Парамагнитные дефекты в аморфизованных алмазе и кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Г* л > 1 * ^

.. МИНИСТЕРСТВО НАРОДНОГО 0БРА30ВАШЯ РЕСПУБЛИКИ БЙЮРУСЬ г.,;;. . . ' БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

б«-,».-;

На правах рукописи

пш. ^иЯ

ПЕНИНА НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНА

УДК 537.635: 546.273

ПАРАМАГНИТНЫЕ ДЗЙЕКТЫ В АМ0РШ30ВАННЫХ АЛМАЗЕ И КРЕМНИИ

(01.04.10-физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ'

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК-1993

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Белорусского государственного университета

Научный руководитель кандидат физико-математических наук доцент СТЕЛЬМАХ В.Ф.

Официальные оппоненты:

.доктор физико-математических наук, профессор ДОМАНЕВСКИЙ Д.С.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник . ФЕДОРУК Г.Г. .

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Институт физики твердого тела и полупроводников АН РБ

Защита диссертации состоится " 1993 р.

в 14 часов на заседании специализированного Совета Д 056.03.05 по присуждению ученой степени доктора наук в Белорусском государственном университете (220080 г.Минск, проспект Ф.Скорины,4, главный корпус, к.206).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан щ 9* 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

-3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: В электронике' уже почти полвека успешно используют кремний. Однако на сегодня видны и его недостатки. Кремний не обеспечивает достаточное быстродействие микросхем, радиационную стойкость, повышение мощности высокочастотных приборов и др. В связи с этим в последние годы ведутся интенсивные поиски и исследования новых эффективных полупроводниковых материалов. Наиболее перспективным для этих целей обоснованно считается алмаз, который обладает целым комплексом ценных свойств. Благодаря сильным связям между атомами - это самый твердый из всех известных материалов. Если оценивать возможности алмаза для применения в электронике, то диэлектрическая постоянная, скорость дрейфа носителей заряда и теплопроводность являются определяющими. По комплексу показателей алмаз более пригоден для предельной интеграции цепей и изготовления высокомощных компонентов электроники, чем какой-либо другой известный полупроводниковый материал. Более того, он практически прозрачен в■ широком диапазоне спектра, хорошо проводит звук и устойчив к воздействию большинства' химических веществ.

Поскольку кремний в настоящее время является самым изученным материалом, относится к такому же типу, как и алмаз,_ то и сопоставление свойств кремния и алмаза дает по принципу аналогий дополнительную возможность 'для ^установления механизмов образования структурных нарушений. Это является важным, например, для прогнозирования основных характеристик полупроводниковых материалов в результате радиационных, термических и других воздействий.

Перспективы практического применения пучков заряженных частиц с энергией до нескольких мегаэлектронвольт требует изучения механизмов образования радиационных дефектов . и центров аморфизации, пространственного распределения примесных атомов и нарушений, закономерностей накопления и . отжига облученных кристаллов. Несмотря на то, что эксперименты по облучению полупроводниковых кристаллов ионами высоких энергий проводятся длено, уровень наших, знаний о. ■ процессах.

происходящих при облучении и откиге как в кремнии, так и в алмазе, существенно ниже, чем для традиционной и широко используемой низкоэнергетичной имплантации.

Диссертационная работа выполнялась в. рамках Государственной научно-технической программы "Перспективные материалы" по применению сверхтвердых материалов в электронной технике и приборостроении (Постановление ГКНТ N131 от ,10.03.89) и межотраслевой республиканской научно-технической программы "Информатика" (Постановление СМ БССР N327 от 16.11.88).

Целью работы явилось изучение . особенностей аморфизации структуры основных представителей алмазоподобннх полупроводников • - алмаза и кремния - в условиях высокоэнергетичной имплантации ионов, а также сопоставление процессов дефектообразования в алмазе и кремнии в идентичных условиях.

В данной работе в качестве основного метода исследования радиационных . структурных нарушений использован метод электронного парамагнитного резонанса.

Научная новизна работы заключается в следующем: -впервые обнаружено влияние гидрогенизации на параметры сигнала ЭПР парамагнитных центров аморфных областей в алмазе, облученном ионами фосфора с энергией 100 кэВ и дозой 1.8x1015 см-2;

-установлено, что в результате гидрогенизации в алмазе снижается концентрация парамагнитных дефектов с короткими временами релаксации;

-впервые установлено, что амортизация алмаза, облученного ионами фосфора с энергией 100 кэВ, определяется дефектами вакансионного типа;

-в результате исследования ЭПР в алмаза, облученном высокоэнаргетичными ионами, идентифицированы спектры парамагнитных центров 0! и И5, ранее наблюдавшиеся только в алмазах, облученных, нейтронами и электронами; • предложу¡¡?. модель микроструктуры парамагнитного центра 01 <001>-пара Фрзнкеля (С Л); показано, что параметры стщ-гам»Ы1ЬТ08И1ша

центров 01 и И5 зависят от температуры отжига; центры 01 образуются практически полностью вследствие неупругих соударений; '

-впервые методом ЭПР установлено, что в результате воздействия ионов высоких энергий в алмазе создаются квазиодномерные упорядоченные структуры вдоль направления облучения - треки ионов с повышенной микроволновой проводимостью; -в кремнии, облученном ионами никеля с энергией 6 МэВ и дозой 2х1014см"а обнаружены и идентифицированы центры Б1-А6 и 31-А4, не наблюдавшиеся в кремнии имплантированном ионами низких энергий.. Показано, что особенностью высокоэнергетичной ионой имплантации в кремнии для ионов аргона с энергией 47 МэВ и дозой Зх101Бсм-2 является наличие двух максимумов концентраций парамагнитных центров с в=2.0055 в распределении дефектов по глубине (12 мкм и 16.8 мкм);

-установлено, что в отличие от кремния, роль одиночных вакансий в механизме формирования сигналов парамагнитных центров аморфной области в алмазе более существенна, что объясняет факт образования парамагнитных центров аморфной области и отсутствие точечных парамагнитных центров в алмазе, имплантированном легкими ионами низких энергий даже при дозах 4x10'асм-2. В кремнии же в идентичных условиях наблюдаются только точечные дефекты, а парамагнитные центры аморфной области не наблюдаются даже при дозах'> 1014см~2."'

Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты являются физической основой решения задачи управления электрофизическими свойствами алмаза путем легирования его другими элементами как в процессе синтеза, так и методами имплантации.

Ионным легированием алмаза удается получить полупроводниковые слои, погруженные- в почти совершенный изолятор с высокой теплопроводностью, что обеспечивает базу для создания интегральных схем с большой стабильностью свойств при повышенных температурах. Для создания требуемого профиля распределения примеси не" только в приповерхностной области, но и в заглубленных слоях, перспективным является использование

ионов высоких энергий (свыше 0.1 МэВ/а.е.м.). При эхом, для оптимизации технологии ионного легирования важным является полученное в работе знание природы, свойств структурных, дефектов, профиля их распределения и термической стабильности.

Положения, выносимые на защиту.

Т.Структура областей амортизации алмаза, облученного ионами фосфора с энергией 100 кэВ и дозой 1.8*1015см~2, .установленная посредством обнаруженного влияния гидрогенизации на параметры сигнала ЭПР парамагнитных центров аморфной области.

2.Модель микроструктуры парамагнитного центра 01, впервые наблюдавшегося в алмазе, имплантированном высокоэнергетичнымм ионами.

3.Результаты сопоставления особенностей структуры областей амортизации в алмазе и кремнии, имплантированных высокоэнергетичными ионами.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на УШ Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Москва,1987 г.), Всесоюзной конференции "Ионно-лучевая модификация материалов" (Черноголовка,1937 г.), Всесоюзной конференции "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве" (Казань, 1988 г.), Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Москва, ЦНИИ "Электроника", 1988 г.), Международной конференции по имплантации полупроводников (ПНР, Люблин, 1988 г.), 7th International Conference. IBMM (USA, Knoxvllle,1990), International Conference on Ion Implantation and. Ion Beam Equipment (Bulgaria,1990), E-MRS Fall Meeting (France, Strasbourg,1990), Third International Conference on the New Diamond Science and Technology (Heidelberg,1992), П Conference "The Problems of Application Diamond In Electronics (Moscov,1992).

Публикации: содержание работы отражено в 23 опубликованных научных работах и 3 авторских свидетельствах.

■ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с"'заключениями по каждой из них.

основных выводов, списка литературы. Она изложена на 124 страницах, включая 38 рисунков и список литературы из 141 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные положения, вшюсимые на защиту.

Первая глава содержит анализ известных результатов исследований ЭПР~в аморфных областях углеродных материалов, таких как алмаз, графит, каменный уголь, а также полученные нами результаты исследования влияния гидрогенизации на парамагнитные центры областей амортизации алмаза.

Облучение алмаза ионами приводит "к образованию парамагнитных центров аморфных областей.(ПЦ АО) с изотропным £=фактором вблизи 2.0025. Аналогичные центры наблюдаются в аморфном и облученном ионами кремнии (.0055), аморфном' германии (¿=2.022), облученном нейтронами графите (£=2-0036), в углях высокой степени метаморфизма (£=2.0027). Предполагается, что за этот сигнал ЭПР ответственен аморфный углерод. Но конкретный механизм образования этого сигнала в алмазе и конкретная структура ПЦ АО, соответствующая данному спектру остаются неясными.

Известно также, что ряд примесных центров в кремнии может пассивироваться в водородной плазме. По аналогии с эффектом пассивации водородом дефектов вакансионного типа в кремнии, следует ожидать, что может иметь место также пассивация собственных дефектов вакансионного типа и в алмазе. Следует также ожидать, что влияние гидрогенизации будет различным для дефектов мекдоузельного и вакансионного типов.

Д.я я исследования методом ЭПР влияния гидрогенизации на собственные структурные дефекты, возникающие в результате ионной имштнтпции нами использовался природный алмаз типа Па с малым содержанием примеси. После имплантации ионов фосфора в алмаз наблюдалась синглетная изотропная линия ЭПР с £=2.0025+ 0.0002 и шириной АН=3.2 Го. Такая линия характерна для ПЦ АО.

Гидрогенизация проводилась в плазменном реакторе в две стадии по 30 минут каждая. После гидрогенизации ширина линии дН и относительная интенсивность 1/1 (I -интенсивность линии до гидрогенизации) уменьшились и были равными №2.8 Гс, I /I = 0.67 на первой стадии гидрогенизации и ЛН---2.6 Гс, 1/1о=0.42 на второй стадии гидрогенизации. Анализ формы линии, наблюдаемой в спектре ЭПР алмаза, имплантированного ионами фосфора, а затем и после двух стадий гидрогенизации показал, что линия сложная - в центре она Лоренцева, а на крыльях - Гауссова. Такая форма линии является характерной для парамагнитных систем в следующих случаях: 1)когда основной вклад в ширину линии вносит диполь-дипольное . взаимодействие между неравномерно распределенными парамагнитными центрами; 2)за счет делокализационного сужения гауссовой формы линии, обусловленного обменным взаимодействием спинов. В этом случае имеет место следующее соотношение Ш>е=^рлН2/лНд. Величина частоты обменного взаимодействия «е может быть измерена независимо от величины магнитного поля, там где лорэнциан переходит в гауссиан. Эта величина была наш расчитана и оказалась равной 17.8_МГц до гидрогенизации. Было найдено, что после гидрогенизации, подобно ширине линии и интенсивности, частота обменного взаимодействия уменьшалась и принимала значения: 15.8 МГц на первой стадии и 13.7 МГц на второй стадии гидрогенизации. Уменьшение частоты обмена соответствует уменьшению взаимодействия между дефектами. Это взаимодействие уменьшается в свою очередь, когда имеет место пассивация дефектов.

Влияние водорода . на электронную структуру дефектов вакансионного и мевдоузельного типов в алмазе изучалось теоретически методом МО ЛКАО. • Расчет, проведенный для электронной, структуры комплекса У44Н показал, что в запрещенной зоне отсутствуют локальные уровни данного комплекса, т.е. имеет, место пасривация уровней вакансии водородом, подобно кремнию. Для дивакансионного комплекса . при полном насыщении оборванных связей водородом локальные" уровни электронов этих дефектов сдвигаются в валентную зону или

расположены очень близко к ней. Таким образом, результаты наших вычислений показывают, что оборванные связи таких структурных дефектов как вакансия и дивакансия в алмазе могут пассиЕшроваться атомами водорода и может быть реализована значительная реконструкция их локальных уровней вплоть до удаления из запрещенной зоны.

■ Вычисления электронной структуры тетраэдрического междоузлия .(С ) показали, что удаления локальных уровней дефекта из запрещенной зоны, подобно случаю вакансионного типа дефектов нет. Характерно, что при взаимодействии Сц комплексов с одним или тремя атомами водорода эти дефекты становятся парамагнитными, т.е. следует ожидать увеличение интенсивности сигнала ЭПР (в противоположность наблюдаемому экспериментально). Это означает, что ПЦ АО образуются в облученном низкоэнергетичными ионами алмазе подобно ПЦ АО в кремнии, т.е. в значительной степени . как результат взаимодействия точечных дефектов вакансионого типа..

Во второй главе анализируются литературные данные по ЭПР на дефектах в природном алмазе, облученном электронами, нейтронами и ионами, а также, приводятся наши экспериментальные результаты изучения точечных дефектов 01 и Й5, впервые обнаруженных в алмазе после высокоэнергетичной ионной имплантации.

Методом ЭПР нами исследовались образцы пригодного алмаза типов 1а и Па, облученные ионами Со+(67 МэВ, 6х101,1см~2), Си+ (63 МэВ, 5х1014см-а), а также образцы, облученные с противоположных сторон ионами М1+(68 МэВ, 1*1013см~2) и С(82 МэВ, З.Зх101Всм"а), в процессе изохронного отжига.-Температура во время облучения не превышала 400 К. Изохронный отжиг проводился в вакууме.

В образцах, облученных ионами М+,С+ и отожженных при 900°о, наряду со спектром, обусловленном ПЦ АО, наблюдался спектр • парамагнитных центров точечных дефектов (ТД). Исследование угловой зависимости линий анизотропных спектров ПЦ , преобладающих в интервале отжига 600-1100°С в данных образцах, а также в образцах, облученных ионами Со* и Си+,

показывает, что все они имеют симметрию С , спин д=1 для одной группы ТД (01) и симметрию С^, спин 8=1/2 для другой группы ТД (И5), ранее наблюдавшихся после отжига в алмазах, облученных нейтронами и электронами. Изменения интенсивности линий обоих типов ПЦ при отжиге похожи: до 900°С происходит рост сигнала ЭПР с температурой, а при 1100°С - резкий спад. Интересно, что параметры спин-гамильтониана, описывающего •указанные центры, оказались зависящими от температуры отжига. Величина тонкого расщепления вдоль <110> ПЦ {¡5 в предположении диполь-дипольного взаимодействия двух неспаренных спинов с з=1/2 дает значение расстояния между ними, равное 4.7 А. Эта величина совпадает с размером трехвакансионного комплекса, расположенного вдоль <110>. Таким образом, полученные данные подтверждают предложенную ранее модель ПЦ И5 как <1Ю>-трехвакансионного комплекса.

Профиль распределения по глубине основных ПЦ после отжига при 950°С был исследован в алмазе, облученном ионами Со". Характер распределения- ТД и ПЦ АО различен - максимум распределения ПЦ 01 соответствует глубине 2.2 мкм, в то время как максимум распределения ПЦ АО находится на' расстоянии 6.4 мкм от поверхности образца. Следует заметить, что профиль распределения ПЦ АО качественно согласуется с расчитанным теоретически профилем распределения потерь энергии ионов при ядерном торможении. Таким образом, генерация дефектов, приводящих к аморфизации при высокоэнергетичной ионной имплантации происходит в результате прямых ион-атомных ■столкновений, в то время как точечные ПЦ 01 образуются в результате торможения электронов, выбитых налетающими ионами.

- Поскольку ПЦ 01 . мы наблюдаем в образцах с различным примесным составом при различных видах облучения, то следует ожидать, что атомы примеси, в том числе имплантируемой, не входят в состав этих ПЦ. В предположении спин-орбитального взаимодействия вычисленные и экспериментально определенные нами главные значения Б совпадают и определяются погрешностью измерений £-тензора. Сказанное означает, что два неспаренных электрона ПЦ 01 должны быть локализованы на орбиталях таким

образом, чтобы мог быть обеспечен спин-орбитальный, характер тонкого расщепления в результате их синхронного орбитального движения. Требуемое может быть обеспечено'лишь в том случае, когда в состав ПЦ входит мевдоузельный атом. В то же время Щ 01 может быть лишь простейшим дефектом, т.к.' он образуется в результате облучения электронами с энергией 2 МэВ. такой простейшей моделью, удовлетворяющей указанному выше характеру локализации спина з=1, симметрии С^, термической стабильности и согласующейся с критерием Ли-Корбетта является, по нашему мнению, <001>-пара Френкеля, междоузельный атом которой смещен из тетраэдрического междоузлия вдоль <001> по направлению к вакансии. Теоретический расчет структуры дефекта не

противоречит выводу, сделанному нами из анализа экспериментальных результатов.

В третьей главе приводятся литературные данные по исследованию ЭПР в алмазе, аморфизованном ионами высоких энергий, рассматривается возможные механизмы образования' треков при торможении высокоэнергетичного иона, приводятся результаты наших исследований анизотропии ширины линии парамагнитных центров аморфных областей алмаза, облученного ионами меди (63 МэВ, 5х1014см~2) и неона (26.7 МэВ, 5*1014 см-2), а также анизотропии g-фaктopa и интенсивности линий ПЦ АО. _ _

Имплантация ионов меди проводилась ' • вдоль кристаллографического направления, близкого .к <111>, направление ионов неона было близко к <001>. Превалирующим ПЦ (как и при низкоэнергетичной ионной имплантации) соответствует синглетная линия ЭПР, однако, в этом случае ^-фактор и ширина линии АН являются анизотропными. Главные значения ё1,е3> максимальное и минимальное значения ширины линии (ДН1=10.15 Гс, лНа=8.84 Гс (±0.05 Гс)) достигаются, когда плоскость, вращения образца отклонена на 0.7° от плоскости. (112) (плоскость вращения и плоскость (112) пересекаются вдоль направления [110]). Оценка угла между упомянутыми плоскостями была получена путем сравнения угловых зависимостей ширины и амплитуды линий этих ПЦ.,и угловой зависимости тонкого

расщеплешя линий точечных. ПЦ, которые также наблюдались в исследуемых образцах при увеличении усиления в ЮО раз.

Характерно, что направление АН (или gi) совпадает с направлением ионного пучка. В соответствие с этим ё2~, £ -оси перпендикулярны направлению ионного пучка, т.е. онл расположены в плоскости, отклоненной на 0.7° от (111). Отметим также, что значения £-фактора и Ш остаются неизменными при •вращении образца в этой плоскости, т.е. .

Следует заметить, что наблюдалась также анизотропия степени асимметрии линии (А/В), величина которой была наибольшей при вращении образца в вышеупомянутой плоскости 0.7° от (~П2). При вращении образца в плоскости,' перпендикулярной направлению облучения, это значение изотропно.

При высокоэнергетичном облучении ионами неона также наблюдался ЭПР сигнал с анизотропным £-фактором, шириной линии и степенью асимметрии подобно облучению ионами меди. Обратим внимание на то, что как и для образца, имплантированного ионами меди, анизотропия указанных параметров определяется главным образом направлением имплантации.

Как следует из приведенных фактов, имеется общая тенденция, а именно - максимальная анизотропия АН определяется геометрией имплантации.

Показано, что наблюдаемая анизотропия ширины линии в исследуемых образцах не может вызываться частично сформированной аморфной фазой. Одной из основных особенностей выеокоэнергетичной ионной имплантации является высокая плбтность энергии, выделяемой в результате электронного торможения. Во время . этого процесса могут наблюдаться как восстановление структуры алмаза (электронный отжиг), так и образование структур с нететр-аэдрическим ближним порядком. Мы предполагаем, что ПЦ являются аксиально симметричными точечными дефектами с однородным распределением, но не в р^н.етке (алмаза, а в квазиодномерных структурах, подобных ориентированным полимерам. Обнаружено, что еинглетная линия ЭПР с £=2.0027 ± 0.0002 наблюдается также в механически

рао п роб лонном алмазе и графите, в алмазе, облучеш{ом нейтронами, в углях высокой степени метаморфизма, а также в углеродном веществе, получаемом в результате термической модификации полимерных материалов. По нашему мнению это свидетельствует об идентичности парамагнитных центров во всех вышеуказанных случаях, различающихся лишь локальной концентрацией и относительно слабым влиянием окружения. Это приводит нас к заключению о том, что центры .такого типа формируются локализованными л-электронами, характерными для 8рз-гибридизащш. Бр -гибридизация (незначительно модифицированная) характерна для плоских углеродных образований из преимущественно шестиугольных структур, возникающих в результате всех вышеназванных воздействий на углеродное вещество. В пользу того, что мы имеем дело со спектром точечных дефектов не в решетке алмаза, а в упорядоченной (или частично упорядоченной) нететраэдрической структуре свидетельствуют анализ угловой зависимости интенсивности и степени асимметрии ЭПР сигнала. Регистрация несимметричной линии связывается с эффектом Дайсона, т.е. ПЦ находятся в электропроводящей среде. Сам факт анизотропии степени асимметрии сигнала свидетельствует о том, что повышенная СВЧ-проводимость не является объемной, а осуществляется вдоль направления движения иона.

Таким образом, на основе ЗПР-исследований алмаза установлено, что в результате высокоэнергетичной ионной имплантации могут образовываться квазиодномерные упорядоченные стабильные структуры вдоль направления облучения - треки ионов с повышенной микроволновой проводимостью.

рассматриваются установленные нами особенности накопления радиационных дефектов в кремнии при облучении ионами высоких энергий, их зависимость от температури имплантации, исследуется распределение радиационных дефектов по глубине, а также сопоставляются процессы доФектооОравования в алмазе и кремнии при кисе.чоодарпетичной ионной имплантации.

. Нът псследстались образцы кремния, имплантированного

ионами никеля (6МэВ,' 5*1012 - ?_*1017см~а) при разных температурах имплантации, а также ионами аргона (47 МэВ, ЗхЮ13 - Зх1015см-2).

Для образцов, облученных ионами никеля в зависимости от температуры имплантации, происходит трансформация спектров от анизотропного (при Тj =450 К) до изотропного (при Т^125 К). Суммарная концентрация всех ПЦ при уменьшении температуры имплантации от 450 К до 125 К возрастает сравнительно слабо. Нами также изучалась кинетика накопления Щ в кремнии при имплантации ионами никеля при Т =400 К. Начиная с дозы 5X101S см"2 происходит образование аморфных областей, вклад которых в суммарную концентрацию Щ сравнительно невелик. Для кремния,' облученного ионами аргона, при дозе 3*101{5см~а, наряду с ТД, в спектре наблюдался изотропный сигнал с g=2.0055 и ЛН=5 Гс, принадлежащий ПЦ АО, вклад которых в суммарную концентрацию ПЦ составляет 90%.

Изучение профилей распределения ПЦ проводилось на образцах кремния, облученных ионами бора (13.6 МэВ, 1*1Q1S см-2) и аргона (47 МэВ, Зх101Бсм_а). Отличительной особенностью имплантации ионов бора является отсутствие линии с изотропным g-фактором 2.0055, что свидетельствует об отсутствии при данном облучении областей аморфизации. Характерно также, что взаимное соотношение концентраций ТД, возникающих при высокоэнергетичной имплантаци ионов бора практически не отличается от такого же соотношения при низкоэнергегичной. Так, в исследуемых образцах превалирующими по концентрации являются S1-P3 центры, отношение их концентрации к концентрации S1-P6 по нашим данным составило 1.3 ± 0.2. В то же время это отношение- для ионов бора с энергией 150 кэВ и такой же дозой (1х1015см~2) было 1.5 ± 0.3.

В работе исследовалось распределение по глубине ПЦ АО для кремния, облученного ионами аргона (47 МэВ, 3*101Всм~а). Максимум концентрации ПЦ АО расположен на глубине 12 мкм, второй максимум - на глубине 16.8 мкм, а сама,дефектная . область заканчивается на глубине 18 мкм.

Из сравнения результатов теоретического расчета . потерь

энергии ионов аргона с Е-46.3 МэВ в кремнии с профилем распределения дефектов по глубине образца, нами установлено, что особенностью высокоэнергетичной. ионной имплантации является образование ТД и изолированных АО в области максимума неупругих потерь энергии ионов и образование сплошного аморфного слоя в максимуме упругих потерь. Приведенные результаты свидетельствуют, что образование АО в кремнии при высокоэнергетичной ионной имплантации идет по двум механизмам. Первый связан с аморфизацией кремния за счет накопления ТД до предельной концентрации (в слое до 12 мкм), второй - с образованием АО непосредственно в области скопления дефектов. Наличие же второго максимума концентрации ПЦ • ,А0 может свидетельствовать о том, что некоторое количество частиц при высокоэнергетичной ионной имплантации проникает за область, соответствующую аморфной мишени. Так как каналирование ионов исключено условиями имплантации, то остается предположить, что речь идет о тех частицах, которые, захватываясь в треки, образующиеся впереди летящими ионами, сохраняя благодаря этому свою энергию, имплантируют уже сформировавшуюся аморфную область.

В работе приводится сопоставление процессов дефектообразования в алмазе и кремнии при высокоэнергетичной ионной имплантации. Качественные различия в изменении свойств кристаллов алмаза и кремния под действием высокоэнергетических видов радиации и особенности последующего отжига в значительной степени определяются накоплением аморфных парамагнитных включений (областей скопления дефектов),, приводящих к существенно различным структурно-фазовым превращениям в кристаллах. В обоих кристаллах области скопления дефектов содержат разупорядоченное ядро, окруженное кристаллической оболочкой, насыщенной дефектами с высокой локальной концентрацией. На заглубленные в 'кристалле области скопления дефектов со стороны матрицы действуют значительные квпзигидростатические давления. Высокоэнергетичные ионы в алмазе создают области скопления дефектов в форме вытянутых треков, причем приповерхностная часть кристалла повреждена

мало.

Показано, что в противоположность кремнию, роль одиночных вакансий в механизме формирования сигналов ПЦ АО в алмазе может быть существенна. Скорость образования моновакансии, как первичного дефекта, в полупроводниках, вообще говоря, гораздо выше, чем дивакансии. Поэтому нами допускается более высокая эффективность ' образования- аморфной фазы по механизму накопления ТД, определяющаяся их высокой стабильностью в матрице алмаза. Эта гипотеза согласуется с экспериментальным фактом наблюдения ПЦ АО и отсутствия точечных ГЩ в алмазе, имплантированном ионами легких масс с низкими энергиями при комнатной температуре даже при дозах :4*101асм-2. В противоположность этому в кремнии, например, при имплантации ионов бора (150 кэВ) наблюдались только точечные ПЦ, а ПЦ АО не наблюдались даже при дозах >Ш16см~2. Эти данные показывают, что вакансии действительно участвуют в образовании АО и, что их концентрация достаточна для образования АО в каскаде повреждения каждым отдельным ионом.

ОСНОВНЫЕ выводы

1.Установлено, что парамагнетизм аморфных областей, формирующихся в алмазе, облученном ионами фосфору с энергией 100 кэВ и дозами свыше 2к101Всм~а, ■ определяется дефектами вакансионного типа. В таких кристаллах обнаружено влияние гидрогенизации на параметры сигнала ЭПР парамагнитных центров аморфных областей. Обнаружено, что в результате пассивации дефектов атомарным водородом снижается концентрация дефектов с короткими временами релаксации.

2.В алмазе, облученном высокоэнергетичными ионами Со4(67 Мэв, 6*1014СМ-2), Си+(63 МэВ, 5х101Дсм"2), Nl4(68 М.аВ, 1х101Ь' см-а) и С+(82 МэВ, 3.3х1015см~2), идентифицированы спектры парамагнитных центов 01 и R5, -наблюдавшихся ранее .только в алмазах, облученных нейтронами и электронами. Предложена модель микроструктуры парамагнитного центра 01 - .<Q0l:>-napa Френкеля (Cj+V); подтверждена модель центра R5 как <110>-трехвакансионного комплекса. Показано, что параметры

сшш-гамнльтониана центров 01 и И5 зависят от температуры отжига. Центры 01 образуются практически полностью вследствие неупругих соударений.

3.Обнаружено, что в алмазе, облученном ионами высоких энергий, превалирующим парамагнитным центрам, как и при низкоэнергетичной ионной имплантации, соответствует синглетная линия ЭПР с 6-2.0027!' Однако в этом случае g-фaктop и,, ширина линии АН являются анизотропными, причем анизотропия указанных параметров определяется направлением имплантации. Обнаруженная наш анизотропия степени асимметрии линии ЭПР формы Дайсона свидетельствует о повышенной микроволновой проводимости в треках - квазиодномерных упорядоченных структурах вдоль направления облучения алмаза.

4.В кремнии, облученном ионами никеля с энергией 6 МэВ и дозой 2x10*"см~а обнаружены и идентифицированы центры 31-А6 и 31-А4, которые не наблюдались в кремнии, имплантированном ионами низких энергий. Показано, что особенностью высокоэнергетичной ионной имплантации в кремнии для ионов аргона с энергией 47 МэВ и дозой ЗхЮ1Всм~а является наличие двух максимумов концентрации парамагнитных центров с g=2.0055 в распределении дефектов по глубине - 12 мкм и 16.8 мнм.

б.'Установлено, что роль одиночных вакансий в механизме формирования сигналов парамагнитных центров аморфной области в алмазе более существенна. Это объясняет факт образования парамагнитных центров аморфных областей и отсутствие точечных парамагнитных центров в алмазе, имплантированном легкими ионами низких энергий: даже при дозах "4х1013см~2. В кремнии же )! идентичных условиях наблюдаются только точечные дефекты, а парамагнитные центры аморфной области не наблюдаются дане' при .

1 дозах >Ю16сы~а.

Содержание работы отражено в следующих публикациях. I .Ефимов В.Г.,Пекина Н.М., Радовский Э.Е., Толстых В. 11. Оосбг-тоотп гассшзнэргетячяоЧ имплантации в образована: !1.0рш1лвшшх дефектен в л^лзо/УУШ Веесошш конференции "Ьйэимодейстш) атсдега «гостии с тсчрлш * телом".-Москва: 1937. -С.234-235.

2.Ефимов В.Г., Пепина Н.М.. Радовский ■ З.Е.. Отжиг парамагнитных дефектов в облученном карбиде крешшя//УШ Всесоюзная конференция "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом".-Москва:1987. 4.2.-С.150.

3.Пенина Н.М., Радовский Э.Е., Толстых В.П., Цвирко Л.В. Влияние распределения аморфной фазы, на процессы рекристаллизации в имплантированном кремнии.//Всесоюзная конференция "Ионно-луче-вая модификация материалов".-Черноголовка:1987.-С.204.

4.Ерчак Д.П., Ефимов В.Г., Пешша Н.М., Радовский Э.Е., Толстых В.П. Парамагнитные радиационные дефекты в алмазе, имплантированном ионами ■ высоких энергий.//Всесоюзная конференция "Ионно-лучевая модификация материалов". - Черноголовка: 1987.-С. 151 .

5.Зайцев A.M., Пешша Н.М., Ткачев В.В.. Дефектообразование в алмазе, имплантированном высокоэнергетичными ионами кобальта. //Всесоюзная конференция "Монно-лучевая модификация материалов"-Черноголовка:1987.-С.85.

6.Ефимов В.Г., Ерчак Д.П., Пешша Н.М., Радовский Э.Е., Толстых В.П.. Контроль методом ЭПР профиля распределения термической стабильности дефектов в алмазб, облученном ионами высоких энергий //Всесоюзная конференция "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве".-Казань:1988. 4.2-С.149.

7.Ленина Н.М., Стригуцкий В.П., Стельмах В.Ф., Салонович H.A. Калибровочные датчики ЭПР.//Всесоюзная конференция "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве".-Казань:1988. 4.1. -С.19.

8.Ефимов В.Г., Пенина Н.М. Радовский Э.Е., Столяров B.C., Толстых В.П.. Применение фотовозбуждения для определения характеристик парамагнитных центров.//Всесоюзная конференция по физике полупроводников.-Москва, ЦНИИ "Электроника":1988. -С.19.

9.Пенина Н.М., Толстых В.П. Образование парамагнитных дефектов в алмазе, облученном ионами высоких энергий.//Международная конференция по имплантации полупроводников.-ПНР, Люблин:I938. -С.141.

10.Баранов М.Л., Мытько А.Л., Пенина Н.М., Стельмах В.Ф., Толстых В.П., Цвирко Л.В. Способ калибровки развертки магнитного поля спектрометра ЭПР и калибровочный образец для его' осуществления.А.С. N1520416 (СССР).-1989.

11.Ercbak D.P., Gelfand R.B., Penlna N.M., Stelmakh V.F., TolstyJch V.P., Ulyashln A.G., Varichenko V.S., Zaitsev A.M. Point Paramagnetic Defects In Diamond Irradiated by Higji-Energy Ions.//Physlca Status Solldi (a). .1990.V.121,N1. P.63-72.

12.Erchak D.P., Penlna N.M., Stelmakh V.F., Tolstykh V.P., Zaitsev A.M.. Amorphlsatlon Peculiarities of Ion Irradiated Diamond.//7th International Conference IBMM. USA, .Knoxville. -1990. P.330.

13.Erchak D.P., Eflmov V.C., Penlna N.M., Stelmakh V.F., Tolstykh V.P., Varichenko V.S., Zaitsev A.M.. Comparison of High Energy Ion Implantation Into Diamond and Silicon.// International Conf.on Ion Implant, and Ion Beam Equipment. Bulgaria. 1990. P.66.

14.Erchak D.P., Eflmov V.G., Gelfand R.B., Penlna N.M., Stelmakh V.F., Varichenko V.S., Ulyashln A.G., Zaitsev A.M.. Paramagnetic Centers of Amorphous Regions in Ion Implanted Diamond. //E-MRS Fall Meeting Conference. Strasbourg, France 1990. C-V/P12.

15.Мытько А.А., Папков А.В., 'Ленина H.M., Стельмах В.Ф., Цвирко Л.В. Способ калибровки спектрометра ЭПР. А.С. N1578610 (СССР). 1990

16.Баранов М.А., Ильгасова H.II.,• Лесков А.С., Любченко Л.С., Папков А.В., Пенина Н.М., Прохоров С.Г., Стельмах В.Ф., Стригуцкий В.П. Калибровочный образец для ЭПР-спектроскопий.

А.С. 1116032.66 (СССР). 1990.

17.Козлов И.П., Оджаев В.Б., Пенина Н.М., Толстых В.П. Влияние лития на от;киг радиационных дефектов в кремнии р-типа, облученного электронами.//Научно-техн.конф."Радиационная физика твердого тела".-Минск :1989. С.45-46.

18.11<мшш Н.М., Толстых В.П., Цвирко Л.В., Шилагарди Г. Разработка учебны? образцов для лабораторных работ по

радаоспектроскопии.//Конференция по методике преподавания физики.-Гродно:1989. -С.202-203-

19.Erchak D-P., Eilmov V.G.,. Gelfand R.B., Penina N.M., Stelmakh V.F., Varichenko V.S., Ulyashin A.G., Zaltsev A.M. Hydrogen Passivation of the Paramagnetic Centers in Amorphous Regions of Ion Implanted Diamond.//E-MRS Fall Meeting Conference. Strasbourg, France.1990.

20.Erchak D.P., Efimov V.G., Denisenko A.V., Melnlkov A.A., Penina N.M., Stelmakh V.F., Ulyashin A.G., Varichenko V.S., Zaltsev A.M.. Hydrogen Passivation of the Paramagnetic Centers in Amorphous Regions of Ion Implanted Diamond.//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research.-1992. B69. P.271-276.

21.Erchak D.P., Efimov V.G., Zaltsev A.M., Stelmakh V.F., Penina N.M., Varichenko V.S., Tolstykh V.P. Peculiarities of damage In diamond irradiated by high energy ions.//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research.-1992. B69. P.443-451.

22.Азарко И.И., Ленина H.M., Толстых В.П., Казючиц Н.М., Вариченко B.C. Исследование методом ЭПР кремния, облученного высокоэнергетичными ионами аргона.//ХХП Всесоюзная конференция "Взаимодействие атомных частиц с кристаллами".-Москва: МГУ.-1992. С.76. ч

23.Вариченко B.C., Дрозд В.А.,' Ерчак Д.П., Зайцев A.M., Ленина Н.М., Филипп А.Р.. ЭПР и катодолюминесценция алмаза, синтезированного из изотопа углерода Ci3.//Abstr. of П Conference "The Problems of Application Diamond in Electronics".Moacov. 1992. P.99. •

24.Drozd V.A., Erchak D.P., Filipp A.R., Penina N.M., Zaltsev A.M., Collins А.Т., Kanda H., Varichenko V.S., Zaltsev A.M. EPR and cathodolumlnescence of carbon-13 synthetic diamond. Heidelberg, Geimanyt. 1992.(in press.).

25.Erchak D.P., Efimov V.G., Denisenko A.V., Melnlkov A.A., Penina N.M., Stelmakh V.F. Ulyashin A.G. Varichenko V.S. Zaltsev A.M..EPR in Borom Implanted Natural Diamonds and Epitaxial Diamond Films.//Third International Conference on

Hie 1!ея Diamond Science and Technology. Heidelberg, Germany. (In. press.).

26.Ефимов В.Г., Ерчак Д.П., Ульяшин А.Г..Гельфанд Р.В., Пенила Н.М., Зайцев A.M., Вариченко B.C., Стельмах В.Ф. Пассивация водородом дефектов в ионно-имплантированном алмазе.// Сб. "Техника средств^ связи".-Москва:Энергоатомиздат.1992.(в печати).

Подписано к печати о< с£Ъ . Формат 60*84 1/16.

Бумага,N1. Объем 1.3 п.л. Заказ && Тираж 100 экз. Бесплатно Отпечатано на ротапринте Бвлгосуниверситета. ~~ : 220080,'Шнек,, ул.Бобруйская,Т.