гетероэпитаксиальных пленок на поверхности СаАэ и СаР2, согласующихся (переходных) слоев между чередующимися слоями ПДП МДП - структур, ультратонких омических контактов на поверхности ОаАБ.

Основные результаты и выводы; .

1. Установлены закономерности изменения состава, электронной и кристаллической структуры поверхности эпитаксиалышх пленок ОаАв в процессе их термической очистки. Определена природа основных особенностей в энергетических спектрах фотоэлектронов исходной и "чистой" пленки ваАз.

2. Проведен сравнительный анализ влияния бомбардировки ионов активных металлов (Ва+, вг*) и инертных газов (Аг*) на элементный и химический состав поверхностных слоев пленки. Показано, что в случае облучения ионами Аг+ при невысоких дозах (О < 1015 см"2) поверхность СаАэ обогащается атомами Аб, а при высоких дозах - атомами ва. В случае имплантации ионов Ва+ при Б < 1015 см"2 в приповерхностном слое преимущественно образуется аморфная пленка Оа - Ва - Аэ и Ва - Ав, а при О> 5-Ю13 см'2 пленка со структурой СахВау.

3. Изучена динамика изменения электронного состояния (плотность распределения электронов, параметры энергетических зон) и свойств поверхности пленок ОаАя в процессе бомбардировки ионами различной природы с разными энергиями и дозами. Показано, что разупорядочение приповерхностного слоя, в основном, приводит к изменению формы и положения максимумов спектра фотоэлектронов, а изменения химического состава поверхности - к появлению новых максимумов в спектре. Установлено, что при высоких дозах облучения, независимо от типа ионов, происходит "металлизация" поверхности СаАв. При этом значение коэффициента ВЭЭ ионно - имплантированного вгАв увеличивается в Зраза, а удельное сопротивление уменьшается в 107 раз.

4. Показано, что постимплантационный температурный и лазерный отжиг способствует созданию тонких гетероэпитаксиальных пленок СгахВа1.хАз (Оа^а^Ав). Варьируя энергию и дозу ионов и плотность энергии лазерного отжига можно контролируемо изменять состав (х = 0,2 - 0,6) и толщину (с! = 20 — 50 А) трехкомпопентной пленки. Наиболее стабильные пленки формировались при проведении отжига импульсным лазерным излучением (\У = 0,7 Джхм'2) в сочетании с кратковременным

высокотемпературным (Т = 1000 К) прогревом. После такой обработки образуется пленка типа Оао,бВао,«Аз с параметрами электронной и кристаллической структуры: Ег=1,1 эВ, эВ, а=5,8 А.

5. Экспериментальные результаты сопоставлялись с расчетами выполненными на основе программы САБЫЕ^У - О. Это позволяло, выяснить как изменяется форма концентрационных профилей распределения атомов по глубине и механизмов изменения состава поверхностных слоев СаАз при имплантации ионов инертных газов и активных металлов. Указанные механизмы были связаны с процессами каскадного перемешивания и преимущественного распыления отдельных компонент мишени. Показано, что Ав распыляется больше йа, что ведет к обогащению поверхности мишени галлием. Полученные данные важны для разработки элементов интегральных схем. В дальнейшем такие расчеты могут использоваться для оптимизации технологических процессов, основанных на направленном изменении свойств поверхностных слоев методом ионной бомбардировки.

6. Определены оптимальные условия ионной имплантации и отжига для создания согласующихся переходных слоев между пленками СаАз/Са!^, СаРгЛЗаАз. В частности, показано, что образование соединений типа ва-Ва-Аз и Оа-Бг-Ав приводит к росту постоянной решетки системы на -0,15 А, а образование соединений типа ва - Гу^ - Ав к уменьшению "а" от 5,7 А до 5,45 А.

7. Установлено, что предварительная низкоэнергетическая ионная имплантация позволяет получить совершенные омические контакты на поверхности ультратонких пленок СаАв. При этом создается приповерхностный слой с р = 10"4— Ю"5Ом-см.

8. Изучена глубина выхода ИВЭ и ФЭ, оптические свойства чистой и ионно - имплантированной пленки СаАв/СаРг переменной толщины. Показано, что глубина зоны выхода ИВЭ и ФЭ для ОаАв составляет 50 -70 А. После ионной имплантации глубина зоны выхода уменьшается в 2 раза.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Джурабекова Ф.Г, Пугачева Т.С., Ташмухамедова Д.А., Умирзаков Б.Е. Профили распределения бария в ваАв при низкоэнергетичной высокодозной бомбардировке ионами Ва4 Известия РАН. Серия физическая. Москва. 1998г. №7. С. 1455 - 1461.

2. Ташмухамедова Д.А., Умирзаков Б.Е. Влияние отжига на состав и струюуру ОаАз, имплантированного ионами Ва с низкой энергией. Узбекистан физика журнали. Т.1, №5,1999г. С.384 - 389.

3. Умирзаков Б.Е., Ташмухамедова Д.А. Влияние отжига на состав и структуру ОаАв, имплантированного ионами Ва с низкой энергией. /Поверхность. РАН. Москва. №5,2000г. С. 14 - 17.

4. Umirzakov B.E., PngacHeva T.S., Tasbatov A.K., Tasbmtkbamedova D.A. Electronic structure and optical properties of CaF2 films wider low energy Ba+ ion implantation combined witb annealing ./NIM-B,v.l66-167,2000,P.572-576.

5. УмирзаковБ.Е., Ташмухамедова Д.А., Мнрхалнлова M.A., Ташатов А.К. Вливие отнята на электронную структуру поверхности CaF2 я GaAs, имплантированных нонами барнг/ГАвтоматлашткршн - 99". Тошкент. 1999 г. С.151-157.

6. Азимов О.А., Умнрзаков Р.Б., Ташмухамедова Д.А. Влнляне конной нмплаитацнн к последующего от*яга на состав н структуру поверхности GaAs. /Илмий маколалар тунламн, ТДТУ. 1999 г. С. З - 5. _

7. Umirzakov В.Е, Tashatov А.К, Tashmukhamedova D.A./Normuradov M.T, Beknazarov F.N. Electronic structure and properties of GaAs films under low energy Ba+ ion implantation used in electronic storage devices. /WCIS - 2000, P.228-231.

8. Ташмухамедова Д.А., Джурабекова Ф.Г., Миржалилова M.A., УмирзаковБ.Е. Профили распределения бария в GaAs, легированном низкоэнергетическими ионами бария. //Материалы П - респ. конф. по физике твердого тела. Ташкент. IV - часть. 1997г. С. 37.

9. Umirzakov В.Е., Pugacheva T.S., Tashmukhamedova D.A. The influence of Ba ion implantation and following annealing on physical-chemical properties of Pd and W. //SMMIB-97. Gatlinburg, USA. P.69.

10.Джурабекова Ф.Г., Пугачева T.C., Ташмухамедова Д.А., УмирзаковБ.Е. Профили распределения бария в GaAs при низкоэнергетичной высокодозной бомбардировке ионами Ва+.//Материалы ВИП - XIII. Москва. Том 2.1997г. С. 284 - 286.

11.Umirzakov В.Е.,Pugacheva T.S., Jurabekova F.G., Tashmukhamedova D.A. The low energy high dose Ba+ ion implantation and following annealing influence on the structure and composition of GaAs surface layers. //IBMM-98, Amsterdam. P. 103.

12.Umirzakov B.E.,Pugacheva T.S., Jurabekova F.G., Tashmukhamedova D.A. The low energy barium ion implantation use for CaF2 films modification. //IBMM-98, Amsterdam. P.50.

13.Umirzakov B.E., Pugacheva T.S., Tashatov A.K., Tashmukhamedova D.A. Electron structure and optical properties of CaF2 films under low energy Ba+ ion implantation combined with annealing.//REI-10,1999, Germany. P.215.

14.Умирзаков Б.Е., Ташмухамедова Д.А. Влияние отжига на состав и структуру GaAs, имплантированного ионами Ва с низкой энергией. /XXIX Меж. конф. по физике взаим. заряж. частиц с крист., Москва, 1999г. С. 150

15.Ташмухамедова Д.А., Ташатов А.К., Умнрзаков Б.Е., Нормурадов М.Т., Уваров Э. Создание эпитаксиальных переходных слоев в приповерхностной области Si и GaAs, методом ионной имплантации и отжига. // "Инновация-99", 1999г. С.

16.Ташмухамедова Д.А., Умирзаков Б.Е., Нормурадов М.Т. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия поверхности GaAs, легированного ионами бария.//Матер. ВИП-XIV. Москва. 1999г. Том2. С.82-84.

17.Ташмухамедова Д.А., Ташатов А.К., Пугачева Т.С., Умирзаков Б.Е. Влияние постам плантационного отжига на фазовое состояние поверхностных слоев ионно-легированного GaAs. //там же. С. 85 - 87.

18.Ташмухамедова Д.А., Ташатов А.К, Парманхулов И.П., Умирзаков Б.Е. Влияние лазерного отжига на концентрационные профили распределения атомов приповерхностной области ионно-легированного GaAs. //Физикавий электроника буйича П Республика анжумани маърузалар тезислари. Тошкент. 1999 й. С.68.

19.Нормурадов М.Т., Ташатов А.К., Раббимов Э., Ташмухамедова Д.А. Влияние имплантации ионов Ва+ на электронную структуру и оптические свойства пленок CaF2/Si (111). //там же. С. 84.

20.Umirzakov В.Е., Pugacheva T.S., Tashatov А.К., Tashmukhamedova D.A. Electron structure and optical properties of CaF2 films under low energy Ba+ ion implantation combined with annealing7/IBA-14,1999, Germany. P. 138.

21.Умирзаков Б.Е., Ташмухамедова Д. А. Перспективы применения тонкопленочных структур в микроэлектронике. //Тезисы докладов международной конференции по фото - , тензо - и термо- электрическим явлениям в полупроводниковых пленках. Фергана. 1999г. С. 26.

22.Ташмухамедова Д.А., Миржалилова М.А., Азимов О.А., Ганиев К.К., Дех-канов В.Б. Электронная структура поверхности трехкомпонентных систем GaxBai.xAs и CaxBai.xF2, созданных ионной имплантацией.//там же. С. 32.

23.Normuradov М.Т., Umirzakov В.Е., Pugacheva T.S., Tashmukhamedova D.A. Creation of diffusion barriers on semiconductor surfaces by ion implantation. //EMRS - 2000. France. P.61.

24.Umirzakov В. E., Tashatov A.T., Tashmukhamedova D.A. Electronic and crystalline structure of GaAs films under Ba+ ion implantationi/raM же.

25.Ташмухамедова Д.А., Азимов O.A., Ганиев К.К., Умирзаков Б.Е. Изменение состава и структуры поверхности GaAs при бомбардировке ионами Аг+ и Ва+. //XXX Меж. конф. по физике взаим. заряж. частиц с кристаллами, Москва, 2000г. С. 155.

СаЛз/СаРг ва СаАзЮе эпитаксиал пленкаларйнинг физик - кимёвий хусусиятларини нонлар ииплантацияси ва хароратли ишлов бериш билан модификация цилиш

Ташмухамедова Дилноза Артикбаевна Ишнинг к^скрча мазмуни

Иккиламчи ва фотоэлектрон спектроскопия усулларини биргаликда к;уллаш йули билан ОаАв эпитаксиал пленкаларининг сирт катламлари таркиби, тузилиши ва хусусиятларига кичик энергияли ионлар имплантацияси (Е0 = 0,5 - 5кэВ) ва к^здириш жараёнларининг таъсирининг асосий цонуниятлари биринчи марта урганилган.

Ат+ ионлари билан кичик дозаларда (В<10,3см'2) нурлантирилганда ОаАя сиртида Аб атомлари т^планади, юцори дозаларда эса - ва атомлари тупланиши анирдангаи. Актив металл (Ва+, Иа+, Mg+, Бг*) ионларини урта дозаларгача имплантация кдпиниши натижасяда сирт цатламида уч компонентли аморф пленкалари хосил булиши кузатилган. Ю^ори дозалар (О > 1016 см*2) билан нурлантирилганда ионлар туридан ^атъий назар ваА^ сиртининг "металлашиши" ^айд цилинган. Ион имплантацияси жараёнида сиртнинг электрон тузилишини узгаришшшнг асосий сабаблари аникланган. Бу холда иккиламчи электрон эмиссия коэффициентининг крймати 3 баробарга ортади, солиштирма крршилик эса 107 баробаргача камаяди.

Ион имплатациясидан кейинги температуравий ва лазерли ишлов бериш натижасида Оа1.хВахАз, 0ахБг|.хА8 каби юпца гетероэпитаксиал плёнкаларини хосил булиши курсатилган. Уч компонентли бирикмаларнинг кристалл панжаралари турлари ва параметрлари, хамда энергетик зоналарининг параметрлари аницланган.

СаАэ сиртида гетероэпитаксиал пленкалар, мослаштирувчи утиш катламлари ва мукаммал омик контактлар хосил цилиш учун ионлар имплантацияси ва температуравий хамда лазер нурлари билан ишлов беришнинг оптимал шароитлари ани^ланган.

Updating of physical and chemical properties optical laers of GaAs/Ge and GaAs/CaF2 surface ionic implantation and heating.

For the first time with use of methods complex again and photoelectronic spectroscopy the basic laws of structure change, structure and layers properties of epitaxial films of GaAs are investigated and established during low-energy ionic implantation (Eo=0,5-5 keV) end the subsequent heating.

It is shown, that in case of an irradiation ions Ar+ at low dozes (IK1015cm'2) surface GaAs is enriched by atoms As, and at high dozes - atoms Ga. In case of implantation of ions active metals (Ba+, Na+, Mg+, Sr+) at low dozes in near-surface layer the three-componental amorphous film is mainly formed. It is established, that at high dozes of an irradiation (D > 1016cm"2) irrespective of type of ions there is "metallization" of surface GaAs. Principal causes of change of electronic surface structure are revealed during ionic implantation. Thus value of factor DEE is increased in 3 times, and specific resistance decreases up to 107.

It is shown, that postimplantation temperature and laser heating promotes creation thin heteroepitaxial films of Gai.xBaxAs, GaxSri-xAs. The type and parameters of a lattice, power zones parameters of three-componental connections are determined.

Optimum conditions of ionic implantation and heating for creation heterostructure films, agreed transitive layers between films of GaAs/CaF2 and the perfect ohmic contacts on a surface ultra thin films of GaAs are determined.

Tashmukhamedova Dilnoza Artikbaevna

The summary of work.