Оптическая спектроскопия колебательных и электронных состояний полупроводниковых наноструктур кремния и арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Авакянц Лев Павлович 004607171

ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ И ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР КРЕМНИЯ И АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 2 ИЮЛ 2010

Москва - 2010

004607171

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета имени М.ВЛомоносова.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Бункин Николай Федорович,

Институт общей физики имени A.M. Прохорова

Российской академии наук;

Маврин Борис Николаевич, Институт спектроскопии Российской академии наук;

доктор физико-математических наук, профессор

Пенин Александр Николаевич, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет;

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН.

Защита состоится 16 июня 2010 года в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, дом 1, строение 5(19 корпус НИИ ядерной физики МГУ).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан {Ц .Ул-Гл^Л (О -г. .

Ученый секретарь совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций Д 501.001.45

кандидат физико-математических наук

О.М. Вохник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Полупроводниковые структуры на основе кремния и арсенида галлия являются основными элементами современной опто - и микроэлектроники. Изменение оптических свойств этих материалов при локализации фононов и свободных носителей в области размером L порядка нескольких нм, представляет интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Имеется важное различие между квангово-размерными эффектами (при которых волновой вектор частицы дискретен) и размерными эффектами, обусловленньми локализацией вследствие рассеяния на дефектах и примесях (в этом случае затухание волны приводит к непрерывному распределению волнового вектора с шириной ~1/L).

Размерные эффекты могут быть существенны при модификации характеристик материалов с помощью различных технологических воздействий: ионной имплантации, отжигов различного типа, легирования и т.д. Такие воздействия, как правило, приводят к разупорядочению кристаллической решетки в приповерхностном слое. Причем, тип сформировавшейся структуры во многом определяет электрофизические характеристики материала.

Актуальность исследования такого рода структур оптическими методами обусловлена тем, что основные тенденции современной электроники направлены на создание полупроводниковых приборов с размерами порядка нескольких нанометров (в том числе и интегрированных в микросхемы), диагностика которых традиционными методами (например, эффект Холла) оказывается затруднительной.

Закономерности изменения спектра комбинационного рассеяния (КР) вследствие разупорядочения были впервые получены Шукером и Гаммоном [Shuker R., Gammon R. Raman scattering selection-rule breaking and the density of states in amorphous materials. // Phys. Rev.B. 1970. V.25, N 4. P.222-225.], которые предположили, что различие между кристаллическим и аморфньм состоянием вещества состоит в протяженности области существования пространственных корреляций. Несмотря на то, что разупорядоченные полупроводниковые структуры исследовались оптико-спектроскопическими методами, в частности, методом КР [Бродский М.Х. Комбинационное рассеяние света в аморфных полупроводниках. // Рассеяние света в твердых телах./ Под ред. М. Кардоны. М., "Мир", 1979. Гл.5, С. 239-289.] ряд задач еще требует своего решения. В частности, для выбора технологических режимов, обеспечивающих оптимальную активацию примеси, необходимо знание динамики процессов разупорядочения при имплантации и рекристаллизации при отжиге. Выявление особенностей КР, дающих информацию о типе структуры и взаимодействии электронной и фононной подсистем в ионно-

легированных кремнии и арсениде галлия, важно для диагностики электрофизических параметров легированных слоев.

Особыый интерес представляют исследования особенностей КР на связанных фонон-плазмонных модах (СФПМ) в полярных полупроводниках. Анализ частоты, ширины и формы линий КР, обусловленных рассеянием на СФПМ, в принципе, позволяет получать информацию об электрофизических свойствах легированного слоя (таких, как концентрация свободных носителей и их подвижность). Однако, несмотря на то, что КР на связанных фонон-плазмонных модах в n-GaAs широко исследовалось при низких температурах [Лбстрейтер Г., Кардона М., Пинчук А. Рассеяние света на возбуждениях свободных носителей в полупроводниках // Рассеяние света в твердых телах. Вып. 4. Под ред. М. Кардоны. М., "Мир", 1979, С. 12-182], возможности метода для экспресс-анализа электрофизических параметров имплантированных слоев оставались не выясненными. Так, до настоящей работы не было сообщений о СФПМ в ионно-легированном GaAs п-типа. Кроме того имелись лишь единичные сообщения о наблюдении СФПМ в тройных соединениях на основе GaAs.

Новый этап в развитии полупроводниковой опто- и микроэлектроники связан с применением квантово-размерных гетероструктур, в том числе, дельта-легированных наноструктур, структур с квантовыми ямами и сверхрешёток. Согласно теоретическим расчетам, локализация электронов и фононов в таких структурах должна уменьшать электрон-фононное взаимодействие и тем самым приводить к повышению подвижности электронов. Последнее должно способствовать уменьшению пороговых токов и увеличению квантового выхода полупроводниковых излучателей (светодиоды, полупроводниковые лазеры), улучшению соотношения «сигнал/шум» фотоприемников, росту быстродействия так называемых НЕМТ (high electron mobility transistor) - транзисторов.

Исследования изменений оптических свойств полупроводниковых наноструктур вследствие квантово-размерных эффектов имеют фундаментальный характер и важны для понимания физики локализованных состояний.

Исследования полупроводниковых структур методами фотолюминесценции и спектроскопии поглощения сопряжены, как правило, с использованием низкотемпературной (вплоть до жидкого гелия) техники. Поэтому в последнее время все большую популярность приобретают методы модуляционной спектроскопии, особенно, электро и фотоотражение (ФО). Метод спектроскопии фотоотражения позволяет бесконтактно определять величины встроенных электрических полей и особенности их пространственного распределения в полупроводниковых структурах, давать оценки концентрации носителей. Этот метод особенно интересен для исследования квантово-размерных эффектов в полупроводниковых структурах,

так как он позволяет определять энергии межзонных переходов даже при комнатной температуре.

Основной целью диссертационной работы является исследование оптических свойств -спектров КР и ФО в имплантированных слоях и полупроводниковых наноструктурах кремния и арсенида галлия и получение новых знаний об изменении этих свойств при локализации колебательных и электронных состояний (квантово-размерных эффектов).

В соответствии с поставленной целью в основные задачи диссертации входили следующие фундаментальные исследования:

> колебательного спектра кремния и арсенида галлия, при разупорядочении кристаллической структуры в результате ионной имплантации;

> закономерностей изменения колебательного спектра, обусловленных размерными эффектами и электрон-фононным взаимодействием при легировании кремния и арсенида галлия с помощью ионной имплантации и последующего теплового и лазерного отжига,

> особенностей неупругого рассеяния света на связанных фонон-плазмонных модах в легированных структурах арсенида галлия и тройных соединений на его основе,

> спектра электронно-дырочных состояний в одиночных и туннельно-прозрачных двойных квантовых ямах ОаАэ/АЮаАз,

> особенностей спектра электронно-дырочных состояний в квантовых ямах ОаАз/АЮаАв с модулированным легированием барьеров и дельта-легированных наноструктурах на основе СаАБ.

Для решения поставленных задач в работе были использованы оптические методы исследования, такие как спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), а также модуляционная спектроскопия фотоотражения (ФО) и другие методы.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Установлена корреляция особенностей в спектрах КР с наличием различных типов разупорядоченных структур (монокристалл с точечными дефектами, аморфная матрица с микрокристаллами, полностью аморфная фаза) возникающих при имплантации кремния и арсенида галлия ионами Р+, 8е+, 8Ь+, Аз+, В+, ЗГ, ва* в широком диапазоне доз (10" - 1015 см'2) и энергий (50 -150 кэВ).

2. Установлены закономерности изменения спектров KP имплантированных кристаллов кремния, подвергнутых тепловому и лазерному отжигу в процессе электрической активации имплантированной примеси.

3. Обнаружены изменения плотности фононных состояний в кремнии, имплантированном с дозами, существенно превышающими порог аморфизации, проявляющиеся в спектрах KP в виде перераспределения интенсивностей ТО-ТА компонент.

4. Обнаружены особенности KP в ионно-имплантированных монокристаллах n-GaAs, подвергнутых термическому отжигу, вызванные рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах.

5. Получены аналитические выражения для продольной диэлектрической функции Линхарда-Мермина, позволяющие описать KP на связанных фонон-плазмонных модах с учетом затухания Ландау и непараболичности зоны проводимоси n-GaAs.

6. Установлены особенности KP в тройных соединениях n-InxGai.xAs, обусловленные рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах. Характерным для связанных мод в тройных соединениях является наличие промежуточной ветви Lo (между L+ и L-), которая не наблюдается в двойных соединениях. Показано, что в n-InxGai_„As в диапазоне концентраций свободных носителей п~10|7-10" см"3 низкочастотные СФПМ попадают в область затухания Ландау.

7. Обнаружено расщепление линий в спектрах ФО двойных квантовых ям GaAs/AlGaAs с туннельно-прозрачным барьером AlAs.

8. Установлено, что в гетероструктурах на основе GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами и модулированным легированием барьеров, при концентрации легирующей примеси в барьерах, превышающей 2-Ю18 см'3, происходит изменение типов межзонных переходов.

9. Обнаружено увеличение энергии межзонных переходов в дельта-легированных

гетероструктурах GaAs при фотовозбуждении дельта слоя.

Защищаемые положения

1. При имплантации кремния и арсенида галлия ионами Р+, Se+, Sb+, As+, В+, Si+, Ga+ в

широком диапазоне доз (1011 - 1015 см'2) и энергий (50 -150 кэВ) наблюдается

трансформация спектра KP, соответствующая наличию различных типов

разупорядоченных структур (монокристалл с точечными дефектами, аморфная матрица с

нанокристаллами, полностью аморфная фаза). Установлены зависимости степени аморфизации имплантированного слоя от дозы и типа ионов.

2. Особенности, наблюдаемые в спектрах KP имплантированных кристаллов кремния, подвергнутых тепловому и лазерному отжигу, свидетельствуют о восстановлении кристаллической структуры имплантированного слоя и электрической активации примеси. Установлены пороговые значения плотности мощности лазерного излучения, необходимые для рекристаллизации.

3. Перераспределение интенсивностей ТО-ТА компонент в спектрах KP аморфного кремния вблизи порога кристаллизации свидетельствуют об изменении структуры аморфной фазы. Указанные изменения носят общий характер и наблюдаются в a-Si при имплантации с дозами, превышающими порог аморфизации, при импульсном и непрерывном лазерном отжиге, а также в пленках a-Si при химическом осаждении паров (chemical vapor deposition - CVD) с помощью плазмы тлеющего разряда.

4. Обнаруженные особенности KP в ионно-имплантированных монокристаллах n-GaAs, подвергнутых термическому отжигу, обусловлены рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах.

5. Спектры KP на связанных фонон-плазмонных модах в n-GaAs могут быть аппроксимированы с помощью предложенных аналитических выражений для продольной диэлектрической функции Линхарда-Мермина, учитывающей затухание Ландау и непараболичность зоны проводимости.

6. В спектрах ФО двойных квантовых ям GaAs/AlGaAs с туннельно-прозрачными барьерами AlAs (толщиной 0.5-1.8 нм) наблюдается расщепление линий, возрастающее с уменьшением толщины барьера.

Практическая ценность результатов работы

1. Методики, предложенные в диссертации, могут быть использованы для бесконтактного неразрушающего контроля оптических (ширина запрещенной зоны, энергии межзонных переходов), электрофизических (величина и пространственное распределение встроенных электрических полей, концентрация свободных носителей) и структурных (степень аморфизации, величина механической деформации, радиус трека) параметров полупроводниковых наноструктур на основе кремния и арсенида галлия.

2. Разработана и реализована схема разностной спектроскопии KP для планарных полупроводниковых структур, чувствительность которой к малым изменениям в спектре более, чем на порядок превосходит чувствительность традиционной методики

7

KP с последовательной регистрацией спектров. На основе этой схемы разработаны методики неразрушающего контроля таких технологически важных параметров кремния как доза имплантации (вплоть до 10" см'2), механические напряжения (начиная с 107 Н/м2), концентрация свободных носителей (начиная с 10 см" ).

3. Установлены зависимости степени аморфизации имплантированного слоя и его структуры от дозы и типа ионов при имплантации кремния и арсенида галлия ионами Р+, Se+, Sb+, As+, В+, Si+, Ga+ в широком диапазоне доз (10п - 1015 см"2) и энергий (50 -150 кэВ), а также тепловые режимы и пороговые значения плотности мощности лазерного излучения, необходимые для рекристаллизации.

4. На основе полученных результатов и предложенной теории KP на связанных фонон-плазмонных модах, разработана методика определения концентрация и подвижности носителей n-GaAs и тройных соединений на его основе. Совместное использование методов спектроскопии KP и ФО позволяет бесконтактно определять концентрацию носителей в легированных слоях n-GaAs в диапазоне 1017 - Ю20 см"3.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: XIII International Conference on Raman Spectroscopy 1992, Wurzburg, Germany , International Conference on Laser Surface Processing, Limoges, France, September 8-12, 1997, VIII International Conference Solid Surfaces Hague, Netherlands 1992, International Workshop on Modulation Spectroscopy of Semiconductor Structures, Wroclaw, 2004; на 20th General Conference Condensed Matter Division EPS, Prague, 2004; 13lh European Molecular Beam Epitaxy Workshop, Grindenwald, 2005; международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью 2005», г. Звенигород, 2005 и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 работ из них 32 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, таких как Оптика и спектроскопия, ЖТФ, ФТТ, ФТП, Известия РАН, и др. Имеются также публикации в зарубежных изданиях: Proc. SPIE., Semicond. Scie. Technol., J. of Molecular Structure, J. of Electron Spectroscopy and Related Phenomena и др.

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автор осуществлял выбор направлений и постановку задач исследований, а также проведение экспериментов и анализ полученных результатов исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 176 ссылок, из них 47 ссылок на работы автора. Работа изложена на 310 страницах, содержит 114 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обсуждается объект исследования и актуальность работы, развитие представлений о трансформации спектров КР и ФО при локализации колебательных и электронных состояний в полупроводниковых наноструктурах кремния и арсенида галлия, сформулированы цели, задачи, научная новизна полученных результатов и защищаемые положения, а также дана краткая аннотация содержания отдельных глав.

В первой главе приведены основы теории резонансного комбинационного рассеяния в полупроводниках, а также обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных КР в неупорядоченных средах, КР на связанных фонон-плазмонных модах в полярных полупроводниках А^В^ и тройных соединениях на их основе. В конце первой главы рассмотрены основы теории модуляционной спектроскопии электро и фотоотражения полупроводниковых структур, проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных различным методикам анализа спектров фотоотражения.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок и методик. Для увеличения чувствительности к малым изменениям в спектре КР, использовался метод разностной спектроскопии КР (РСКР) [1, 2], позволяющий существенно улучшить чувствительность за счет одновременной регистрации спектров от контрольного и исследуемого образцов в различные каналы регистрации с их последующим вычитанием. Поскольку в этом случае измерения спектра КР проводятся при практически одинаковых условиях (положении решетки монохроматора, интенсивности возбуждающего излучения), малые изменения в спектрах, обусловленные различиями в технологии приготовления образцов, могут быть выявлены при вычитании спектров первого и второго каналов. Установка РСКР была реализована на базе автоматизированного одноканального КР спектрометра, в котором использовался двойной монохроматор ДФС-12 и аргоновый ионный лазер мощностью 100 мВт. Возможности метода РСКР были апробированы при регистрации малых (вплоть до 0.1 см"') сдвигов линий КР в пористом кремнии [3, 4] и радиационных повреждений кристаллов кварца [5].

Для регистрации СФПМ, интенсивность которых на два порядка меньше интенсивности

фононных пиков КР первого порядка, использовался специально разработанный и созданный

многоканальный автоматизированный КР спектрометр на базе полихроматора МДР-23 и

двойного предмонохроматора с вычитанием дисперсии. В качестве фотоприёмника

9

использована высокочувствительная передающая телевизионная трубка типа супервидикон ЛИ-703 с усилителем яркости ЭП-10 на входе. Приведено обоснование выбора оптической схемы многоканального анализатора с дополнительным предмонохроматором с вычитанием дисперсии. Применение указанных выше технических решений позволило существенно повысить чувствительность и контраст прибора.

Для регистрации спектров ФО предложена методика, с применением двойного монохроматора [б], позволяющая минимизировать воздействие на образец зондирующего излучения и засветку фотоприемника рассеянным модулирующим излучением. Регистрация спектров осуществлялась с помощью двойного монохроматора МДР-6, в который была вмонтирована дополнительная входная щель. Модуляция отражения осуществлялась либо Не-Ые лазером на длине волны 632.8 нм (мощность 1 мВт), либо узконаправленными светодиодами типа СДК с длинами волн 470 нм, 530 нм, 590 нм и 650 нм с помощью механического прерывателя с частотой 370 Гц. Показано, что в спектрах ФО, зарегистрированных в оптической схеме с применением двойного монохроматора существенно улучшается соотношение «сигнал/шум».

Третья глава посвящена исследованию методом КР структурного разупорядочения кремния в процессе ионной имплантации. В ней рассматривается влияние технологических режимов имплантации (дозы, массы и энергии имплантируемых ионов) на спектры КР кремния и возможности КР по идентификации типа структуры имплантированного слоя, его профиля и пороговой дозы аморфизации. Получены количественные оценки степени разупорядочения кристаллической решетки на всех этапах процесса имплантации [7-11] для различных типов ионов в широком диапазоне доз и энергий.

В § 3.1 установлены закономерности изменения спектра КР при увеличении дозы имплантации. Получены спектры КР кристаллов кремния, имплантированных ионами Р+, 8Ь+, Эе+, Аб+, В+ с энергией Е=50 кэВ в диапазоне доз ю'2 - ю'5 см'2 и спектры РСКР тех же образцов в области фундаментального колебания кремния (у = 520.5 см'1). Установлено, что, независимо от типа имплантируемых ионов, процесс трансформации спектра КР при последовательном увеличении дозы имплантации осуществляется в три этапа, которым соответствуют три типа структуры приповерхностного слоя, различающиеся степенью нарушения дальнего порядка в кристалле. Причиной изменения спектра КР является локализация фононов вследствие сокращения корреляционной длины с ростом дозы. Тип иона влияет лишь на дозовые границы этапов. В частности, в спектре КР кремния, имплантированного ионами фосфора (рис. 1) наблюдаются следующие закономерности:

I. a.u.

S D□ 1000 510 520

Raman shift cm-1

Рис. 1. Спектры КР 81, имплантированного ионами Р+ (Е=50 кэВ). Дозы имплантации (см"2): 1 - 0, 2 - 31012, 3 -6-Ю12, 46-1012, 5 - 1-Ю13, 6 - З-Ю13, 7 -б-1013, 8 - З'Ю14, 9 - 61014 (слева)

и разностные спектры в области фундаментального колебания (справа) эталонного и

имплантированных образцов.

1) при дозах 3-Ю12 - З-Ю13 присутствует максимум фундаментального колебания и полосы второго порядка, ответственные за двухфононные процессы. При увеличении дозы имплантации происходит ослабление максимумов КР первого и второго порядка. Это свидетельствует о сокращении корреляционной длины в кристалле, хотя ее величина остается большой по сравнению с длиной волны света. Такой вид спектра соответствует накоплению точечных дефектов в решетке кремния при сохранении монокристалличности.

2) при дозах З-Ю13 - 3-1014см'2 появляются широкие полосы с максимумами 160, 300 и 470 см, соответствующие максимумам плотности фононных состояний и свидетельствующие о переходе в аморфную фазу. Наблюдающаяся на их фоне уширенная и сдвинутая в область низких частот линия фундаментального колебания свидетельствует о наличии нанокристаллов в аморфной матрице. Такому типу спектров соответствует величина корреляционной длины в диапазоне 3-30 нм.

3) Дозы ЗТ014 - 6-ю14 см" 14 и более. В спектре наблюдаются только полосы, соответствующие аморфной фазе. Это свидетельствует о полной аморфизации приповерхностного слоя. Характерная для такой структуры корреляционная длина сравнима с параметрами кристаллической решетки.

В § 3.2 для количественной оценки степени аморфизации имплантированного слоя мы

ввели параметр = 1 —— (где Iimp и Io - интегральные интенсивности имплантированного и •^о

эталонного образца, соответственно) и измерили методом РСКР его значение для нескольких

серий образцов кремния, имплантированного ионами фосфора, сурьмы, бора, мышьяка, селена с энергией Е=50 кэВ в диапазоне доз СМ .

В зависимости £ от дозы имплантации для различных ионов наблюдаются три характерных участка (рис. 2): I - медленное возрастание £ вблизи 0; II - резкое возрастание £; III - "насыщение" вблизи 1. Каждый из участков соответствует определенному типу структуры имплантированного слоя: I - монокристалл с дефектами; II - аморфная матрица с нанокристаллами, количество и размер которых уменьшаются с ростом дозы имплантации; III -полностью аморфный слой. Используя модель, описывающую связь параметра % с объемной долей аморфной фазы /а, мы определили степень и пороговые дозы аморфизации имплантированного слоя для ионов различного типа (рис. 3).

а.и.

Рис. 2. Зависимость параметра Рис. 3. Зависимость объемной доли

£ = 1-тр! от дозы аморфной фазы/а кремния, от дозы

имплантации для различных ионов.

имплантации для различных ионов.

В § 3.4 рассмотрены особенности КР, обусловленные изменением энергии имплантированных ионов, и установлена их корреляция с соответствующими изменениями профиля структуры имплантированного слоя. Для повышения чувствительности к малым изменениям в спектре использовалась методика РСКР. Анализ спектров КР кристаллов кремния, имплантированных ионами Р+, Ав"1", Бе"1", показал, что вид спектра зависит как от величины энергии имплантируемых ионов, так и от конкретного сочетания энергии и дозы имплантации. Для примера рассмотрим спектры КР кристаллов кремния, имплантированных

ионами фосфора с дозой Б = 3-10 14 см"2 и энергиями Е, = 50 кэВ (а) и Е2 =150 кэВ (Ь) (рис. 4).

1. a.u.

оЧ

У

ь

150 кэВ

500 IODO 510 Ranian shift, cm"'

a-S¡ + nc-S¡

Слабое

разупорядочение

ХМ

Рис. 4. Спектры КР кристаллов кремния, Рис. 5. Плотность энергетических потерь

имплантированных ионами фосфора с дозой ионов Р+ в кремнии в зависимости от

Б = 3-10 14 см-2 и энергиями Е, = 50 кэВ (а), расстояния до поверхности. Волнистые

Е, =150 кэВ (Ь), а также спектр эталонного стРелки Устают глубины проникновения

, ч света (Я =488 нм) в аморфном и монокристалла кремния из той же серии (с)

(слева). Разностные спектры для тех же кристаллическом кремнии, образцов приведены справа.

Для энергии Ег =150 кэВ линии, соответствующие аморфному кремнию, не наблюдаются, хотя доза имплантации превышает порог аморфизации. Линия фундаментального колебания фактически не изменяется по интенсивности по сравнению с эталонным образцом. Однако, соответствующий спектр РСКР свидетельствует о сдвиге ее частоты (Д V = 0,16 + 0,08 см"1) и уширении (А/ = 0,3 + 0,1 см"'). Такие изменения параметров линии обычно наблюдаются при возникновении в решетке механических напряжений. Полученные результаты можно объяснить, учитывая, что критическая плотность потерь энергии для спонтанного перехода в аморфное состояние не зависит от типа иона и энергии и составляет ~ 5-10^0 кэв/см"3. Таким образом, аморфный слой может формироваться, начиная с доз имплантации, для которых максимальное значение плотности потерь энергии превышает критическое значение. Если при этом энергия имплантации невелика, то максимум плотности потерь энергии лежит вблизи поверхности, и критическое значение достигается как в максимуме, так и на поверхности. В

13

этом случае аморфная фаза формируется непосредственно на поверхности и существует только одна (нижняя) граница ее раздела с кристаллической фазой.

При увеличении энергии имплантации максимум энергетических потерь сдвигается вглубь кристалла. На поверхности плотность потерь энергии падает ниже критического значения, и аморфный слой формируется, начиная с глубины, где это значение достигается. Между поверхностью и аморфным слоем образуется деформированный слой, сохраняющий кристаллическую структуру. Таким образом, кроме нижней границы раздела аморфного слоя и субстрата возникает вторая (верхняя) граница раздела аморфной и кристаллической фаз. При дальнейшем увеличении энергии имплантации граница раздела фаз сдвигается вглубь кристалла, толщина приповерхностного кристаллического слоя растет, и его деформация уменьшается. Увеличение дозы имплантируемых ионов приводит к уменьшению толщины приповерхностного кристаллического слоя, и при определенной дозе аморфная фаза может снова выйти на поверхность.

На рис.5 приведена плотность энергетических потерь ионов фосфора в кремнии в зависимости от их глубины проникновения. Там же указываются энергетические границы формирования той или иной структурной фазы, а также глубины проникновения света (Я = 488 нм) в аморфный и кристаллический кремний. Видно, что для более медленных ионов с энергией Е = 50 кэВ критическое значение потерь энергии достигается уже на поверхности. Следовательно, от самой поверхности слой имеет аморфную структуру, и существует лишь одна граница раздела аморфной и кристаллической фаз. Глубина проникновения света достаточна для зондирования не только аморфного слоя, но и нижележащего кристалла. Действительно, в спектре КР мы наблюдали (рис. 4-а) широкие аморфные полосы от приповерхностного слоя и узкий кристаллический пик от подложки.

Для более быстрых ионов фосфора с энергией Е = 150 кэВ уровень энергетических потерь остается ниже критического вплоть до глубины 0.2 мкм, что обусловливает малое разупорядочение в приповерхностной области. Свет, проникая на глубину 0,1 мкм, зондирует именно эту область и не затрагивает максимально разупорядоченный слой, находящийся на глубине 0.2 - 0.3 мкм. Поэтому в спектре (рис. 4-Ь) отсутствуют полосы, соответствующие аморфной фазе.

В § 3.4 исследован вопрос приводит ли увеличение дозы имплантации свыше пороговой дозы аморфизации к дальнейшим изменениям структуры аморфизованного слоя, и можно ли получить информацию о таких изменениях из спектра КР. Исследования такого рода не проводились для имплантированных образцов. Их проведение осложнено тем, что при больших дозах имплантации наблюдается явление "самоотжига", то есть восстановление кристаллической структуры в аморфном слое под действием тепла, выделяемого в процессе

имплантации. Для предотвращения "самоотжига" должны предприниматься специальные меры: уменыпенние плотности ионного тока, термостатирование образца. Причем, чем меньше масса имплантируемого иона, тем более существенную роль играет "самоотжиг". Мы исследовали [8], серию образцов кремния, имплантированных тяжелыми (по сравнению с кремнием) ионами сурьмы (М=121) с энергией Е=50 кэВ с превышающими порог аморфизации дозами от 6-Ю13 до 4-Ю16 см'2.

Установлено, что рост дозы имплантации приводит к перераспределению интенсивности полос в аморфном спектре: при неизменной интенсивности LA-пика интенсивность ТО-пика падает, а ТА-пика - возрастает. Причем, соотношение интенсивностей ТА-ТО пиков однозначно соответствует дозе имплантации. Одновременно с этим происходит уширение ТО-пика от 80 см"1 (D=6-1015 см"2) до 120 см'1 (D=4-1016 см"1), которое можно объяснить увеличением среднеквадратичного значения угла отклонения тетраэдрических связей Adrms от значения, соответствующего идеальной тетраэдрической координации. Основываясь на полученной Биеманом [Веетап D., Tsu R., Thorpe M.F. Structural information from the Raman spectrum of amorphous silicon. // Phys.Rev.B. 1985. V.32, N.2. P. 874-878.] зависимости между шириной ТО-пика и величиной Авгт,

Гю=Г0+Ге= 5 + 16-Д0т, (1)

мы оценили Л9гт в образцах исследованной нами серии, и получили, что при увеличении дозы имплантации от 6-1013 см"2 до 4-1016 см"2 А6гт возрастает от 8 до 11 градусов [8]. Таким образом, при превышении предела аморфизации разупорядочение кристаллической решетки кремния продолжает расти с ростом дозы. Однако, параметром, характеризующим степень разупорядочения в этом случае является не корреляционная длина, а величина флуктуации угла тетраэдрических связей.

Аналогичные изменения наблюдались нами в спектрах КР аморфных пленок кремния при их осаждении на пластины Si с ориентацией (100), покрытые окислом Si02 разложением моносилана при низком давлении [10] и в процессе кристаллизации аморфных пленок гидрогенизированного кремния a-Si:H при отжиге непрерывным аргоновьм лазером [12]. Результаты этих исследований приведены в § 3.7.

В § 3.5 КР и измерения отражательной способности с временным разрешением были использованы нами для контроля кинетики процесса восстановления кристалличности в аморфизованном, в результате имплантации ионов Р+ кремнии, при облучении импульсами рубинового лазера с различной плотностью энергии W [9, 11]. Особое внимание уделялось выявлению структурных изменений до, и сразу после порога кристаллизации.

На рис. 6 показаны спектры комбинационного рассеяния кремния до и после имплантации ионами Р+ с постепенным увеличением дозы от 1013 см"2 до 2-1015 см'2.

Ниже дозы 6-1013 см'2 спектр КР имплантированного кремния (рис. 6-Ь) похож на спектр неимплантированного эталонного c-Si (Рис. 6-а) с уменьшенной силой осцилляторов двухфононных мод. (На рисунке однофононный спектр обрезан, чтобы показать особенности изменения двухфононного спектра). При дозе 610|3см"2 (рис. 6-с) появляется широкая полоса около 160 ст'1, соответствующая плотности фононных состояний в области акустической ветви (ТА). ТА-полоса в спектре наблюдается одновременно с остаточными линиями двухфононного рассеяния и асимметричной линией 520.5 см. Асимметрия проявляется в виде "хвоста" в низкочастотной области от максимума. Такой спектр КР соответствует промежуточному этапу структуры между кристаллическим и аморфным состояниями -аморфной матрице с встроенными нанокристаллами.

Резкий переход от кристаллической к аморфной фазе наблюдается, когда доза увеличивается до 3-Ю14 см'2 (рис. б-d). Двухфононное рассеяние исчезает. В спектре доминируют широкие линии (160, 300, 470 см"1), соответствующие максимумам плотности фононных состояний в кремнии (ТА, LA, ТО). Слабая узкая линия с параметрами, равными параметрам c-Si, обусловлена рассеянием от подложки. При дозе 61014 см"2 (рпис. 6-е) и больших, нет никаких спектроскопических свидетельств о наличии каких-либо структурных фаз отличающихся от аморфной. Мы наблюдали аналогичные, но обратные структурных превращения, когда кремний, аморфизованный имплантацией ионов Р+, подвергался лазерному облучению для восстановления его кристалличности с постепенным увеличением плотности энергии лазерного импульса (рис. 7). Начиная со значения W = 0,4 Дж/см2, спектры демонстрируют суперпозицию широких линий a-Si и спектральной особенности около 520 см"1. Более детальный анализ этой линии показал, что это дублет. Его первая составляющая имеет параметры, соответствующие c-Si, и обусловлена рассеянием от подложки. Вторая линия, уширенная на 7 см"1 и сдвинутая в низкочастотную область на 6 см"1 по отношению к c-Si, указывает на наличие нанокристаллической фазы. Размеры нанокристаллов, полученные из КР согласно модели локализации фононов, были около 5 нм. При повышении плотности энергии эта линия сужалась и приближалась по частоте к линии c-Si, что отражало увеличение размеров нанокристаллов. Одновременно с возрастанием интенсивности дублета, амплитуда широких полос a-Si уменьшалась. Это означает, что объемная доля кристаллической фракции в смешанной структуре увеличивается. При W = 1.5-2.2 Дж/см2 a-Si полосы окончательно исчезают и спектр КР соответствует спектру c-Si, что свидетельствует о восстановлении монокристаллической структуры. Таким образом, для процесса рекристаллизации мы выявили пороговое значение плотности энергии лазерного излучения, ниже которого нет видимых

16

изменений молекулярной структуры. Выше этого уровня, первоначально аморфная структура трансформируется в смешанную аморфно-нанокристаллическую фазу, и, наконец (при большей плотности мощности), в кристаллический кремний.

500

VftVENUMSER. СМ"1

1000

т

200 <00 VflVENUttBER. СИ"'

600

Рис. 6. Спектры КР кремния, до (а) и после Рис. 7. Спектры КР Si:P+- (D = 2 1015 см"2, Е = имплантации ионам фосфора (Е = 70 кэВ) в 70 кэВ) до (а) и после облучения одиночными зависимости от дозы D = 1 1013 см"2 (Ь), 6 1013 импульсами рубинового лазера (Т = 70 не) с см"2 (с), 3 1014см"2 (d), 6 1014 см "2 (е). плотностью энергии W = 0.4 Дж см'2 (Ь), 0.53

Дж см"2 (с), 2.2 Дж см"2 (d).

В четвертой главе рассматривается КР и структурное разупорядочение в арсениде галлия при имплантации ионами Si+, Se+ [13, 14]. Ионы кремния с энергией 140 кэВ имплантировали в полуизолирующий GaAs (п<10^ см"3) с ориентацией (100) в интервале доз 1013-5-1014см-2.

В спектрах КР имплантированных образцов (рис. 8, 9) с увеличением дозы имплантации наблюдалось уменьшение интенсивности LO компоненты, ее сдвиг в сторону низких частот и асимметричное уширение. Кроме того, происходило нарастание интенсивности широких полос в области 70, 180, 250 см~1, характерных для аморфного GaAs. Наличие в спектрах имплантированных образцов как смещённой и уширенной LO-компоненты, так и линий

аморфного ОаАз указывает на то, что приповерхностный слой является аморфной матрицей, содержащей нанокристаллы, средний размер которых зависит от дозы имплантации.

I, Отн. Ед.

Рис. 8. Спектры КР ОэАб, имплантированного Рис. 9. Сдвиг и уширение Ш ионами 81+ с энергией 140 кэВ и дозами: 0 - (1), компоненты КР для спектров, 1013 - (2), 5-Ю13 - (3), 1014 - (4), 5-Ю14 - (5).

показанных слева.

Для количественного анализа экспериментальных результатов, следуя модели Рихтера [.Richter H., Wang Z.P., Ley L. The one phonon spectrum in microcrystalline silicon // Solid St. Com. 1981. V.39. P.625-629.], учтем локализацию фонона, домножив его волновую функцию на весовую функцию W(r,L) = exp(-Sn2r2/L2 ), описывающую спадание амплитуды фонона на границе сферической области диаметром L. При таком выборе функции W(r,L), дающем наилучшее согласие теории и эксперимента, интенсивность линии КР первого порядка будет описывается следующим выражением:

m~û\^\-qL-I dq

16 л-

(2)

[«-*(<?)] + (Го/2)2 где: а>(д) - дисперсионная кривая фонона, Го - ширина Ш компоненты неограниченного монокристалла, а -постоянная кристаллической решётки.

Сравнение экспериментальных данных с рассчитанными по (2) зависимостями от Ь частотных сдвигов и уширения ЬО компоненты позволило получить оценки размера микрокристаллов для различных доз имплантации (таблица 1).

Таблица 1. Параметры ЬО - компоненты КР, размеры нанокристаллов Ь и доля кристаллической фракции fc арсенида галлия при различных дозах имплантации Б.

D, 1014см"2 vlo,cm"1 гю.см"1 1/10 L/rh L, нм fc

0 291.5 3.0 1 1 со 1

0.1 290.6 5.3 0.65 1.9 7 0.87

0.5 288.0 10.6 0.39 2.1 5 0.67

1.0 288.1 10.8 0.34 2.2 4.5 0.64

5.0 287.1 11.2 0.28 2.6 4.0 0.58

Для корректного определения интегральной интенсивности I, положения у=ш/2лс, ширины Г= Га +Гь и параметра асимметрии 8 = Га/Г^, LO компонента аппроксимировалась лоренцианом с различными значениями левой и правой полуширин Га и Г^,. Полуширины, а также амплитуда и положение лоренциана являлись подгоночными параметрами. Перед аппроксимацией из спектра, наблюдаемого в геометрии рассеяния x(yz)x, вычитался спектр аморфного GaAs, полученный в геометрии x(y'z')x, для которой рассеяние LO фононом запрещено.

Указанный выше механизм не приводит к изменению интегральной интенсивности линий KP. В связи с этим можно считать, что наблюдаемое экспериментально уменьшение интенсивности LO компоненты при возрастании дозы имплантации, обусловлено уменьшением доли кристаллической фракции и увеличением коэффициента поглощения а имплантированного слоя, вследствие его аморфизации. Эффективная толщина 1=1/2а исследуемого в KP слоя составляет 44 нм для кристаллического, и 11 нм для полностью аморфизованного GaAs, что почти на порядок меньше средней толщины имплантированного слоя (около 200 нм для ионов Si с энергией 140 кэВ). Поэтому, будем считать, что имплантированный слой является однородной двухфазной средой с коэффициентом поглощения света а = оicfc +aAfA, где ас, ад - соответственно коэффициенты поглощения кристаллического и аморфного GaAs, а fc, fA - доля кристаллической и аморфной фракции, причем fc+fA = 1. В этом случае отношение интегральных интенсивностей LO компонент имплантированного и неимплантированного образцов определяется следующим

/' frаг соотношением: — --^-.

10 f(Pc + fA<*A

Вычисленные по этой формуле дозовые зависимости fc приведены в таблице 1.

19

Используя модель, описывающую процесс аморфизации при ионной имплантации как результат слияния кластеров радиационных нарушений, нами было установлено, что полученные экспериментальные результаты соответствуют нулевой кратности перекрытия кластеров. Это означает, что при имплантации каждый ион 81+ образует аморфную область и яО2

ехр(-ЭФ), где Б =-- площадь поперечного сечения трека. Найденное таким образом

4

среднее значение диаметра трека ионов кремния 05,=0.8 нм оказалось в разумном согласии со значениями О для ионов бериллия 0Ве= 0.4 нм и мышьяка Ом= 1 нм, с учетом разности масс и радиусов этих ионов и, соответственно, сечений упругого рассеяния.

Пятая глава посвящена исследованию КР на связанных фонон-плазмонные модах в легированном ОаАэ и тройных соединениях на его основе.

В § 5.1 рассмотрены особенности КР в имплантированных образцов ваАБ после термического отжига [15-17]. Отжиг проводился под защитным покрытием нитрида кремния в атмосфере водорода при температуре 900° С в течение 20 мин. Как видно из рисунка 10, для образца с максимальной дозой имплантации в спектре обнаруживается слабый ЬО максимум, интенсивность которого сравнима с интенсивностью запрещенной ТО компоненты, а также широкие полосы в области частот 280 и 510 см"1, обозначаемые в дальнейшем Ь_ и Ь+. Следует отметить, что частота и ширина Ш компоненты в пределах ошибок эксперимента соответствует параметрам линии КР монокристалла до имплантации. Это свидетельствует о восстановлении кристаллической структуры имплантированного слоя после проведения термического отжига.

При уменьшении дозы имплантации частота моды Ь+ перемещается в область ЬО

компоненты, интенсивность которой возрастает. Изменения в спектре образцов после отжига

могут быть объяснены восстановлением кристаллической структуры СаАв и электрической

активацией внедренной примеси. Взаимодействие флуктуаций зарядовой плотности

образовавшихся свободных носителей с макроскопическим электрическим полем ЬО

колебаний кристаллической решётки приводит к образованию связанных плазмон-фононных

мод Ь_ и частоты которых зависят от концентрации свободных носителей п.

Ш максимумы на рис.10 обусловлены КР из области пространственного заряда (ОПЗ),

обедненной свободными носителями. Интенсивность ЬО компоненты определяется толщиной

£ Ф 2 0 п

ОПЗ которая зависит от п: с! = где Ф4- высота потенциального барьера на

2же п

поверхности, е0 - статическая диэлектрическая проницаемость, е - заряд электрона.

Увеличение частоты моды и уменьшение интенсивности Ш - компоненты (рис. 10) свидетельствуют об увеличении концентрации электронов в приповерхностном слое отожжённых образцов с ростом дозы имплантации.

ь х 5 йааг: э1+140 кеу аплел 900'с, 20'

2б0 280

300 300 400 500 600 НАМАИ ШТ , ст 1

Рис. 10. Спектры КР ОаА5, имплантированного Рис. 11. Разложение спектра КР ионами 51+ с энергией 140 кэВ после термического показанного слева для дозы 1-10

п .2 см (а) и 510 см"2 (б): 1 - ТО

отжига. Дозы имплантации указаны в см, „ „ \ ' ,

фонон, 2 - мода Ь-, 3 - ЬО фонон.

Для количественного описания указанных особенностей спектров КР было использовано выражение для сечения рассеяния света связанными плазмон-фононными модами [Абстрейтер Г., Кардона М., Пинчук А. Рассеяние света на возбуждениях свободных носителей в полупроводниках // Рассеяние света в твердых телах. Вып. 4. Под ред. М. Кардоны. М„ "Мир", 1979, С. 12-182]:

К-®)

(3)

где, <з>1 = т1 (С +1), С - коэффициент Фауста-Генри, е(д,й>) = + (ш) +

2 2 со,0 -СОю

где Х1 (,<в) = £„ ——;-есть вклад полярной решетки в диэлектрическую

°>то ~°>

восприимчивость, Соо - высокочастотная диэлектрическая проницаемость полупроводника, X (д,&>) - вклад электронной плазмы в восприимчивость.

Когда затухание Ландау мало х{я>0}) выражается классической формулой Друде:

со

где сор{ц)-плазменная частота. Для малых волновых векторов (¡г, она определяется выражением:

= + (5)

пег

где: а>2р (0) =-, V =—— - скорость Ферми, кГ - волновой вектор Ферми,

* г т *

I 2 \1/3

связанный с электронной концентрацией п соотношением к =1 Ъл п\ , т* - эффективная

масса, £0- диэлектрическая проницаемость вакуума, е - заряд электрона.

Оказалось, что соотношение (3) в приближении Друде не даёт удовлетворительного согласия с экспериментальными данными. В частности, теория не объясняет попадание моды Ь. в область между ТО и Ш фононами (рис. 11). Это связано с тем, что применимость

т, Ч1

рассматриваемой модели определяется соотношением со >ду,1+ ——, выполняющимся лишь

2т*

для моды Ь+. Для моды Ь. это соотношение не имеет места и она должна испытывать дополнительное затухание (затухание Ландау), обусловленное распадом плазмона на одночастичные возбуждения.

Для учёта затухания Ландау и пространственной дисперсии, нами предложен другой подход, в рамках которого получено удовлетворительное согласие с экспериментом [15 - 17]. При этом использовалось выражение Линхарда-Мермина для диэлектрической проницаемости:

1

- восприимчивость Мермина, учитывающая столкновительное время затухания г = —,

Г

гя-У^ (йй,)2 -(E(k + q)-E(q))

- восприимчивость Линхарда.

Учтем непараболичность зоны проводимости, выбирая зависимость энергии электронов Е(к) от волнового числа к в виде:

Е(к) = — + А4кА + А6к6 У ' 2т* 4 ^

где т* - эффективная масса, А^яА^- константы, определяющие непараболичность зоны проводимости.

Подставляя выражение (8) в (7), и ограничиваясь низкотемпературным приближением Т -» 0, когда функция Ферми /(к,Т)=1, если к<кг и равна нулю в противном случае, для восприимчивости Линхарда получим следующее аналитическое выражение:

Х°(1>а) =

Я2тг

■ Ш1 р

Т^Г (я>°>) - у2 + ^ (д,а) + ^ (д,со)}

(9)

Здесь:

р

" 6 21 15 *

а, +

-В2

2 9

1

В* + \вп + ^ - ВУТ - Х-В^а1

р

К + ^ + ^) + + + Я6<

где

Д3т=-4(Д4±12р/?£>6); 5„=- 6Я6;

п - , 1Е_.

Е,- Е,

Н д . г 0)

ЕР =-— - энергия Ферми, дте = \/3 — - волновой вектор Томаса-Ферми.

т* Уг

Результаты расчёта показали, что (9), в целом, верно описывают поведение связанных фонон-плазмонных мод, наблюдаемое в эксперименте. Следует отметить, что в этом приближении предсказывается переход частоты моды Ь. через частоту ТО фонона,

наблюдаемый в эксперименте, который невозможно объяснить в рамках теории Друде. То, что выражение записано в аналитическом виде позволяет использовать его для экспресс-анализа электрофизических параметров в качестве функции, аппроксимирующей экспериментальные результаты.

В § 5.3 для изучения особенностей взаимодействия фонон-плазмонных мод в тройных соединениях на основе ОаАэ были исследованы спектры КР легированных эпитаксиальных пленок 1пхОа|.хАз. На рисунке 12 представлены спектры трех образцов 1п0)ОА09Аз с

концентрацией носителей п=М017, 2-Ю18 и 5-Ю18 см'3. Верхний спектр для образца с концентрацией 1017 см'3 практически соответствует спектру использовавшейся высокоомной подложки (п~1016 см"3) ОаАэ. Как видно из этого рисунка, в соответствии с правилами отбора для ориентации (100) в спектре обнаруживается резкий максимум КР, соответствующий Ш фонону ОаАэ. Кроме того, проявляется слабый максимум КР, соответствующий запрещенной в данной геометрии ТО моде ОаАэ. В высокочастотной части спектра наблюдается линия, соответствующая рассеянию второго порядка ЬО-фонона ОаАэ, обозначенная 2ЬО.

(лЗпс, ст'1

LO(GaAs)

L0CInAi) LovroiGaA,

L+ /

» ___ —

f

i ге-ю' i «xio* алию* ззчУ

Рис. 12. Спектры КР образцов n-Ino.1Gao.9As (Я.=514.5нм). Рис. 13. Зависимость частот СФПМ ,, , . » , и 1 от концентрации свободных

A: n=10 cm , В: n=2-10 cm , С: n=5-10 cm . носителей в n-In„,Gao,As в

приближении Друде.

При увеличении концентрации носителей до п=2 •1018 см" (Рис. 12-В) наблюдается ослабленный LO максимум и дополнительная полоса в области частоты ТО колебания GaAs. При этом в области частот 520 см"' наблюдается широкая, слабая линия, обозначенная на рисунке L+. Несмотря на то, что частота моды L+ при этой концентрации носителей попадает в область спектра второго порядка GaAs, ее присутствие хорошо видно на рис. 12-В. При концентрации носителей п = 510^ см~3 эта мода перемещается в область 820 см"'. Такое

24

поведение позволяет отнести эту линию к связанной фонон-плазмонной моде Ь+. Слабые ЬО (ОаАз) максимумы (на рис. 12-В,С) обусловлены рассеянием из области пространственного заряда (ОПЗ), обедненной свободными носителями. Интенсивность Ш компоненты определяется толщиной слоя ОПЗ. При концентрации носителей п<1017 см"3 толщина обедненной области превышает глубину проникновения света и регистрируется КР на Ш фононах, не взаимодействующих со свободными носителями (на рис. 12-А).

Изменения в спектре 1пхОа|.хАз могут бьпъ объяснены в рамках трехосцилляторной модели СФПМ [18]. Т.к. для 1пхОа]_хАз в диапазоне концентраций свободных носителей см"3 в область затухания Ландау попадают низкочастотные СФПМ, имеющие слабую частотную зависимость от п (рис. 13), для экспресс-анализа концентрации свободных носителей методом КР, целесообразно использовать зависимость от п моды Ь+. При п~10'8-1019 мода является плазмоноподобной, поэтому для расчета ее частоты использовалось

приближение Друде. При этом учитывалось, что для 1пхОа\.хАз эффективная масса электронов *

т^ в Г-зоне изменяется с составом соединения. Для учета непараболичности зоны

проводимости использовалась зависимость т* от п в виде:

1 1 Ф - = —(1-2—) (10)

т \

— р2 э п

где Ф = (3жп) -—, Е - ширина запрещенной зоны (Е = 0.75е V).

2т0 8 8

На рис. 13 представлены рассчитанные зависимости частот связанных мод от

концентрации носителей в n-Ino.1Gao.9As. Частоты показаны как функции квадратного корня из

концентрации носителей. Зависящая от волнового вектора плазменная частота еор(ф

представлена пунктирной линией. Граница области затухания Ландау саЗРЕ отмечена штрих-пунктирной линией. Как видно из рисунка, высокочастотная мода находится вне области затухания Ландау и для ее описания может быть использовано приближение Друде. При высокой концентрации носителей (пМО^см'З), мода носит плазмоноподобный характер, и ее частота практически совпадает с плазменной частотой.

Следует отметить поведение моды Ьо, которая является отличительной особенностью СФПМ в тройных соединениях. Предсказываемое в приближении Друде поведение моды Ьо, занимающей положение между частотой Ш фонона 1пАз и ТО фонона ОаАэ наблюдается в А1хОа1.хАз. Однако в тройных соединениях с меньшей шириной запрещенной зоны, таких как

1пх0а|.хА5, эта мода наблюдается в области между ТО и ЬО фононом СаАз, что объясняется попаданием ее частоты в область затухания Ландау.

В шестой главе приведены результаты исследований электрофизических параметров ваАз методами спектроскопии КР и ФО.

В § 6.1 методы КР и ФО используются для определения концентрации свободных носителей эпитаксиальных пленок п-ваАз [19]. Определение концентрации свободных носителей п в п-ваАз методами спектроскопии КР и ФО основано на зависимости от п частоты КР СФПМ и периода осцилляций Франца-Келдыша (ОФК), наблюдаемых в модуляционных спектрах легированных полупроводников. Образцы для исследований были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии. По данным измерений методом Холла, концентрация носителей в образцах № 1 - 5 составляла 3.2-1017, 6.0-1017, 2.01018, 4.3-1018 и 7.0-1018 см"3 соответственно.

В спектрах КР наблюдались спектральные особенности, соответствующие поперечным и продольным колебаниям решетки, КР второго порядка и высокочастотной СФПМ 1Л С уменьшением концентрации носителей (образцы с № 4 по № 1) частота моды Ь+ смещалась в низкочастотную область. При этом интенсивность ЬО компоненты, обусловленной рассеянием из ОПЗ, возрастала.

По частоте моды в спектрах КР образцов № 3 - 5 с помощью выражений для а>+ в приближении Друде мы определили концентрацию носителей. При расчетах учитывалась зависимость эффективной массы от п, обусловленная непараболичностью зоны проводимости ОаАв, существенной при концентрациях ~ 1018 см"3. Данные, полученные методом КР, хорошо совпадают с результатами измерений методом Холла. Относительная погрешность при определении концентрации носителей методом КР зависела от погрешности определения частоты <а+ и составляла 5-10%.

Метод КР оказался эффективным для определения концентрации носителей только для значений п > 1018 см'3 (в образцах № 3 - 5). При меньших значениях концентрации носителей мода Ь+ попадает в область Ш колебаний кристаллической решетки, и определение ее частоты оказывается затруднительным.

Мы провели исследование образцов № 1 - 5 методом спектроскопии ФО. В спектрах ФО образцов № 1 - 2 наблюдаются ОФК различных периодов, причем их период увеличивается с ростом концентрации носителей. В спектрах ФО образцов № 3 - 5 наблюдаются ОФК с одним периодом, причем их период уменьшается с ростом концентрации носителей. С целью выяснения источников наблюдаемых ОФК была проведена регистрация спектров ФО при модуляции излучением светодиодов с длинами волн 470, 530, 590 и 650 нм. В

результате было установлено, что осцилляции с большим периодом связаны со встроенным электрическим полем в области приповерхностной ОПЗ, а осцилляции с малым периодом - с электрическим полем на границе раздела легированная пленка - полуизолирующая подложка. Относительная погрешность при определении концентрации носителей методом ФО была не более 10%. Метод ФО оказался эффективным для определения концентрации носителей при 1017 < п < 1018 см'3 (в образцах № 1 - 2). При концентрации носителей, больше 1018 см"3 толщина приповерхностной ОПЗ составляет несколько десятков нм и вклад в спектр ФО от этой области оказывается несущественным.

Таким образом, методы спектроскопии КР и ФО взаимно дополняют друг друга при определении концентрации носителей в легированных пленках п-ваАз и позволяют бесконтактно проводить измерение п в диапазоне концентраций 10п < л < 1019 см"3.

В § 6.2 приведены результаты исследований процессов компенсации проводимости эпитаксиальных пленок п-ОаАз при имплантации ионами В+, Аэ+, ва+ методами КР и ФО. Исследования особенностей спектров КР на различных этапах формирования изолирующих слоев проводились на примере имплантации эпитаксиальных пленок низкоомного п-ваАз ионами В+, Аз+, и Оа+ [20, 21]. Исходные образцы представляли собой полученные методом газофазной эпитаксии пленки п-ваАз. Подложкой служил высокоомный ОаАэ с ориентацией (100). Толщина пленок составляла 0.5 мкм. До имплантации пленки характеризовались п-типом проводимости с концентрацией носителей п=2-10'8 см"3, возникающей за счет легирования кремнием в процессе роста пленки. Имплантация проводилась ионами В+ с энергией 100 кэВ и дозами в диапазоне 3.1-10" - 1.2-1014 см". В спектрах КР исходных пленок наблюдались ослабленная линия ЬО, КР второго порядка и СФПМ Ь+. При имплантации ионами В+ с дозой 3.110" частота моды Ь+ уменьшалась. При дозе 6.21012 см"2 интенсивность линии Ш увеличивалась, а СФПМ Ъ+ исчезала, что сидетельствовало о компенсации проводимости пленки и подтверждалось измерениями коэффициента Холла и электропроводности пленок.

При дальнейшем увеличении дозы имплантации в спектре КР наблюдается уменьшение интенсивности ЬО компоненты, ее сдвиг в сторону низких частот и уширение, что, как было показано ранее, свидетельствует о наличии нанокристаллической фазы. При дозе 1.2-1014 см"2 в спектре появляется широкий континуум, характерный для аморфного ваАз.

Были также проведены аналогичные исследования для других имплантантов: ионов Аз+ и ва+. Спектры КР ОаАэ, имплантированного различными дозами этих ионов показывают, для Оа+ и Аэ+ процесс дефектообразования и компенсации исходой проводимости начинается при меньших дозах и идет быстрее. При этом линии СФПМ, наблюдаемые в исходных эпитаксиальных пленках исчезают уже при дозе имплантации 3-1011 см"2. Это обясняется большей (более чем в 6 раз) массой этих ионов по сравнению с ионами В+. Как показали

измерения коэффициента Холла, уже при дозе имплантации ионов Оа+ или Аэ+ 3-Ю12 см'

-2

образец характеризуется проводимостью р-типа.

С целью получения более полной информации о процессах, сопровождающих ионную имплантацию и компенсацию проводимости эпитаксиальных пленок ваАз, был использован метод фотоотражения [22]. Регистрация спектров фотоотражения производилась в области

доминирует пик с положительными значениями AR/R в области длин волн 850 - 870 нм. С увеличением дозы имплантации в спектрах наблюдается изменение амплитуды и полярности пика, а также его смещение в длинноволновую область.

Обработка экспериментально полученных спектров заключалась в аппроксимации их теоретической зависимостью

где А, <р- амплитудный и фазовый параметры, Нсо - энергия зондирующего излучения, £,■ - положение спектральной особенности, Г - параметр уширения. В ходе аппроксимации варьировались параметры А, ср, Ег и Г, а также параметры фона.

Как известно, величина Г определяется процессами рассеяния на примесях, фононах и различных несовершенствах кристаллической структуры полупроводника, причем Л=е/(ц-т*). Таким образом, по спектрам ФО можно оценить подвижность носителей как -1230 см2/В-с для исходного образца и 920 см2/В с для образца, имплантированного ионами В+ дозой 3-Ю11 см"2. Полученные из измерений слоевого сопротивления и эффекта Холла значения подвижности составили 1600 и 800 см2/Вс соответственно, что с удовлетворительной точностью совпадает с полученными из спектров ФО.

Проведенные электрофизические измерения показали также, что при имплантации происходит компенсация проводимости ОаАэ, связанная, по-видимому, с образованием радиационных дефектов, имеющих глубокие уровни в запрещенной зоне ОаАэ и являющихся ловушками для электронов. Согласно знаку коэффициента Холла, в интервале доз 1.2-2.4-1012 см'2 имеет место п-р конверсия. Этим же дозам соответствует резкое изменение величины Е„. Наблюдаемое уменьшение ширины запрещенной зоны ваАз может быть связано как с п-р конверсией, так и с аморфизацией имплантированного слоя. Однако проведенное выше исследование тех же образцов методом КР показало, что вплоть до дозы имплантации 6-Ю13 см"2 аморфизации образца не происходит. Изменение Ег нельзя объяснить также и эффектом Бурштейна-Мосса, т.к. величина Е„ остается постоянной в пределах точности измерений для всех образцов с п-типом проводимости при дозах имплантации до 2.4-1012 см'2. Значение Е&

края фундаментального поглощения. В спектрах ФО (дозы имплантации 0 - 6-Ю11 см"2)

(И)

при этом совпадает с шириной запрещенной зоны для чистого ОаАэ. Поэтому можно считать, что регистрируемое изменение Ег обусловлено изменением типа проводимости. Уменьшение Е6 для образцов р-типа объясняется, по-видимому, образованием примесной акцепторной зоны, расположенной над потолком валентной зоны.

В § 6.3 приведены результаты исследования методами КР и ФО процесса активации примеси при быстром термическом отжиге ОаАэ имплантированного ионами Мп+ с дозой 5-Ю15 см"2 и энергией 200 кэВ [23].

V, СМ

Рис. 14. Спектры КР образцов йаАэ, Рис. 15. Разложение спектра КР образца имплантированных ионами Мп+ после ОаАз:Мп+, отожженного при температуре быстрого термического отжига. 900'С.

В спектре КР неотожженного образца (рис. 14) наблюдается широкая полоса в области 200-270 см"', которая соответствует плотности фононных состояний аморфизованного в результате ионной имплантации ОаАэ. В спектрах комбинационного рассеяния света отожженных образцов эта полоса исчезает, и появляются линии в области 266 и 291 см'1, связанные с рассеянием на поперечных (ТО) и продольных (ЬО) колебаниях кристаллической решетки ваАз. В спектрах образцов, отожженных при температурах от 400 до 600 °С уменьшается ширина этих линий и наблюдается рост интенсивности линии ЬО, что связано с восстановлением кристаллической структуры ОаАБ. При температурах отжига более 700 °С в области 291 см"1 появляется дополнительная широкая линия, обусловленная рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах. Наблюдаемая в спектрах КР динамика изменения интенсивности и ширины линии в области ЬО колебаний ОаАз связана с тем, что в ходе отжига происходит не только восстановление кристаллической структуры образцов, но и активация примеси. Последнее приводит к появлению рассеяния на связанных фонон-плазмонных модах, частота которых для полупроводника р-типа попадает в область продольных колебаний решетки. На рис. 15 приведено разложение на контуры ТО, ЬО и СФПМ спектра КР образца,

отожженного при температуре 900 °С. Наблюдаемая связанная фонон-плазмонная мода является сильнозатухающей и оценка концентрации носителей по ее частоте оказывается затруднительной. Исследование тех же образцов методом ФО подтвердило результаты полученные методом КР и показало, что процесс легирования имеет следующие особенности. Имплантация ОаАэ ионами Мп+ с дозой 5-Ю15 см"2 и энергией 200 кэВ приводит к аморфизации приповерхностной области. При температурах отжига 400-600 °С происходит восстановление кристаллической структуры имплантированного ОаАэ, без существенного изменения электрофизических свойств. При температурах отжига 600 - 700 °С происходит образование кластеров марганца, что сопровождается скачкообразным уменьшением ширины линии фотоотражения. При температурах отжига более 700 °С происходит встраивание марганца в кристаллическую решетку ваАз. Это сопровождается появлением рассеяния на связанных фонон-плазмонных модах, и сдвигом линии фотоотражения в область меньших энергий на 47 мэВ., что соответствует энергии многозарядного акцептора Мп.

В § 6.3 КР и ФО используются для выбора оптимального режима обработки поверхности ОаАэ с ориентацией (100) в плазменном источнике на основе электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) [24, 25].

Применяемые при изготовлении современных приборов опта- и наноэлектроники подложки ОаАв содержат в своей приповерхностной области большое число дислокацш радиационных центров и иных дефектов, которые отрицательно сказываются на качеств изготавливаемых полупроводниковых структур. Такого рода дефекты приводят к стабилизаци уровня Ферми в середине запрещенной зоны, что приводит к уменьшению быстродействи биполярных транзисторов, уменьшению эффективности полупроводниковых лазеров солнечных батарей. Для уменьшения плотности дефектов в приповерхностной облает подложек используют плазменное травление в источниках на основе ЭЦР. Подложки йа/ (100) типа АГП обрабатывали при разных режимах в плазменном источнике на основе ЭЦ! Как показали наблюдаемые в спектрах КР и ФО изменения, все предложенные режим обработки поверхности в источнике плазмы приводят к уменьшению плотности дефектов приповерхностной области. Из предложенных режимов подготовки поверхности выращиванию полупроводниковых структур наиболее оптимальными оказались режим травления ионами Аг+ с энергией 20 эВ при сравнительно высоком давлении (0.1 Па) (образ! №2) и травлением в смеси СНБз+Ог (образец №4).

Седьмая глава посвящена исследованию энергетического спектра межзонш переходов в одиночных и двойных полупроводниковых квантовых ямах на основе гетеропа! СгаАв/АЮаАз [26-32].

В § 7.1 приведены результаты исследования гетероструктур с одиночными квантовыми ямами на основе ОаАз/АЮаАэ . Образцы выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии и представляли собой квантовые ямы ОаАэ шириной 6.5, 10, 20, 26, 30 и 35 нм, помещенные между барьерами Al0.2Ga0.sAs. Толщины барьеров в разных образцах составляли 30 - 33 нм. В спектрах ФО наблюдались линии в области 1.41 и осцилляции Франца-Келдыша в области 1.70 - 1.77 эВ, связаны с фундаментальными переходами йаАв, и Alo.2Gao.8As соответственно. Линии в области энергий 1.41 - 1.70 эВ соответствуют низкополевой модели Аспнеса. В связи с тем, что с ростом ширины квантовой ЯМЫ от 6.5 до 35 нм наблюдается увеличение числа спектральных линий в этой области энергий, они связаны с переходами между уровнями размерного квантования электронов зоны проводимости и дырок валентной зоны.

В случае прямоугольного потенциала энергии уровней в квантовых ямах зоны проводимости и валентной зоны Е,■ определялись методом огибающей волновой функции из решения трансцендентного уравнения:

. 2т -Ej sln VW—h—

К 'C-tj)

m*E:

n2 " Ei

•2 »/ V™i •<"-*/>.

r 1—;—N

2 m -Ei

V

(12)

здесь т/ - эффективная масса носителей в яме GaAs, ггц - эффективная масса носителей в барьере Alo.2Gao.8As. Энергии межзонных оптических переходов в квантовой яме

определяются из выражения: Е - Е^ j + Ее ^ + Е^, где Ef — энергия / - го уровня в квантовой

яме зоны проводимости, Eéh - энергия к - го уровня в валентной зоне, j=l, h для подзон легких и тяжелых дырок соответственно.

На основании рассмотренной модели произведен расчет энергий межзонных переходов для гетероструктур с одиночными квантовыми ямами. При вычислении энергий межзонных переходов мы считали квантовую яму прямоугольной. В этом случае действуют правила отбора по чётности и наиболее вероятными являются переходы с п^-пе = 0,2..., где пц, -

номер энергетического уровня в валентной зоне для тяжелых h или легких / дырок, пе - номер энергетического уровня в зоне проводимости. В результате проведенных расчетов установлено, что наблюдаемые в спектрах ФО линии соответствуют межзонным переходам в квантовых ямах.

Установлено, что значения параметра уширения линий ФО, обусловленных межзонными переходами в квантовых ямах, уменьшаются с увеличением ширины квантовых ям. Следовательно, основной механизм уширения спектральных линий связан с

пространственной неоднородностью гетерограниц. Проведенные оценки показали, что неоднородность каждой гетерограницы исследуемых образцов не превышает 3-4 монослоя.

В § 7.2 рассматриваются пары идентичных квантовых ям ОаАэ шириной 6.5, 13 и 17.5 нм, разделённых тонкой (толщина от 0.5 до 1.8 нм) широкозонной перегородкой А1Аэ. Вследствие туннельной прозрачности тонкого барьера в двойных связанных квантовых ямах из дважды вырожденного состояния соответствующих одиночных ям образуются два состояния, описываемые симметричной и антисимметричной волновой функцией (рис. 16,17). Символами пт11(а, в) и пт1(а, б) обозначены переходы с п уровня валентной зоны на т уровень зоны проводимости для тяжелых и легких дырок соответственно; а, в - соответствуют переходам между антисимметричными или симметричными состояниями. Из анализа спектров ФО установлено, что величина расщепления спектральных линий уменьшается с ростом толщины барьера А1Аб и увеличивается с ростом энергии уровня в квантовой яме.

Е, эВ

Рис. 16. Спектры ФО структур СаАз/А^ва]. хАэ с одиночной и двойными квантовыми ямами. Ширины ям 6.5 нм и 2x6.5 нм.

Рис. 17. Образование антисимметричных (А) симметричных (Б) состояний в квантовых яма; разделенных туннельно прозрачным барьером.

В § 7.3 методом спектроскопии ФО исследуется влияние модулированного легирован« барьеров на энергетический спектр электронов и дырок в квантовых ямах. Исследовалис структуры с квантовыми ямами СаАБ шириной 6.5, 13, 18, 26 и 35 нм и концентрацие легирующей примеси (кремний) в барьерах п-АЮаАБ от 1018 до 2-Ю18 см'3. Легированная част барьера отделялась от области квантовой ямы ¡-АЮаАэ спейсером. Толщины спейсера легированного барьера составляли 16.5 нм.

В спектрах ФО присутствуют линии в области 1.41 и 1.65 - 1.90 эВ, связанные фундаментальными переходами Е<н ОаАэ, и Е02 А^ва^Ая соответственно. Линии, связанные

32

барьерами Alo.2Gao.8As представляют собой осцилляции Франца-Келдыша. Линии в области энергий 1.38 - 1.65 эВ, представляют собой структуры с двумя экстремумами разных знаков, соответствующие низкополевой модели Аспнеса (11). Эти линии связаны с межзонными переходами в квантовых ямах. С ростом концентрации примеси в барьерах происходит уменьшение интенсивности и увеличение ширины спектральных линий, обусловленных межзонными переходами в квантовой яме. В отличие от спектров ФО нелегированных структур с квантовыми ямами, где интенсивность спектральных линий монотонно уменьшалась с ростом энергии, в спектрах структур с модулированным легированием барьеров интенсивность линий с ростом энергии перехода сначала увеличивается, а потом уменьшается.

Профиль квантовой ямы в гетероструктуре с модулированным легированием барьеров существенно отличается от прямоугольного. Следовательно, для описания спектра межзонных переходов пользоваться системой (12) и соответствующими правилами отбора нельзя. Для объяснения экспериментальных данных самосогласованно решались уравнения Пуассона и Шредингера. В ходе решения определялись профиль квантовой ямы, волновые функции четырех электронных и четырех дырочных состояний в гетероструктуре, интегралы перекрытия волновых функций электронов и дырок. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов показало, что изменение типов межзонных переходов в квантовых ямах связано с изменением интегралов перекрытия волновых функций электронов и дырок.

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты исследований их практическая ценность и выводы.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Трансформация спектров КР при имплантации кремния и арсенида галлия ионами Р+, 8е+, 8Ь+, Аз+, В+, БГ\ Оа+ в широком диапазоне доз (1011 - 1015 см"2) и энергий (50 -150 кэВ), обусловлена размерньми эффектами, и соответствует различным типам разупорядоченных структур (монокристалл с точечными дефектами, аморфная матрица с нанокристаллами, полностью аморфная фаза).

2. Особенности, наблюдаемые в спектрах КР имплантированных кристаллов кремния, подвергнутых тепловому и лазерному отжигу обусловлены как наличием нанокристаллической фазы при восстановлении кристаллической структуры имплантированного слоя, так и электрон-фононным взаимодействием (интерференционными эффектами типа Фано) вследствие электрической активации примеси.

3. Перераспределение интенсивностей TO-TA компонент в спектрах KP аморфного кремния вблизи порога кристаллизации связаны с изменением структуры аморфной фазы вследствие изменения среднего значения разброса углов тетраэдрических связей в диапазоне 10.5 - 8.5 Указанные особенности носят общий характер и наблюдаются в а-Si при имплантации с дозами, превышающими порог аморфизации, при импульсном и непрерывном лазерном отжиге, а также в пленках a-Si при химическом осаждении паров (CVD).

4. Обнаруженные особенности KP в ионно-имплантированных кристаллах GaAs, подвергнутых термическому отжигу, обусловлены восстановлением кристаллической структуры имплантированного слоя, и рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах вследствие электрической активации примеси. В случае примеси n-типа, при п > 1018 см"3, частота высокочастотной связанной моды L+, существенно зависит от концентрации свободных носителей, в то время, как низкочастотная мода L- попадает в "запрещенную" область частот между ТО и LO колебаниями вследствие затухания Ландау. В случае примеси р-типа, связанные колебания передемпфированы и имеют слабую концентрационную зависимость.

5. Рассеяние на связанных фонон-плазмонных модах в n-GaAs может быть описано с помощью продольной диэлектрической функции Линхарда-Мермина, полученной в аналитическом виде в низкотемпературном приближении, учитывающей затухани Ландау и непараболичность зоны проводимости.

6. Наблюдаемые особенности KP на связанных фонон-плазмонных модах в тройны соединениях n-InxGai_xAs могут быть объяснены в рамках трехосцилляторной модел СФПМ. Характерным для связанных мод в тройных соединениях является наличи промежуточной ветви Lo (между L+ и L-), которая не наблюдается в двойны соединениях. Показано, что в n-InxGai.xAs в диапазоне концентраций свободны носителей п~10"-10'9 см'3 низкочастотные СФПМ попадают в область затухани Ландау, в то время как мода L+ является плазмоноподобной, и для расчета ее частот можно использовать приближение Друде с учетом непараболичности зон проводимости.

7. Показано, что полученные из спектров фотоотражения энергии межзонных переходе нелегированных гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, соответствуй рассчитанным в рамках модели огибающей волновой функции для прямоугольно] потенциала с учетом правил отбора по четности.

8. Установлено, что в модулировано-легированных квантовых ямах GaAs/AlGaAs щ концентрации легирующей примеси в барьерах, более 2-Ю'8 см'3, происходит изменен]

типов межзонных переходов, связанное с изменением интегралов перекрытия волновых функций электронов и дырок.

9. Обнаруженное в спектрах фотоотражения двойных квантовых ям расщепление спектральных линий связано с снятием вырождения уровней одиночных квантовых ям при их взаимодействии через туннельно-прозрачный (толщиной 0.5-1.8 нм) барьер А1Аб. Величина расщепления увеличивается с уменьшением толщины барьера АГАэ и увеличением энергии уровня в квантовой яме.

10. На основе полученных результатов и предложенной теории разработаны методики, для бесконтактного неразрушающего контроля оптических (ширина запрещенной зоны, энергии межзонных переходов), электрофизических (концентрация и подвижность свободных носителей, величина и пространственное распределение встроенных электрических полей,) и структурных (степень аморфизации, величина механической деформации, радиус трека) параметров полупроводниковых наноструктур на основе кремния и арсенида галлия.

В результате проведенных исследований в диссертационной работе получили дальнейшее развитие представления о характере изменений спектров КР, обусловленных локализацией колебательных состояний при разупорядочении кристаллической решетки кремния и арсенида галлия в результате ионной имплантации и процессах рекристаллизации при тепловом и лазерном отжиге.

Развиты представления о механизмах неупругого рассеяния света на связанных фонон-плазмонных модах в ОаАэ и тройных соединениях на его основе в случаях существенного влияния затухания Ландау и непараболичности зоны проводимости.

Развиты представления об особенностях фотоотражения в двойных квантовых ямах ОаАБ/АЮаАв обусловленных взаимодействием квантовых ям через туннельно-прозрачный барьер А1Аз.

Таким образом, в диссертации установлены закономерности трансформации спектров КР и ФО при имплантации и легировании полупроводниковых структур на основе кремния и арсенида галлия и получен ряд новых научных результатов по оптике квантово-размерных структур.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Авакянц Л.П., Китов И.А., Червяков А.В. Автоматизированная установка для разностной спектроскопии комбинационного рассеяния. // ПТЭ. -1988. -№ 2. -С. 145-149.

2. Авакянц Л.П., Бегишев А.Р., Горелик B.C., Образцова Е.Д. Разностная спектроскопия КР в приповерхностной области имплантированных кристаллов кремния. // Препринт ФИАН. -1989. -№55. -С. 1-25.

3. Авакянц Л.П., Образцова Е.Д. Исследование механических напряжений в пористом кремнии методом разностной спектроскопии комбинационного рассеяния света. И ЖПС. —1988. -Т.49. -№ 4. -С. 612-615.

4. Avakyants L.P., Obraztsova E.D., Demidovich G.B. Raman investigation of porous silicon suface during cw-laser irradiating. I I Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. -1993. -V. 64/65. -P. 857-864.

5. Авакянц Л.П., Киселев Д.Ф., Фирсоеа M.M. Разностная спектроскопия КРС в кварце, облученном в гамма-нейтронных полях. // ФТТ. -1987. -Т. 29. -Вып. 8. -С. 2468-2470.

6. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков А.В. Автоматизированная установка для регистрации спектров фотоотражения полупроводниковых структур с использованием двойного монохроматора. //ЖТФ. -2005. -Т. 75. -Вып. 10. -С. 66-68.

7. Авакянц Л.П., Горелик B.C.,Образцова Е.Д., Хашимов Р.Н. Спектры комбинационног рассеяния приповерхностных слоев кремния, имплантированного селеном. // Кратки сообщения по физике ФИАН.-1988. -№ 8. -С. 7-10.

8. Avakyants L.P., Gorelik V.S., Obraztsova E.D. Raman study of different phases in ion-implante silicon. // J. of Molecular Structure. -1990. -V. 219. -P. 141-145.

9. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Образцова Е.Д. Комбинационное рассеяние света в различны фазах имплантированного кремния, подвергнутого лазерному отжигу. // ФТТ. -1990. -Т. У. -№ 5. -С. 1507-1510.

10. Avakyants L.P., Gerasimov L.L., Gorelik V.S., Manja N.M., Obraztsova E.D., Plotnikov Yu. Raman scattering in amorphous silicon films // J. of Molecular Structure. -1992. -V. 267. -1 177-184.

11 .Avakyants L.P., Ivlev G.D., Obraztsova E.D. Raman study of laser-induced structure modificatioi of ion-amorphized silicon. // Laser Interaction with Atoms, Solids, and Plasmas. Plenum Pres New York. -1994. -P. 239-248.

12.Авакянц Л.П., Горелик B.C., Курова И.А., Червяков А.В. Упорядочение структур гидрогенизированных пленок кремния под влиянием непрерывного лазерного облучения. ФТТ. -1997. -Т. 39. -№ 12. -С. 2152-2155.

\Ъ. Авакянц Л.П., Ефимов А.Д., Кравченко В.В., Прокопышин O.A., Ушаков Б.В. Аморфизация GaAs при имплантации ионами Si+ и Se+. // Физика и химия обработки полупроводников. -1991.-№ 2. -С. 43-47.

14. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Китов И.А., Червяков A.B. Комбинационное рассеяние света в арсениде галлия, ионно-легированном кремнием. // ФТТ. -1993. -Т. 35, -№ 5. -С. 1354-1362.

15. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Поляков П.А. Комбинационное рассеяние света на связанных фонон - плазмонных модах в ионно-легированном арсениде галлия. // Краткие сообщения по физике ФИАН. -1999. -Вып. 3. -С. 24-31.

16. Avakyants L.P., Polyakov P.A., Gorelik V.S. Characterization of electrical and structural properties of ion-implanted GaAs by Raman scattering. // Proc. SPIE. -2000. -V. 4070. -P. 438-443.

17. Avakyants L.P., Polyakov, P. A.; Gorelik V. S. Raman scattering from phonon-plasmon modes in gallium arsenide implanted by silicon ions // Proc. SPIE. -2000. -V. 4069. -P. 11-16.

18. Авакянц Л.П., Колмакова Т.П. Диагностика концентрации свободных носителей эпитаксиальных пленок n-InxGai.xAs методом комбинационного рассеяния света // Журнал Радиоэлектроники. Твердотельная Электроника [Электронный журнал]. -2010. -№ 2. -С. 1-14. -ISSN 1684-1719.

19.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Волчков H.A., Казаков И.П., Червяков A.B. Определение концентрации носителей в легированных слоях n-GaAs методами спектроскопии комбинационного рассеяния света и фотоотражения. // Оптика и спектроскопия. -2007. -Т. 102.-№ 5.-С. 789-793.

20.Авакянц Л.П., Горелик B.C., Ефимов А.Д., Темпер Э.М., Щербина С.М. Комбинационное рассеяние света на фонон - плазмонных модах в легированных эпитаксиальных пленках арсенида галлия. // Краткие сообщения по физике ФИАН. -1990. -Вып. 1. -С. 11-15.

21 .Авакянц Л.П., Горелик B.C., Темпер Э.М., Щербина С.М. Комбинационное рассеяние света в приповерхностном слое n-GaAs при имплантации ионов бора. // ФТТ. -1999. -Т. 41 -№ 9. -С. 1495-1498.

22. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Коршунов А.Б., Темпер Э.М. Исследование компенсации проводимости n-GaAs при имплантации ионами В+ методом фотоотражения. // Краткие сообщения по физике ФИАН. -1999. -Вып. 2. -С. 17-21.

23. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Червяков A.B. Исследование процесса активации ионно-имплантированного марганца в GaAs методами комбинационного рассеяния и фотоотражения. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2006. -№7. -С. 91-94.

24. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Григорьев А.Т., Червяков А.В. Комбинационное рассеяние света как метод неразрушающего контроля поверхности GaAs (100) обработанной плазменным травлением. // Известия РАН, Серия физическая. -2004. -Т. 68. -№ 3. -С. 451-453.

25.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Григорьев А.Т., Червяков А.В. Исследование методом фотоотражения полуизолирующих подложек GaAs, обработанных плазменным травлением. // Известия РАН. Серия физическая. -2008. -Т. 72. -С. 995-998.

26.Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков А.В Размерное квантование в гетероструктурах GaAs/AlxGa|.xAs по данным спектроскопии фотоотражения. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. -2002. -№ 4. -С. 48-50.

27. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Колмакова Т.П., Червяков А.В. Исследование встроенного электрического поля в напряженных сверхрешетках GaAs/GaAsP методом спектроскопии фотоотражения. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. -2004. -№ 1. -С. 45-47.

28. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Галиев Г.Б., Каминский В.Э., Кульбачинский В.А., Мокеров В.Г., Червяков А.В. Исследование эффектов размерного квантования в связанных квантовы ямах AlxGai_xAs/GaAs/ AlxGai.xAs методом спектроскопии фотоотражения. // Оптика спектроскопия. -2002. -Т. 93. -Вып. 6. -С. 929-934.

29. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Галиев Г.Б., Каминский В.Э., Кульбачинский В.А., Мокеров В.Г., Червяков А.В. Исследование электронных переходов в связанных квантовых ямах с встроенным электрическим полем методом спектроскопии фототражения. // ФТП. -2003. Т. 37. -Вып. 1.-С. 77-82.

30.Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Galiev G.B., Klimov E.A., Vasil'evskii I.S Kul'bachnskii V.A. Interband optical transitions in GaAs modulation-doped quantum well photoreflectance experiment and self-consistent calculations. // Semicond. Scie. Technol. -200' -V. 20.-P. 462-466.

31 .Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Колмакова Т.П., Червяков А.В. Исследование разрыва зон i гетеропереходе напряженных короткопериодных сверхрешеток GaAs/GaAsP методе спектроскопии фотоотражения. // ФТП, -2004. -Т. 38. -Вып. 12. -С.1429-1434.

32. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Бугаков КВ., Колмакова Т.П., Червяков А.В. Исследование I легированных n-i-p-i-n структур GaAs методом спектроскопии фотоотражения. II Журн; Радиоэлектроники. Твердотельная Электроника [Электронный журнал]. -2010. -№ 1. 1-10.-ISSN 1684-1719.

Подписано к печати Тираж Заказ 7.6*.

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Основная цель.9

Научная новизна.10

Защищаемые положения.11

Практическая ценность результатов работы.12

Апробация работы.13

Публикации.14

Структура и объем диссертации.14

1 Основы теории комбинационного рассеяния света и фотоотражения в полупроводниках.17

1.1 Резонансное комбинационное рассеяние света в полупроводниках.17

1.2 Особенности КР в разупорядоченных средах.24

1.3 КР на связанных фонон-плазмонных модах в полярных полупроводниках АЗв5.39

1.4 КР на связанных фонон-плазмонных модах в тройных соединениях на основе ОаАэ.45

1.5 Теория фотоотражения полупроводниковых структур.49

2 Методика эксперимента.64

2.1 Одноканальный спектрометр КР.64

2.2 Разностная спектроскопия комбинационного рассеяния света68

2.3 Многоканальный спектрометр КР.74

2.4 Методы регистрации спектров фотоотражения.82

2.5 Приготовление образцов.88

3 Спектроскопия КР структурно-разупорядоченного кремния. .94

3.1 КР в структурно-разупорядоченом кремнии при ионной имплантации.94

3.2 Количественная оценка степени аморфизации кремния при ионной имплантации методом КР.99

3.3 Влияние энергии имплантации на профиль структуры приповерхностного слоя кремния.109

3.4 Колебательный спектр кремния при имплантации дозами, превышающими порог аморфизации.130

3.5 Восстановление кристаллической структуры имплантированного кремния при лазерном отжиге.134

3.6 Особенности КР, обусловленные электрон-фононным взаимодействием в ионно-легированном p-Si.149

3.7 КР в аморфных и поликристаллических пленках кремния.153

4 Спектры КР и структурное разупорядочение арсенида галлия при ионной имплантации.167

4.1 КР в GaAs при имплантации ионов Se+ и Si+.167

4.2 Размерные эффекты в спектрах КР при ионной имплантации арсенида галлия.177

4.3 Влияние температуры образца при имплантации на структуру имплантированного слоя.185

5 Связанные фонон-плазмонные моды в легированном GaAs и тройных соединениях на его основе.188

5.1 КР в имплантированном GaAs после отжига.188

5.2 Учёт дисперсии и затухания Ландау при КР в n-GaAs.193

5.3 Рассеяние на связанных фонон-плазмонных модах в тройных соединениях InxGaixAs.198

6 Диагностика электрофизических параметров GaAs методами спектроскопии КР и ФО.205

6.1 Определение концентрации свободных носителей эпитаксиальных пленок n-GaAs методами КР и ФО.205

6.2 Компенсация проводимости эпитаксиальных пленок п-ОаАз при имплантации ионами В+, Аз+, Са+.213

6.3 Исследование процесса активации примеси в ОаАБ при легировании ионами Мп+.229

6.4 Исследование качества поверхности ОаАв, обработанной плазменным травлением.235

7 Модуляционная спектроскопия электронных состояний в наноструктурах на основе ОаАв.243

7.1 Спектр электронных состояний нелегированных гетероструктур ОаАз/АЮаАэ с одиночными квантовыми ямами.243

7.2 ФО в гетероструктурах ОаАз/АЮаАБ с туннельно-связанными квантовыми ямами.256

7.3 Электронные переходы в одиночных и двойных квантовых ямах ОаАз/АЮаАБ с модулированным легированием барьеров.266

7.4 Спектроскопия фотоотражения 5 - легированных п-ьр-ьп структур на основе ваАБ.281

Заключение.288

Благодарности.291

Список литературы.292

Введение

Полупроводниковые структуры на основе кремния и арсенида галлия являются основными элементами современной опто - и микроэлектроники. Изменение оптических свойств этих материалов при локализации фононов и свободных носителей в области размером Ь порядка нескольких нм, представляет интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Как будут показано ниже, имеется важное различие между квантово-размерными эффектами (при которых волновой вектор частицы дискретен) и размерными эффектами, обусловленными локализацией вследствие рассеяния на дефектах и примесях (в этом случае затухание волны приводит к непрерывному распределению волнового вектора с шириной ~1/Ь).

Размерные эффекты могут быть существенны при модификации характеристик материалов с помощью различных технологических воздействий: ионной имплантации, отжигов различного типа, легирования и т.д. Такие воздействия, как правило, приводят к разупорядочению кристаллической решетки в приповерхностном слое. Причем, тип сформировавшейся структуры во многом определяет электрофизические характеристики материала [1].

Актуальность исследования полупроводниковых наноструктур оптическими методами обусловлена тем, что основные тенденции современной электроники направлены на создание полупроводниковых приборов с размерами порядка нескольких нанометров (в том числе и интегрированных в микросхемы), диагностика которых традиционными методами (например, эффект Холла) оказывается затруднительной.

За счет резонансного характера рассеяния света в полупроводниках, комбинационное рассеяние (КР) позволяет производить диагностику приповерхностных слоев толщиной до нескольких монослоев [2]. Преимуществами этого неразрушающего метода являются локальность и бесконтактность. Закономерности изменения спектра комбинационного рассеяния (КР) вследствие механического разупорядочения были впервые изучены Шукером и Гаммоном [3], которые предположили, что различие между кристаллическим и аморфным состоянием вещества состоит в протяженности области существования пространственных корреляций.

Уникальную возможность для исследования особенностей КР обусловленных размерными эффектами предоставляет ионная имплантация [4], [5]. Внедрение в кристалл высокоэнергетичных ионов примеси сопровождается разупорядочением кристаллической решетки. При увеличении дозы имплантируемых ионов возможен постепенный переход из упорядоченного (кристаллического) состояния в разупорядоченное (аморфное). Для устранения радиационных дефектов и электрической активации примеси применяется отжиг различного типа (тепловой, лазерный, быстрый термический). Актуальной задачей является исследование характеристик ионно-легированных слоев до и после отжига, так как ими определяется выбор технологических режимов, обеспечивающих оптимальную активацию примеси.

Несмотря на то, что разупорядоченные полупроводниковые структуры исследовались оптико-спектроскопическими методами, в частности, методом КР [6], [7], [8], ряд задач еще требует своего решения. В частности, для оптимизации режимов ионного легирования, необходимы исследования динамики процессов разупорядочения при имплантации и рекристаллизации при отжиге. Выявление особенностей КР, дающих информацию о типе структуры и взаимодействии электронной и фононной подсистем в ионно-легированных кремнии и арсениде галлия, важно для диагностики электрофизических параметров легированных слоев.

В ряде работ эта задача успешно решалась с помощью КР [9], [10]. Однако, возможности метода были реализованы не полностью. Фактически не исследовалось влияние на фононные спектры всей совокупности технологических режимов имплантации (типа ионов, энергии и дозы). Не проводились количественные оценки степени разупорядочения кристаллической решетки. Основное внимание уделялось трансформации спектров КР при структурном фазовом переходе из кристаллического в аморфное состояние и практически не исследовались особенности, возникающие при имплантации с малыми дозами и дозами, существенно превышающими порог аморфизации.

В большинстве работ по КР в лазерно-отожженных имплантированных слоях отжиг производился с энергиями, недостаточными для восстановления монокристаллической структуры. Не было произведено исследование трансформации колебательного спектра в зависимости от величины энергии отжига (особенно в области малых энергий). Недостаточное внимание было уделено взаимодействию электронной и фононной подсистем при высоких концентрациях свободных носителей, достигаемых в ионно-легированных слоях.

Метод КР позволяет количественно характеризовать эффективность различных технологических воздействий при условии надежной регистрации вызванных ими изменений параметров линий в спектре. В этом плане перспективной является разностная спектроскопия комбинационного рассеяния (РСКР), которая была разработана для исследования жидкостей и биологических объектов [11], [12] и не применялась ранее для анализа твердотельных систем.

Информативность КР при исследовании легированных слоев полупроводников обусловлена тем, что в полярных полупроводниках плазмоны свободных носителей и продольные оптические фононы (ЬО) связаны, т.к. дипольный момент, возникающий вследствие относительного смещения ионов, взаимодействует с электрическим полем свободных носителей, что приводит к образованию связанных фонон-плазмонных мод (СФПМ) [13]. Анализ частоты, ширины и формы линий КР, обусловленных рассеянием на СФПМ, в принципе позволяет получать информацию об электрофизических свойствах легированного слоя (таких, как концентрация свободных носителей и их подвижность).

Несмотря на то, что КР на связанных фонон-плазмонных модах в п-GaAs активно исследовалось при низких температурах (см. обзор [13], возможности метода для экспресс-анализа электрофизических параметров ионно-легированных слоев оставались не выясненными. Основное внимание уделялось трансформации спектров КР при легировании плёнок GaAs в процессе их роста и практически не исследовались особенности, возникающие при ионной имплантации и легировании тройных соединений (за исключением, пожалуй, подробно исследованного AlxGaixAs [14]).

Новый этап в развитии полупроводниковой опто- и наноэлектроники связан с применением квантово-размерных гетероструктур, в том числе, структур с квантовыми ямами [15]. Согласно теоретическим расчетам, квантование электронов и фононов в квантовых ямах должно уменьшать электрон-фононное взаимодействие и тем самым приводить к повышению подвижности электронов. Последнее должно способствовать уменьшению пороговых токов и увеличению квантового выхода полупроводниковых излучателей (светодиоды, полупроводниковые лазеры), улучшению соотношения «сигнал/шум» фотоприемников, росту быстродействия так называемых НЕМТ (high electron mobility transistor) - транзисторов.

Исследования полупроводниковых структур методами фотолюминесценции и спектроскопии поглощения сопряжены, как правило, с использованием низкотемпературной (вплоть до жидкого гелия) техники. Поэтому в последнее время все большую популярность приобретают методы модуляционной спектроскопии, особенно, электро- и фотоотражение (ФО) [16], [17], [18].

Метод спектроскопии фотоотражения позволяет бесконтактно определять величины встроенных электрических полей и особенности их пространственного распределения в полупроводниковых структурах, давать оценки концентрации носителей. Этот метод особенно интересен для исследования квантово-размерных эффектов в полупроводниковых структурах, так как он позволяет определять энергии межзонных переходов даже при комнатной температуре.

Однако при анализе спектров фотоотражения многослойных полупроводниковых структур возникают сложности, связанные с идентификацией вкладов в спектр каждой из областей исследуемой структуры. Для решения этих проблем были разработаны такие методы анализа спектров как фазочувствительный анализ, анализ среднеполевых спектров с применением преобразования Фурье, анализ модуля изменения коэффициента отражения (соотношения Крамерса-Кронига). Следует отметить, что применение этих методов допустимо только при условии однородности встроенного электрического поля в полупроводнике. В связи с тем, что данное условие далеко не всегда оказывается выполнимым, актуальной является разработка методов, позволяющих выделять отдельные спектральные компоненты на стадии регистрации спектров фотоотражения. Например - использование модулирующего излучения с разными длинами волн.

Кроме того, неконтролируемое изменение энергетического спектра электронов и дырок в такого рода структурах возможно также непосредственно в ходе экспериментальных исследований. Применение больших плотностей мощности -10 Вт/см возбуждающего лазерного излучения приводит не только к локальному разогреву образца, но и модифицирует его зонную структуру за счет фотовольтаического эффекта. В связи с этим актуальной задачей является разработка методов регистрации спектров фотоотражения, в которых влияние зондирующего и модулирующего излучений на образец сведено к минимуму.

Исследования эффектов размерного квантования в полупроводниковых гетероструктурах с квантовыми ямами проводились различными модуляционными методами. Для анализа полученных из эксперимента энергий межзонных переходов в квантовых ямах обычно используется метод огибающей волновой функции в простом приближении: без учета конечности потенциальных барьеров, различия эффективных масс носителей в слоях ямы и барьеров, непараболичности закона дисперсии в зоне проводимости. В этой связи актуальной задачей является моделирование зонной структуры реальных полупроводниковых квантовых ям.

Указанные обстоятельства позволяют сформулировать цели работы: Основная цель диссертационной работы - исследование оптических свойств - спектров КР и ФО в имплантированных слоях и полупроводниковых наноструктурах кремния и арсенида галлия и получение новых знаний об изменении этих свойств, вследствие квантово-размерных эффектов.

В соответствие с поставленной целью в основные задачи диссертации входили следующие фундаментальные исследования: колебательного спектра кремния и арсенида галлия, при разупорядочении кристаллической структуры в результате ионной имплантации; закономерностей изменения колебательного спектра, обусловленных размерными эффектами и электрон-фононным взаимодействием при легировании кремния и арсенида галлия с помощью ионной имплантации и последующего теплового и лазерного отжига, особенностей неупругого рассеяния света на связанных фонон-плазмонных мод в легированных структурах арсенида галлия и тройных соединений на его основе, спектра электронно-дырочных состояний в одиночных и туннельно-прозрачных двойных квантовых ямах ОаАэ/АЮаАз, особенностей спектра электронно-дырочных состояний в квантовых ямах ОаАБ/АЮаАБ с модулированным легированием барьеров и дельта-легированных наноструктурах на основе СаАв.

Для решения поставленных задач в работе были использованы оптические методы исследования, такие как спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), а также модуляционная спектроскопия фотоотражения (ФО) и другие методы.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что впервые:

1. Установлена корреляция особенностей в спектрах КР с наличием различных типов разупорядоченных структур (монокристалл с точечными дефектами, аморфная матрица с микрокристаллами, полностью аморфная фаза) возникающих при имплантации кремния и арсенида галлия ионами Р+, 8е+, 8Ь+, Аз+, В+, ЭГ, Оа+ в широком диапазоне доз (10й - 1015 см"2) и энергий (50-150 кэВ).

2. Установлены закономерности изменения спектров КР имплантированных кристаллов кремния, подвергнутых тепловому и лазерному отжигу в процессе электрической активации имплантированной примеси.

3. Обнаружены изменения плотности фононных состояний в кремнии, имплантированном с дозами, существенно превышающими порог аморфизации, проявляющиеся в спектрах КР в виде перераспределения интенсивностей ТО-ТА компонент.

4. Обнаружены особенности КР в ионно-имплантированных монокристаллах п-ОаАэ, подвергнутых термическому отжигу, вызванные рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах.

5. Получены аналитические выражения для продольной диэлектрической функции Линхарда-Мермина, позволяющие описать КР на связанных фонон-плазмонных модах с учетом затухания Ландау и непараболичности зоны проводимоси п-ОаАБ.

6. Установлены особенности КР в тройных соединениях n-In.xGai.xAs, обусловленные рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах.

Характерным для связанных мод в тройных соединениях является наличие промежуточной ветви Ьо (между Ь+ и Ь-), которая не наблюдается в двойных соединениях. Показано, что в п-1пхОа1.хАз в диапазоне концентраций свободных носителей п~ см низкочастотные СФПМ попадают в область затухания Ландау.

7. Обнаружено расщепление линий в спектрах ФО двойных квантовых ям ОаАз/АЮаАБ с туннельно-прозрачным барьером А1Аз.

8. Установлено, что в гетероструктурах на основе ОаАэ/АЮаАз с квантовыми ямами и модулированным легированием барьеров, при концентрации легирующей примеси в барьерах, превышающей 2-1018 см"3, происходит изменение типов межзонных переходов.

9. Обнаружено увеличение энергии межзонных переходов в дельта-легированных гетероструктурах ОаАэ при фотовозбуждении дельта слоя.

Защищаемые положения

1. При имплантации кремния и арсенида галлия ионами Р+, 8е+, 8Ь+, Аб+, В+, Б Г*", ва+ в широком диапазоне доз (1011 - 1015 см"2) и энергий (50-150 кэВ) наблюдается трансформация спектра КР, соответствующая наличию различных типов разупорядоченных структур (монокристалл с точечными дефектами, аморфная матрица с нанокристаллами, полностью аморфная фаза). Установлены зависимости степени аморфизации имплантированного слоя от дозы и типа ионов.

2. Особенности, наблюдаемые в спектрах КР имплантированных кристаллов кремния, подвергнутых тепловому и лазерному отжигу, свидетельствуют о восстановлении кристаллической структуры имплантированного слоя и электрической активации примеси. Установлены пороговые значения плотности мощности лазерного излучения, необходимые для рекристаллизации.

3. Перераспределение интенсивностей TO-TA компонент в спектрах KP аморфного кремния вблизи порога кристаллизации свидетельствуют об изменении структуры аморфной фазы. Указанные изменения носят общий характер и наблюдаются в a-Si при имплантации с дозами, превышающими порог аморфизации, при импульсном и непрерывном лазерном отжиге, а также в пленках a-Si при химическом осаждении паров (chemical vapor deposition — CVD) с помощью плазмы тлеющего разряда.

4. Обнаруженные особенности KP в ионно-имплантированных монокристаллах n-GaAs, подвергнутых термическому отжигу, обусловлены рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах.

5. Спектры KP на связанных фонон-плазмонных модах в n-GaAs могут быть аппроксимированы с помощью предложенных аналитических выражений для продольной диэлектрической функции Линхарда-Мермина, учитывающей затухание Ландау и непараболичность зоны проводимости.

6. В спектрах ФО двойных квантовых ям GaAs/AlGaAs с туннельно-прозрачными барьерами AlAs (толщиной 0.5-1.8 нм) наблюдается расщепление линий, возрастающее с уменьшением толщины барьера.

Практическая ценность результатов работы

1. Методики, предложенные в диссертации, могут быть использованы для бесконтактного неразрушающего контроля оптических (ширина запрещенной зоны, энергии межзонных переходов), электрофизических (величина и пространственное распределение встроенных электрических полей, концентрация свободных носителей) и структурных (степень аморфизации, величина механической деформации, радиус трека) параметров полупроводниковых наноструктур на основе кремния и арсенида галлия.

2. Разработана и реализована схема разностной спектроскопии KP для планарных полупроводниковых структур, чувствительность которой к малым изменениям в спектре более, чем на порядок превосходит чувствительность традиционной методики KP с последовательной регистрацией спектров. На основе этой схемы разработаны методики неразрушающего контроля таких технологически важных параметров кремния как доза имплантации (вплоть до 1011 см"2), механические напряжения (начиная с 10 Н/м2), концентрация свободных носителей

10 "i (начиная с 10 см" ).

3. Установлены зависимости степени аморфизации имплантированного слоя и его структуры от дозы и типа ионов при имплантации кремния и арсенида галлия ионами Р+, Se+, Sb+, As+, В+, Si+, Ga+ в широком диапазоне доз (1011 - 1015 см"2) и энергий (50 -150 кэВ), а также тепловые режимы и пороговые значения плотности мощности лазерного излучения, необходимые для рекристаллизации.

4. На основе полученных результатов и предложенной теории KP на связанных фонон-плазмонных модах, разработана методика определения концентрация и подвижности носителей n-GaAs и тройных соединений на его основе. Совместное использование методов спектроскопии KP и ФО позволяет бесконтактно определять концентрацию носителей в легированных слоях n-GaAs в диапазоне Ю,7-Ю20 см"3.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: XIII International Conference on Raman

Spectroscopy 1992, Wurzburg, Germany , International Conference on Laser

Surface Processing, Limoges, France, September 8-12, 1997, VIII International

Conference Solid Surfaces Hague, Netherlands 1992, International Workshop on th

Modulation Spectroscopy of Semiconductor Structures, Wroclaw, 2004; на 20 General Conference Condensed Matter Division EPS, Prague, 2004; 13th European

Molecular Beam Epitaxy Workshop, Grindenwald, 2005; международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью 2005», г. Звенигород, 2005 и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 56 работ из них 32 работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, таких как Оптика и спектроскопия, ЖТФ, ФТТ, ФТП, Известия РАН, и др. Имеются также публикации в зарубежных изданиях: Proc. SPIE., Semicond. Scie. Technol., J. of Molecular Structure, J. of Electron Spectroscopy and Related Phenomena и др.

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автор осуществлял выбор направлений и постановку задач исследований, а также проведение экспериментов и анализ полученных результатов исследований.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 176 ссылок, из них 47 ссылок на работы автора. Работа изложена на 310 страницах, содержит 114 рисунков и 10 таблиц.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Трансформация спектров KP при имплантации кремния и арсенида галлия ионами Р+, Se+, Sb+, As+, В+, Si+, Ga+ в широком диапазоне доз (10п - 1015 см" ) и энергий (50 -150 кэВ), обусловлена размерными эффектами, и соответствует различным типам разупорядоченных структур (монокристалл с точечными дефектами, аморфная матрица с нанокристаллами, полностью аморфная фаза).

2. Особенности, наблюдаемые в спектрах KP имплантированных кристаллов кремния, подвергнутых тепловому и лазерному отжигу обусловлены как наличием нанокристаллической фазы при восстановлении кристаллической структуры имплантированного слоя, так и электрон-фононным взаимодействием (интерференционными эффектами типа Фано) вследствие электрической активации примеси.

3. Перераспределение интенсивностей ТО-ТА компонент в спектрах KP аморфного кремния вблизи порога кристаллизации связаны с изменением структуры аморфной фазы вследствие изменения среднего значения разброса углов тетраэдрических связей в диапазоне 10.5 - 8.5

Указанные особенности носят общий характер и наблюдаются в a-Si при имплантации с дозами, превышающими порог аморфизации, при импульсном и непрерывном лазерном отжиге, а также в пленках a-Si при химическом осаждении паров (CVD).

4. Обнаруженные особенности KP в ионно-имплантированных кристаллах GaAs, подвергнутых термическому отжигу, обусловлены восстановлением кристаллической структуры имплантированного слоя, и рассеянием на связанных фонон-плазмонных модах вследствие электрической активации примеси. В случае примеси n-типа, при п >

1 о «j

10 см" , частота высокочастотной связанной моды L+, существенно зависит от концентрации свободных носителей, в то время, как низкочастотная мода L- попадает в "запрещенную" область частот между ТО и LO колебаниями вследствие затухания Ландау. В случае примеси р-типа, связанные колебания передемпфированы и имеют слабую концентрационную зависимость.

5. Рассеяние на связанных фонон-плазмонных модах в n-GaAs может быть описано с помощью продольной диэлектрической функции Линхарда-Мермина, полученной в аналитическом виде в низкотемпературном приближении, учитывающей затухание Ландау и непараболичность зоны проводимости.

6. Наблюдаемые особенности КР на связанных фонон-плазмонных модах в тройных соединениях n-InxGaixAs могут быть объяснены в рамках трехосцилляторной модели СФПМ. Характерным для связанных мод в тройных соединениях является наличие промежуточной ветви L0 (между L+ и L-), которая не наблюдается в двойных соединениях. Показано, что в n-InxGai.xAs в диапазоне концентраций свободных носителей п~ 1017-1019 см"3 низкочастотные СФПМ попадают в область затухания Ландау, в то время как мода L+ является плазмоноподобной, и для расчета ее частоты можно использовать приближение Друде с учетом непараболичности зоны проводимости.

7. Показано, что полученные из спектров фотоотражения энергии межзонных переходов нелегированных гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs, соответствуют рассчитанным в рамках модели огибающей волновой функции для прямоугольного потенциала с учетом правил отбора по четности.

8. Установлено, что в модулировано-легированных квантовых ямах GaAs/AlGaAs при концентрации легирующей примеси в барьерах,

1 о более 2-10 см" , происходит изменение типов межзонных переходов, связанное с изменением интегралов перекрытия волновых функций электронов и дырок.

9. Обнаруженное в спектрах фотоотражения двойных квантовых ям расщепление спектральных линий связано с снятием вырождения уровней одиночных квантовых ям при их взаимодействии через туннельно-прозрачный (толщиной 0.5-1.8 нм) барьер А1Аз. Величина расщепления увеличивается с уменьшением толщины барьера А1Аб и увеличением энергии уровня в квантовой яме.

10.На основе полученных результатов и предложенной теории разработаны методики, для бесконтактного неразрушающего контроля оптических (ширина запрещенной зоны, энергии межзонных переходов), электрофизических (концентрация и подвижность свободных носителей, величина и пространственное распределение встроенных электрических полей,) и структурных (степень аморфизации, величина механической деформации, радиус трека) параметров полупроводниковых наноструктур на основе кремния и арсенида галлия.

Благодарности

В заключение данной работы я хотел бы выразить сердечную благодарность моим коллегам, с которыми мне посчастливилось сотрудничать и работать: Владимиру Семеновичу Горелику, Дмитрию Федоровичу Киселеву, Анатолию Васильевичу Червякову, Елене Дмитриевне Образцовой, Павлу Юрьевичу Бокову, Петру Александровичу Полякову, Ивану Алексеевичу Китову, Алексею Дмитриевичу Ефимову.

Я признателен также всем сотрудникам кафедры общей физики, опыт и знания которых я использовал, работая на кафедре более 30 лет. Особенно Александру Михайловичу Салецкому, чья настойчивость и помощь способствовали завершению этой работы.

Заключение

1. Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников. М.: Мир, 1973. -296 С.

2. Карбона М. Резонансные явления // Рассеяние света в твердых телах/ Под ред. М. Кардоны.- М.: Мир, 1984. -Вып.2. -С. 35-237.

3. Shuker JR., Gammon R. Raman scattering selection-rule breaking and the density of states in amorphous materials I I Phys. Rev. -1970. -V.B 25. -N 4. -P. 222-225.

4. Tiong K.K., Amirtharaj P.M., Pollak F.H. Effect of As implantation on the Raman spectra of GaAs. "Spatial correlation" interpretation. // Appl. Phys. Let. -1984. -V. 44. -N 1. -P. 122-124.

5. Jain K.P., Shukla A.K., Ashokan R., Abbi S.C. Raman scattering from ionimplanted silicon. //Phys. Rev. -1985. -V. В 32, -N 10. -P.6688-6691.

6. Бродский M.X. Комбинационное рассеяние света в аморфных полупроводниках. // Рассеяние света в твердых телах/ Под ред. М. Кардоны. М: Мир, 1979. -С. 239-289.

7. Morhange J.F., Beserman R., Balkanski M. Raman study of vibrational properties of implanted silicon //Phys.St.Sol.(a). -1974. -V. 23. -P. 383-391.

8. Фалъковский JI.А. Исследования полупроводников с дефектами методом комбинационного (рамановского) рассеяния света // Успехи физических наук. -2004. -Т. 174. -№ 3. -С. 259-283.

9. Nakashima S., Oima S., Mitsuishi A., Nishimura t., Fukumoto Т., Akasaka Y. Raman scattering study of ion implanted and c.w. laser annealed policrystalline silicon.// Sol.St.Com. -1981.-V. 40. -P.765-768

10. Shukla A.K., Jain K.P. Raman study of phase transitions in ion-implanted and Q-swithed YAG:Nd laser annealed silicon // Phys. Rev. -1987. -V.B. 35. -P. 9240-9244.

11. Roisseau D.L. Raman Difference Spectroscopy as a Probe of Biological Molecules//J. Ram. Spectr.-1981. -V. 10. -P.94-99.

12. Martin J.C. Rotating mirror device for nonresonant laser Raman difference spectroscopy. // Rev. Sci. Instr. -1985. -V. 56 . -N 12. -P. 2217 2221.

13. Абстрейтер Г., Кардона M., Пинчук A. Рассеяние света на возбуждениях свободных носителей в полупроводниках// Рассеяние света в твердых телах/ Под ред. М. Кардоны и Г.Гюнтеродта. М: Мир, 1986. -Вып. 4. -С. 12-182.

14. Yuasa T., Naritsuka S., Mannoh M., Shinozaki К., Nomura Y., Mihara M., Ishii M. Raman scattering from coupled plasmon LO - phonon modes in n-type AlxGaixAs//Phys. Rev. -1986. -V.B 33. -P. 1222-1232.

15. Алфёров Ж.И. История и будущее гетероструктур// ФТП. -1998. -Т. 32. -Вып. 1.-С. 3-18.

16. Pollak F.H., Shen H. Modulation spectroscopy of semiconductors: Bulk/thin films, microstructures, surfaces/interfaces, and devices// Mater. Sci. Eng. -1993. -V.R 10. -P. 275-374.

17. Pollak F.H. Non-destructive, room temperature, characterization of wafer-sized. III-V semiconductor device structures using contactless electromodulation and surface photovoltage spectroscopy// Proc. SPIE. -2000. -V. 3944. -P. 408-422.

18. Misiewicz J., Sitarek P., Sqk G., Kudrawiec R. Semiconductor heterostructures and device structures, investigated by photoreflectance spectroscopy// Materials Science. -2003. -V. 21. -N. 3. -P. 263-320.

19. Пантел P., Путхов Г. Основы квантовой электроники. -M.: Мир, 1972. -384 С.

20. Жижин Г.К, Маврин Б.Н., Шабанов В.Ф. Оптические колебательные спектры кристаллов. -М.: Наука, 1984. -232 С.

21. Горелик B.C., Умаров Б. С. Введение в спектроскопию комбинационного рассеяния света в кристаллах. -Душанбе: Дониш, 1982. -287 С.

22. Compaan A., Trodahl H.J. Resonance Raman scattering in Si at elevated temperatures.// Phys. Rev. -1984. -V. B. 29. -N 2. -P. 793-801.

23. Berg R.S., Yu P.Y. Resonant Raman study of intrinsic defect modes in electron-and-neutron-irradiated GaAs// Phys. Rev. -1987. -V.B. 35, -N 5. -P. 2205-2221.

24. Ю П., Кардона M. Основы физики полупроводников. -М: Физматлит, 2002.-560 С.

25. Lucovsky G. Amorphous and Liquid Semiconductors./ Ed. by Stuke J., Brenig W. -Tailor and Francis: London, 1974. -P. 1099.

26. Jakle J. Low Frequency Raman Scattering in Glasses./ Low -temperature properties of solids.-N.Y.: Springer, 1981. -P.135-160.

27. Iqbal Z., Veprek S. Raman scattering from hydrogenated microcrystalline and amorphous silicon// J.Phys.C: Solid St. Phys. -1982.-V.15. -P. 377-392.

28. Kanata Т., Murai H., Kubota K. Raman and X-ray scattering from ultrafine semiconductor particles//J. Appl. Phys. -1987. -V.61. -N 3. -P.969-971.

29. Артамонов B.B., Валах М.Я., Лисица М.П., Литовченко В.Г., Романюк Б.Н., Рудской И.В., Стрелъчук В.В. Исследование процесса разупорядочения кремния при ионной имплантации Ar// ФТП. -1988. « Т.22.-Вып. 11. -С.1961-1966.

30. Kannelis G., Morhange J.F., Balkanski М. Effect of dimensions on the vibrational frequencies of thin slabs of silicon. // Phys. Rev. -1980. -V.B. 21, -N 4. -P.1543-1548.

31. Richter H., Wang Z.P., Ley L. The one phonon spectrum in microcrystalline silicon // Solid St. Com. -1981. -V.39. -P. 625-629.

32. Temple P.A., Hathaway C.E. Multiphonon raman spectrum of silicon// Phys. Rev. -1973, -V. В 7. -P. 5464-5467.

33. Campbell I.H., Fauchet P.M. The effect of microcrystal size and shape on the phonon raman spectra of crystalline semicondustores// Solid St. Com. -1986. -V. 58, -N. 10. -P. 739-741.

34. Veprek S., Iqbal Z., Sarott F.-A. A thermodynamic criterion of the crystalline-to-amorphous transition in silicon// Philosoph. Mag. -1982.V B.45.-N. l.-P. 137-145.

35. Киттелъ Ч. Введение в физику твердого тела. -М.: Наука, 1978. -792 С.

36. Lannin J. Local structural order in amorphous semiconductors. // Phys. Today. -1988. -V.41, -N 7. -P.28-35.

37. Ma ley N., Beeman D., Lannin J.S. Dynamic of tetrahedral networks: amorphous Si and Ge .//Phys.Rev. -1988. -V.B. 38. -N.15. -P. 10611-10622.

38. Beeman D., Tsu R., Thorpe M.F. Structural information from the Raman spectrum of amorphous silicon//Phys. Rev. -1985. -V.B. 32. -N.2. -P.874-878.

39. Yang G., Bai P., Tong B.Y., Wong S.K., Hill I. Raman study of structural order in amorphous silicon-boron alloys// Solid St. Com. -1989. -V.72. -N2.-P. 159-161.

40. Malinovsky V.K., Sokolov A.P. The nature of boson peak in Raman scattering in glasses// Solid St. Com. -1986. -V.57. -N 9. -P.757-761.

41. Малиновский В.К., Новиков В.Н., Соколов А.П. Низкочастотное комбинационное рассеяние света в неупорядоченных материалах// Тез. док. IV Всесоюз. конф. по спектроскопии КР света. -Ужгород, 1989. -С. 181-182.

42. Malinovsky V.K., Novikov V.N., Sokolov.P. Investigation of structural correlations in disodered materials by raman scattering measurements // J. Non-Cryst. Sol. -1987. -V. 90. -P. 485-488.

43. Mooradian A., Wright G.B. Observation of the Interaction of Plasmons with Longitudinal Optical Phonons in GaAs// Phys. Rev. Lett. -1966. -V. 16. -P. 999-1001.

44. Varga B.B. Coupling of plasmons to polar phonons in degenerate semiconductors//Phys. Rev. -1965. -V. 137. -N. 6. -P. 1896-1902.

45. Buchner S., Burstein E. Raman scattering by wave-vector dependent LO-phonon-plasmon modes in InAs// Phys. Rev. Lett. -1974. -V.33. -N.15. -P.908-911.

46. Shen H., Pollak Fred H., Sacks R.N. Raman scattering determination of free-carrier concentration and surface space charge layer in <100> n-GaAs // Appl. Phys. Lett. -1985. -V. 47. -N. 8. -P. 891-893.

47. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Колмакова Т.П., Пономарев А.С. Комбинационное рассеяние света связанными фонон-плазмонными модами в тройных соединениях InxGaixAs// Тез. док. научн.-техн. конф. Оптика полупроводников. -Ульяновск, 2000. -С. 15.

48. Cusco R., Artus L., Hernandez S., Ibanez J., Hopkins on M. Raman scattering by LO phonon-plasmon coupled modes in n-type Ino.53Gao.47As// Phys. Rev. -2001.-V.B 65 -P. 035210-7.

49. Cardona M. Modulation spectroscopy// Solid State Physics. -N.Y.: Academic. -1969.

50. Shen H., Dutta M. Franz-Keldysh oscillations in modulation spectroscopy// J. Appl. Phys. -1995. -V. 78. -N. 4. -P. 2151-2176.

51. Franz W. Einflusseines elektrischen Felden auf eine optische absorption Skante// Z. Naturforschung -1958. -V. 13. -N. 5. -P. 484-489.

52. Келдыш JT.B. О влиянии сильного электрического поля на оптические характеристики непроводящих кристаллов// ЖЭТФ. -1958. -Т. 34. -№5. -С. 1138.

53. Tharmalingam К. Optical absorption in the presence of an uniform field// Phys. Rev. -1963. -V. 130. -N. 8. -P. 2204-2206.

54. Aspnes D.E. Band nonparabolicities, broadening, and field distributions: The spectroscopy of Franz-Keldysh oscillations// Phys. Rev. -1974. -V. B. 10. -P. 4228-4238.

55. Aspnes D.E. Third-derivative modulation spectroscopy with low-field electroreflectance//. Surf. Science. -1973. -V. 37, -P. 418-442.

56. Каваляускас Ю., Кривайте Г., Шаронова JI.B., Шнлейка А., Шмарцев Ю.В. Модуляционные спектры структур легированных квантовых ям GaAs AIo.3Gao.7As// ФТП. -1993. -Т. 27. -Вып. 7. -С. 1086-1094.

57. Aspnes D.E., Shtudna А.А. Schottky-Barrier Electroreflectance: Application to GaAs//Phys. Rev. -1973. -V.B. 7, -P. 4605-4625.

58. Hosea T.J.S. Estimating critical-point parameters from Kramers-Kronig transformations of modulated reflectance spectra// Phys. Stat. Sol. (b). -1994.-V. 182.-P. K43-K47.

59. Hosea T.J.S. Estimating critical-point parameters of modulated reflectance spectra//Phys. Stat. Sol. (b) -1995. -V. 189. -P. 531-542.

60. Ландау Л.Д., Лифшиц ИМ. Теория поля.-М.: Наука. -1980. -С. 536.

61. Jezierski К., Markiewicz P., Misiewicz J., PanekM., Sciana В., Korbutowicz R., Tlaczala M. Application of Kramers-Kronig analysis to photoreflectance spectra of heavily doped GaAs/Si-GaAs substrates// J. Appl. Phys. -1995. -V. 77.-N. 8.-P. 4139.

62. Yan D., Quiang H., Pollak F.H. New offset technique for suppression of spurious signals in photoreflectance spectra//Rev. Sci. Instr. -1994. -V. 65. -N. 6. -P. 1988-1992.

63. Sheibler H.E., Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Terekhov A.S. Fourier resolution of surface and interface contributions to photoreflectnace spectra of multilayered structures//Phys. Stat. Sol. -1995. -V.A 152. -P. 113-122.

64. Alperovich V.L., Jaroshevich A.S., Sheibler H.E., Terekhov A.S.

65. Determination of surface and interface electric fields in epitaxial GaAsstructures by newly developed photoreflectance spectroscopy// Book of thabstracts of 5 Int. Conf. on the Formation of Semiconductor Interfaces. -1995. -P. 80.

66. Пожела Ю., Пожела К, Юцене В. Подвижность и рассеяние электронов на полярных оптических фононах в гетероструктурных квантовых ямах// ФТП. -2000. -Т. 34. -Вып. 9. -С. 1053-1057.

67. Chen Y. H., Ye X. L., Wang J. Z., Wang Z. G., and Yang Z. Interface-related in-plane optical anisotropy in GaAs/AlxGal-xAs single-quantum-well structures studied by reflectance difference spectroscopy// Phys. Rev. -2002. -V.B 66. -P. 195321-1-5.

68. Авакянц Л.П., Китов И.А., Червяков A.B. Автоматизированная установка для разностной спектроскопии комбинационного рассеяния// ПТЭ. -1988. -Т. 2. -С. 145-149.

69. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Митин И.В., Китов И.А., Салецкий A.M., Червяков А.В. Автоматизированная система для общего физического практикума// Физическое образование в ВУЗах. -2007. -Т. 13. -№ 3.

70. Авакянц Л.П., Образцова Е.Д. Неразрушающий контроль твердотельных систем на основе разностной спектроскопии комбинационного рассеяния света// Тез. док. III Всесоюзной конф. Теоретическая и прикладная оптика. —Л., 1988. -С. 166-167.

71. Авакянц Л.П., Образцова Е.Д. Исследование механических напряжений в пористом кремнии методом разностной спектроскопии комбинационного рассеяния света// ЖПС. -1988.-Т.49. -№ 4. -С. 612615.

72. Авакянц Л.П., Авдюхина В.М., Демидович Г.Б., Кацнелъсон А.А., Колесова Н.С., Образцова Е.Д. Исследование структуры и спектров комбинационного рассеяния пористого кремния// Поверхность. Физика, химия, механика.-1989. -N 5. -С. 94-99.

73. Beale M.J., Chew N.G., Uren M.J., Gallis A.G., Benjiamin J.D. Microstructure and formation mechanism of porous silicon// Appl. Phys. Lett. -1985. -V. 46, -N 1. -P. 86-88.

74. Курмашев В.И., Табулина Л.В., Дубин B.M. Исследование поверхностных свойств пористого кремния, полученного анодной обработкой в водном растворе HF// ЖПХ. -1985. -Т. 58, -Вып. 7. -С. 1478-1481.

75. Ganesan S., Moradudin A.A., Oitmaa J. A Lattice Theoryof Morphic Effects in Crystalls of Diamond Structure// Annals of Phys. -1970. -V. 56. -N. 2. -P. 556-594.

76. Горелик B.C. Новые методы неразрушающего контроля характеристик пленок и приповерхностных слоев на основе комбинационного и гиперрэлеевского рассеяния света//Препринт. -1986. -Вып.136. 31 С.

77. Горелик B.C., Сущинский М.М., Хашимов Р.Н. Резонансное комбинационное рассеяние света вблизи поверхности кристаллов// Труды ФИАН. -1987 -Т.180. -С. 127-180.

78. Young I.M., Beale M.I.J., Benjamin J.D. X-ray double crystal diffraction study of porous silicon.// Appl. Phys. Lett. -1985. -V. 46. -N. 12. -P.1133-1135.

79. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Червяков А.В. Автоматизированная установка для регистрации спектров фотоотражения с использованием двойного монохроматора// ЖТФ. -2005. -Т. 75. -Вып. 10. -С. 66-68.

80. Вавилов B.C., Кекелидзе Н.П., Смирнов JJ.C. Действие излучений на полупроводники. -М.: Наука, 1988. -192 С.

81. Bourgoin J. С., Morhange J.F., Beserman R. On amorphous layer formation in silicon by ion implantation// Rad. Eff. -1974. -V. 22. -P. 205-208.

82. Jain K.P., Shukla A.K., Abbi S.C. Raman scattering in ultraheavily doped silicon//Phys. Rev. -1985. -Y.B 32. -N. 8. -P. 5464-5467.

83. Shukla A.K., Jain K.P. Raman scattering from ultraheavily ion-implanted and laser-annealed silicon // Phys. Rev. -1986. -V. В 34. -N. 12. -P. 89508953.

84. Авакянц Л.П., Горелик В.С.Образцова Е.Д. Исследование фазового перехода в приповерхностных слоях имплантированного кремния методом комбинационного рассеяния светаII Тез. док. XX Всесоюзного съезда по спектроскопии. -Киев, 1988. -Т. 2. -С. 217.

85. Авакянц Л.П., Горелик В.С.,Образцова ЕД., Хашимов Р.Н. Спектры комбинационного рассеяния приповерхностных слоев кремния, имплантированного селеном// Краткие сообщения по физике. -1988. -№ 8.-С. 7-10.

86. Avakyants L.P., Gorelik V.S., Obraztsova E.D. Difference Raman spectroscopy of ion implanted undersurface layers// Тез. док. междун. конф. ICORS XI. -Лондон, 1988. -P. 277-278.

87. Авакянц Л.П., Бегишев А.Р., Горелик B.C., Образцова Е.Д. Разностная спектроскопия КР в приповерхностной области имплантированных кристаллов кремния//Препринт ФИАН. -1989. -№ 55. -25 С.

88. Avakyants L.P., Gorelik V.S., Obraztsova E.D. Raman study of different phases in ion-implanted silicon// Тез. док. Европейского конгресса по молекулярной спектроскопии EUCMOS XIX. -Дрезден, 1989.

89. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Образцова Е.Д. Комбинационное рассеяние света вблизи поверхности кремния при больших дозах имплантации// Тез. док. IV Всесоюз. конф. по спектроскопии КРС. Ужгород. -1989. -Т. 1. -С. 132-133.

90. Avakyants L.P., Gorelik V.S., Obraztsova E.D. Raman study of different phases in ion-implanted silicon// J. of Mol. Struct. -1990. -V. 219. -P. 141145.

91. L.P.Avakyants, E.O.Obraztsova Raman scattering in amorphous silicon structures with different degrees of disorder // Proc. of the 13 Int. Conf. on Raman Spectroscopy. -Wurzburg, 1992. -P. 984-985.

92. Teicher M., Beserman R., Klein M.V., Morkos H. Crystalline structure of mixed Ga(l-x)Al(x)As and GaP(l-x)As(x)crystals// Phys. Rev. -1984. -V. В 29. -N. 8. -P. 4652-4658.

93. Aspnes D.E., Studna A.A. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs and InSb from 1.5 to 6.0 eV// Phys. Rev. -1983. -V. В 27. -N. 2. -P. 985-1009.

94. Dash W.S., Newman R. Itrinsic optical Absorbtion in Single-Crystal Germanium and Silicon at 77 К and 300 K// Phys. Rev. -1955. -V. В 99. -N. 4. -P. 1151-1155.

95. Holtz M., Zallen R., Bra/man O. Raman-scattering depth profile of the structure of ion-implanted GaAs// Phys.Rev. -1988. -V. В 37. -N. 9. -P. 4609-4617.

96. Furukawa S., Matsumura ., Ishiwara H. Theoretical Considerations of Lateral Spread of Implanted Ions// Jap. J. Appl. Phys. -1972. -V. 11, -N. 2. -P. 134-142.

97. Speriosu V.S., Paine B.M., Nicolet M.A. X-ray rocking curve study of Si-implanted GaAs, Si and Ge// Appl. Phys. Let. -1982. -V. 40. -N. 7. -P. 604606.

98. Speriosu V.S. Kinematic X-ray diffraction in nonuniform crystalline films. Strain and damage distributions in ion-implanted garnets// J. Appl. Phys. -1981. -V. 52. -N. 10. -P. 6094-6103.

99. Servidori M. Characterization of lattice damage in ion implanted silicon by multiple crystal X-ray diffraction// Nucl. Instr. Meth. -1987. -V. В 19/20. -N. 2. -P. 443 449.

100. Prussin S., David /., Margolese R., Tauber R.N. Formation of amorphous layers by ion implantation// J. Appl. Phys. -1985. -V. 57. -N. 2. -P. 180-185.

101. Gibbons J. Progected range statistics.-Stanford, 1970.

102. EerNisse E.P. Sensitive technique for studying implantation damage// Appl. Phys. Let. -1971. -V. 18, -N 12. -P. 581-583.

103. Paesler M.A., Sayers D.E., Tsu R., Gonzales- Hernandes J. Ordering of amorphous germanium prior to crystallization// Phys. Rev. -1983. -V. В 28. -N. 8. -P. 4550-4557.

104. MaleyN., Lannin J.S., Gullis A.G. Vibrational spectrum and order of laser-quenched amorphous silicon// Phys. Rev. Let. -1984. -V. 53, -N. 16. -P. 1571-1573.

105. Малиновский В.К., Новиков В.Н., Соколов А.П. Определение размера микрокристаллов в фотохромных стеклах методом КР света// ФТТ.1987. -Т. 29. -№11. -Р. 3470-3471.

106. Овсюк Н.Н., Горохов Е.Б., Грищенко В.В., Шебанин А.П. Низкочастотное комбинационное рассеяние света на полупроводниковых частицах малого размера// Письма в ЖЭТФ. -1988. -Т. 47, -Вып. 5.-С. 248-251.

107. Malinovsky V.K., Novikov V.N., Sokolov А.Р. Low-frequency raman scattering on surface vibration modes of microcrystals// Solid St. Com.1988. -V. 67, -N. 7. -P. 725-729.

108. Holtz M, Zallen R, Brafman O. Resonant Raman-active acoustic phonons in ion-implanted GaAs//Phys. Rev. -1988. -V.B 38. -P. 6097-6106.

109. Cardona M. Electron and Phonon self-energies in heavily doped germanium and silicon// Sol. St. Electronics. -1985. -V. 28, -N. 1/2. -P. 31-38.

110. Veprek S., Iqbal Z., Sarott F. Effect of grain boundaries on the Raman spectra, optical absorption, and elastic light scattering in nanometer-sized crystalline silicon// Phys. Rev. -1987. -V.B 36. -P. 3344-3350.

111. Avakyants L.P., Gerasimov L.L., Gorelik V.S., Manja N.M., Obraztsova E.D., Plotnikov Yu.I. Raman scattering in amorphous silicon films// J. of Mol. Struct. -1992. -V. 267. -P. 177-184.

112. Avakyants L.P., Gorelik V.S., Obraztsova E.D., Orechov S.V., Sedinkin E.G. Chemically vapour deposited ultrafine silicon particles// Proc. of VIII Intern. Conf. on Solid Surfaces. Hague. Netherlands. -1992.

113. Авакянц Л.П., И.А.Курова А.Н.Лупачева Н.В.Мелешко Н.Н.Ормонт Электрические свойства пленок a-Si:H, облученных мощными световыми импульсами// ФТП. -1994. -Т. 28, -Вып. 1. С .120-124.

114. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Курова И.А., Червяков А.В. Упорядочение структуры гидрогенизированных пленок кремния под влиянием непрерывного лазерного облучения// ФТТ. -1997. -Т. 39. -№ 12. -С. 2152-2155.

115. Авакянц Л.П., Ефимов А.Д., Кравченко В.В., Прокопышин О.А., Ушаков Б.В. Аморфизация GaAs при имплантации ионами Si+ и Se+. // Физика и химия обработки материалов. -1991. -№ 2. -С. 43-47.

116. Avakyants L. P., Gorelik V.S., Yefimov A.D., Cherviakov A.V. Raman spectra of the silicon-implanted GaAs near surface layers. // XX European Congress of molecular spectroscopy. -Zagreb, 1991.

117. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Ефимов АД., Темпер Э.М., Щербина С.М. Комбинационное рассеяние света на фонон плазмонных модах в легированных эпитаксиальных пленках арсенида галлия// Краткие сообщения по физике. -1990. -Вып. 1. -С. 11-15.

118. Гиббоне Г.Е. Ионное внедрение в полупроводниках. Часть 1. Теория и экспериментальные исследования пробегов// ТИИЭР. -1968. -Т. 56, -№ 3. -С. 60-85.

119. Гиббоне Г.Е. Ионное внедрение в полупроводниках. Часть 2. Образование и отжиг радиационных нарушений// ТИИЭР. -1972. -Т.60. -№ 3. -С. 53-95.

120. Dennis J.R., Hale Е.В. Crystalline to amorphous transformation in ion-implanted silicon: a composite model// J.Appl.Phys. -1978. -V. 49. -N. 3. -P. 1119-1127.

121. Cerdeira F., Buchenauer C.J., Pollak Fred H., Cardona M. Stress-induced shifts of first-order Raman frequencies of diamond and zinc-blende-type semiconductors// Phys. Rev. -1972. -V. В 5. -N. 2. -P. 580-593.

122. Spreriosu V.S., Paine B.M., Nicolet M.A., Glass H.L. X-ray rocking curve study of Si-implanted GaAs, Si, Ge// Appl. Phys. Lett. -1982. -V. 40. -N. 7. -P. 604-606.

123. P.Avakyants , A.V.Chervyakov , I.A.Kitov , P.A.Polyakov, and V.S.Corelik Raman scattering by phonon-plasmon coupled modes in Si ion-doped GaAs//Proc. of the 13 Int. Conf. on Raman Spectroscopy. -1992. Wurzburg. Germany. -P. 804-805.

124. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Китов И.А., Червяков A.B. Комбинационное рассеяние света в арсениде галлия, ионно-легированном кремнием // ФТТ. -1993. -Т. 35. -№ 5. -С. 1354-1362.

125. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Поляков П.А. Комбинационное рассеяние света на связанных фонон — плазмонных модах в ионно-легированном арсениде галлия// Краткие сообщения по физике. -1999. -Вып. 3. -С. 2431.

126. Avakyants L.P., Polyakov Р.А., Gorelik V.S. Characterization of electrical and structural properties of ion-implanted GaAs by Raman scattering// Proc. SPIE. -2000. -V. 4070. -P. 438-443.

127. Avakyants L.P., Polyakov, P. A.; Gorelik, V. S. Raman scattering from phonon-plasmon modes in gallium arsenide implanted by silicon ions// Proc. SPIE. -2000. -V. 4069. -P. 11-16.

128. Richter W., Nowak U., Jurgensen H., Rossler U. Electron Plasma in Non-Parabolic Condition Band// Solid State Commun. -1988. -V. 67. -N. 3. -P. 199-204.

129. Авакянц Л.П., Колмакова Т.П. Диагностика концентрации свободных носителей эпитаксиальных пленок n-InxGai.xAs методом комбинационного рассеяния света// Журнал Радиоэлектроники. Твердотельная Электроника Эл. журнал. -2010. -№ 2. -С. 1-14.

130. Emura S., Gonda S., Matsui Y. and Hayashi H. Internal-stress effects on Raman spectra of InGaAs on InP// Phys. Rev. -1988. -V. В 38. -N. 5. -P. 3280-3285.

131. Maslar J.E., Dorsten J. F., Bow P. W., Agarwala S., Adesida I., Caneau C., Bhat R. Electron-phonon interactions in n-type Ino.53Gao.47As and In0.52Alo.48As studied by inelastic light scattering// Phys. Rev. -1994. -V. В 50.-P. 17143-17150.

132. Thomas M.B., Wooley J.C. Plasma edge reflectance measurements in GaxInax)As and InAsxSb(i.x) alloys// Can. J. Phys. -1971. -V.49. -P. 2052.

133. Raymond A., Robert J.L., Bernard С. The electron effective mass in heavily doped GaAs// J. Phys. -1979. -V.C 12. -P. 2289-2293.

134. Yoshita М., Takahashi Т. // Appl. Surf. Sei. -1997. -V. 115. -P. 347.

135. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Ефимов А.Д., Темпер Э.М., Щербина С.М. Комбинационное рассеяние света на фонон плазмонных модах в легированных эпитаксиальных пленках арсенида галлия// Краткие сообщения по физике. -1990. -Вып. 1. -С. 11-15.

136. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Темпер Э.М., Щербина С.М. Комбинационное рассеяние света в приповерхностном слое n-GaAs при имплантации ионов бора// ФТТ. -1999.-Т. 41 -№ 9. -С. 1495-1498.

137. Авакянц Л.П., Горелик B.C., Коршунов А.Б., Темпер Э.М. Исследование компенсации проводимости n-GaAs при имплантации ионами В+ методом фотоотражения// Краткие сообщения по физике. -1999. -Вып. 2. -С. 17-21.

138. Sarma S.D., Fabian J., Ни X., Zutic I. Spintronics: electron spin coherence, entanglement and transport// Superlatt.Microstr. -2000. -V. 27. -P. 289-295.

139. Данилов Ю.А., Круглое A.B., Питиримова Е.А., Дроздов Ю.Н., Мурель A.B., Бехар М., Пудензи М.А. Структура и свойства слоев GaAs:Mn, сформированных ионной имплантацией// Известия РАН. Серия физическая. -2004. -Т. 68. -С. 65.

140. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Червяков A.B. Исследование процесса активации ионно-имплантированного марганца в GaAs методами комбинационного рассеяния и фотоотражения//

141. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2006. -№7. -С. 91-94.

142. Аеакянц Л.П., Боков П.Ю., Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Червяков А.В. Исследование GaAs:Mn методами комбинационного рассеяния света и фотоотражения// Тез. док. международной конф. Взаимодействие ионов с поверхностью. -Звенигород, 2005. -С. 2-102.

143. Gargouri М, Prevot В., Schwab С. Raman scattering evaluation of lattice damage and electrical activity in Be implanted GaAs// J. Appl. Phys. -1987. -V. 62. -N. 9. -P. 3902-3912.

144. Shen S., Zhou W., Pamulapati J., Ren F. //Appl. Phys. Lett. -1999. -V.74. -P. 1430.

145. Suzuki K., Okudaira S., Sakudo N., Kanomata J. II Jap. J. Appl. Phys. -1977. -V.16. -P. 1979.

146. Аеакянц Л.П., Боков П.Ю., Григорьев A.T., Червяков А.В. Комбинационное рассеяние света как метод неразрушающего контроля поверхности GaAs (100) обработанной плазменным травлением// Известия РАН. Серия физическая. -2004. -Т. 68. -№ 3. -С. 451-453.

147. Аеакянц Л.П., Боков П.Ю., Григорьев А.Т., Червяков А.В. Исследование методом фотоотражения полуизолирующих подложек GaAs, обработанных плазменным травлением// Известия РАН, серия физическая. -2008. -Т. 72. -С. 995-998.

148. Аеакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков А.В Размерное квантование в гетероструктурах GaAs/AlxGaixAs по данным спектроскопии фотоотражения// Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. -2002. -№ 4. -С. 48-50.

149. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Бугаков И.В., Колмакова Т.П. , Червяков А.В. Исследование 5 легированных n-i-p-i-n структур GaAs методом спектроскопии фотоотражения// Журнал Радиоэлектроники. Твердотельная Электроника Эл. журнал. -2010. -№ 1. -С. 1-10.

150. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Колмакова Т.П., Червяков А.В. Исследование разрыва зон на гетеропереходе напряженных короткопериодных сверхрешеток GaAs/GaAsP методом спектроскопии фотоотражения// ФТП. -2004. -Т. 38. -Вып. 12. -С. 1429-1434.

151. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Колмакова Т.П., Червяков А.В. Исследование встроенного электрического поля в напряженных сверхрешетках GaAs/GaAsP методом спектроскопии фотоотражения// Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. -2004. -№ 1. -С. 45-47.

152. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Казаков И.П., Червяков А.В. Исследование гетероструктур GaAs/AlxGaixAs методом спектроскопии фотоотражения. Тез. док. Всероссийской конф. Микро и нано -электроника 2001. -Звенигород, 2001 -С. 2-29.

153. Avakyants L.P., Bokov P.Yu., Chervyakov A.V., Galiev G.B., Klimov E.A., Vasil'evskij I.S. Room temperature photoreflectance investigation of undoped and doped GaAs/AlGaAs quantum well structures// Proc. SPIE. -2004. -V. 5401. -P. 605-612.

154. Херман M. Полупроводниковые сверхрешетки, -M.: Мир, 1983. -240 С.

155. Kaiser Н-К., Rehberg J. About a one-dimensional stationary Schrôdinger-Poisson system with Kohn-Sham potential// Z. angew. Math. Phys. -1999. -V. 50. -P. 423-458.

156. Weisbuch C., Winter B. Quantum Semiconductor Structures. Fundamentals and Applications.// Acad. Press. -1991. -P. 252.

157. Kawai H., Kaneko J., Watanabe N. Doublet state of resonantly coupled AlxGaixAs/GaAs quantum wells grown by metaloorganic vapor deposition// J. Appl. Phys. -1985. -V. 58, -N 3, -P. 1263-1269.

158. Гук A.B., Каминский В.Э., Мокеров В.Г., Фёдоров Ю.В., Хабаров Ю.В. Оптическая спектроскопия двумерных электронных состояний в модулированно-легированных гетероструктурах n-AlxGaixAs/GaAs// ФТП.-1997.-Т. 31.-Вып. 11.-С. 1367-1374.

159. Chandra A., Wood C.E.C., Woodard D.W., Eastman L.F. Surface and interface depletion corrections to free carrier-density determinations by Hall measurements// Surf. Solid. Electr. -1979. -V. 22, -P. 645-650.

160. Pavesi L., Guzzi М. Photoluminescence of AlxGaixAs alloys// J. Appl. Phys. -1994.-V. 75. -N. 10. -P. 4779-4842.

161. Herman M., Bimberg D., Christen J. Heterointerfaces in quantum wells and epitaxial growth processes: Evaluation by luminescence techniques// J. Appl. Phys. -1991. -V. 70. -N.2. -P. Rl- R52.

162. Yariv A., Lindsey C., Sivan U. Approximate analytic solution for electronic wave functions and energies in coupled quantum wells// J. Appl. Phys. -1985. -V. 58. -P. 3669-3672.

163. Bayer M., Timofeev V.B., Faller F., Gutbrod Т., Forchel A. Direct and indirect excitons in coupled GaAs/AlxGa!xAs double quantum wells separated by AlAs barriers// Phys. Rev. -1996. -V. В 54. -P. 8799-8808.

164. Sqk G., Ryczko K., Kubisa M., Misiewicz J., Koeth J., Forchel A. Photoreflectance study of coupling effects in double quantum wells// Proc. SPIE. -1999. -V. 3725. -P. 201-204.

165. Pan N., Zheng X.L., Hendriks H, Carter J. Photoreflectance characterization of AlGaAs/GaAs modulation-doped heterostructures// J. Appl. Phys. -1990. -V. 68.-N. 5.-P. 2355.