Самоупорядоченные наноразмерные структуры на основе твердого раствора кремний-германий, полученные методом ионной имплантации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

ИржакАртемий Вадимович

САМОУПОРЯДОЧЕННЫЕ НАНОРАЗМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОГО РАСТВОРА КРЕМНИЙ - ГЕРМАНИЙ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Специальность 01 04.10 - Физика полупроводников

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2004

Работа выполнена в лаборатории микроэлектроники Московского Государственного Института Стали и Сплавов (Технологического Университета)

Научные руководители: профессор, доктор физико-математических наук

Пархоменко Ю. Н. профессор, доктор физико-математических наук

Герасименко Н Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Конников С. Г. кандидат физико-математических наук, Смирнов И. С.

Ведущая организация: ИПТМ РАН

Защита состоится марта 2004 г. в /^часов на заседании диссертационного совета Д 212.132 06 при Московском Государственном Институте Стали и Сплавов (Технологическом Университете) по адресу. 119049, г.Москва, Ленинский пр-т, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке института. Автореферат разослан ' Февраля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного советаД.212.132.06,

доктор физ.-мат. наук, профессор

Гераськин В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Кремний обладает уникальным сочетанием свойств, делающим его незаменимым материалом микроэлектроники Легированные моно- и поликристаллы кремния, аморфный кремний, различные соединения на его основе - оксиды, нитриды, силициды - позволяют получать диэлектрические, полупроводниковые и проводящие материалы не только на поверхности, но и в объеме кристаллов кремния В последние годы в микроэлектронике значительно возрос интерес к наноразмерным кремниевым структурам, проявляющим эффекты размерного квантования Такие структуры интересны для производства светопоглощающих и излучающих приборов, что компенсирует один из основных недостатков кремниевой технологии — невозможность получения качественных излучающих приборов вследствие отсутствия прямого оптического перехода в кремнии.

Уникальные свойства структур с эффектами размерного квантования были предсказаны еще в восьмидесятых годах прошлого века Попытки получить такие системы предпринимались при помощи локального травления, роста на профилированных подложках, конденсации в стеклянных матрицах и др Однако эти методы не соответствовали одновременно основным требованиям к структурам с эффектами размерного квантования и условиям получения и работы современных полупроводниковых приборов Наилучшие результаты изготовления квантовых структур (КС) на основе кремния были достигнуты при молеку-лярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) тонкого слоя германия Этот метод не лишен некоторых существенных недостатков, а именно

- жесткие требования к качеству подложек (совершенство поверхности, отсутствие паразитных или адсорбированных примесей),

- длительность проведения процесса,

- высокие требования к проведению самого процесса (температурный режим, чистота и давление подаваемых газов)

Метод ионной имплантации (ИИ) с последующим высокотемпературным отжигом является одним из перспективных методов получения гетероструктур вообще и наноструктур с SiGe квантовыми точками (КТ) в частности Многочис-

♦»ОС.,НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

С Петербург ^ }

1

»

ленные преимущества метода ИИ по сравнению с традиционными методами осаждения (возможность проведения имплантации сквозь покрытия, меньше время проведения процесса) открывают ему широкие перспективы для решения широкого круга задач Основной недостаток имплантации - дефектный или аморфизованный приповерхностный слой - устраняется различными постим-плантационными отжигами

В настоящее время нет единого мнения о механизме образовании квантовых точек методом ионной имплантации (влияние упругих напряжений, режимов отжига, дефектообразования и т д), не изучены также и их электрооптические свойства Исследование процессов образования наноразмерных упорядоченных структур на основе твердого раствора Si - Ge, полученных внедрением германия в кремний, роль радиационных дефектов и условия образования когерентных кристаллических слоев, закономерностей процессов фазообразования необходимо для более глубокого понимания и практического использования для дальнейшего развития этой области микро- и наноэлектроники.

Целью работы являлось определение оптических свойств, состава, размеров и пространственного распределения SiGe квантовых точек в созданных ранее структурах на поверхности кремния методом ионной имплантации Так же необходимо было создать математическую модель для описания процессов кластеризации имплантированного германия в кремнии и определения параметров имплантации и последующего термического отжига для получения SiGe наноструктур с заданными параметрами. Для этого было необходимо- изучить кристалличность и дефектность слоя, содержащего квантовые точки;

- определить геометрические размеры полученных квантовых точек, пространственное распределение в слое и их состав;

- изучить квантово-оптические свойства структур с квантовыми точками теоретически рассмотреть влияние дозы имплантации, времени и температуры отжига на состав, размеры и пространственное распределение квантовых точек,

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе

1. Впервые создана теоретическая модель для численного описания процесса кластеризации германия, имплантированного в кремний.

2. Впервые определен элементный состав квантовой точки методом электронной оже-спектроскопии.

3. Установлено, что сформированные наноразмерные структуры проявляют свойства размерного квантования. Впервые на образцах с КТ, полученных методом ионной имплантации наблюдалась интенсивная фотолюминесценция в области ~ 1,5 мкм в широком диапазоне температур 5 - 300 К.

Практическая ценность работы определяется следующим:

- На основании расчетов получены оптимальные режимы ионной имплантации германия в кремний и постимплантационного отжига для получения структур с квантовыми точками с заданными параметрами (состав, размеры, распределение КТ). Полученные в экспериментах структуры по своим характеристикам соответствуют предложенной теоретической модели.

- разработана методика обработки зашумленных оже-спектров, полученных в условиях малого времени накопления сигнала г высоколокальных областях. Данная методика применима для элементного оже-анализа объектов размерами сравнимыми с диаметром первичного пучка (15-20 нм).

- SiGe структуры с квантовыми точками, полученные методом ионной имплантации, являются перспективными для изготовления источников света ИК диапазона (1,5 мкм), применяемых в оптозлектронных приборах и волоконно-оптических системах передачи и обработки информации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод ионной имплантации является альтернативой молекулярно-лучевой имплантации для создания на поверхности монокристаллического кремния упорядоченных наноразмерных структур с квантовыми свойствами.

2. Разработана математическая модель, которая численно описывает кластеризацию имплантированного в кремний германия, влияние дозы имплантации, температуры и времени отжига на размеры КТ, их состав и распределение в слое твердого раствора. Для получения КТ с заданными размерами и составом предложены режимы имплантации германия в кремний и последующего постимплантационного отжига.

3. SiGe квантовые точки образуют регулярную структуру в плоскости наблюдения и упорядочены по размерам (высота и диаметр у основания).

4. Разработана методика обработки зашумленных оже-спектров, основанная на отделении полезного сигнала от шума при помощи факторного анализа.

5. Содержание германия в квантовых точках полученных наноструктур составляет 30 % (Sio,7Geo,3). что на 10 % больше чем в окружающем твердом растворе.

6. Наноразмерные упорядоченные SiGe структуры, полученные методом имплантации ионов Ge+ в кремний, проявляют свойства размерного квантования.

Апробация работы

Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

1. 57 научная конференция студентов МИСиС, 17-18 Апреля 2002 г.,

Москва.

2. Совещание по росту кристаллов пленок и дефектам структуры кремния "КРЕМНИЙ - 2002", 9-12 июля 2002г., Новосибирск.

3. 13th International Conference on ion Beam Modification of Materials IBMM 2002 Kobe, Japan, September 16, 2002

4. X Национальная конференция по росту кристаллов, НКРК-2002, Москва, 2002 г.

5. Химия поверхности и нанотехнология, 24 - 29 сентября, 2002г., Хи-лово, Псковская обл., Россия

6. Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе («Кремний-2003»), 26 мая — 30 мая 2003 г

7. XII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Июнь 2003 г., Черноголовка.

8. «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ - 2003 », Москва, 1 - 3 октября 2003 г.

9. NATO-Russia Advanced Research Workshop. Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings, 22 - 26 October 2003, Moscow, Russia

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 44 наименований. Объем диссертации составляет 101 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыты потенциальные преимущества упорядоченных SiGe наноструктур для микро- и наноэлектроники, обоснована актуальность использования метода ионной имплантации для получения упорядоченных SiGe структур с квантовыми точками, сформулирована главная цель работы и основные задачи, определена научная новизна и практическая значимость. Приводятся основные положения, выносимые на защиту, перечислены конференции, совещания и семинары, на которых докладывались результаты работы и ее основные положения.

В первой главе содержится обзор литературных данных по основным свойствам кремния, германия и их твердых растворов, получению и направле-

ниям исследований SiGe наноструктур, проявляющих эффекты размерного квантования (квантовые структуры) Приведена классификация таких структур в зависимости от вида пространственного ограничения носителя заряда в квантовой яме: квантовые точки - трехмерное; квантовые проволоки (КП) - двумерное, квантовые ямы — ограничение в одном направлении. Рассмотрены механизмы образования слоев, содержащих квантовые проволоки и точки при эпитаксиаль-ном наращивании.

Рассмотрены различные параметры получения квантовых точек и проволок методом молекулярно-лучевой эпитаксии. скорость и температура роста, режимы отжига, влияние этих параметров на плотность квантовых точек и проволок, их геометрические формы и состав. Проанализированы возможности МЛЭ для получения структур с квантовыми точками и отмечены недостатки метода - жесткие требования к чистоте и совершенству подложек, длительность проведения процесса, высокие требования к проведению самого процесса (температурный режим, чистота и давление подаваемых газов и пр.). Показана перспективность использования ионной имплантации для получения таких структур (ниже требования, чем в случае МЛЭ, к совершенству и чистоте поверхности, возможность проведения имплантации сквозь покрытия, уменьшение времени проведения процесса).

Проведен анализ основных методов исследования размеров, концентрации КТ и их состава, таких как атомно-силовая микроскопия (АСМ), растровая и просвечивающая электронная микроскопии (РЭМ и ПЭМ)

Представлены полученные к настоящему времени основные результаты, по исследованию зонной и фононной структур образцов с квантовыми точками методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и фотолюминесценции (ФЛ).

На основании проведенного анализа литературных данных обоснованы и сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе содержится описание методик получения и исследования структур с эффектами размерного квантования, а также полученные экспериментальные результаты и их обсуждение.

Имплантацию ионов германия 74Ge* в кремниевые подложки Si (111) осуществляли на ионно-лучевом ускорителе SCI-218 фирмы BALZERS (Швейцария) с энергией Е = 40 кэВ, плотностью ионного тока j = 5 мкА/см2 и различными дозами D = 1015-10,7см-2. Для предотвращения эффектов каналирования ионную имплантацию проводили под углом 7° по отношению к нормали к подложке.

Импульсный фотонный отжиг слоя твердого раствора германия проводился в атмосфере азота в течение Зев режиме. Источником излучения служили галоген овые лампы.

Полученные структуры исследовались набором следующих методов: вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС) - для исследования профилей распределения концентрации германия по глубине образцов;

- рентгеноструктурный анализ - для оценки состава и совершенства полученных структур;

- атомно-силовая микроскопия (АСМ) - для изучения топографии поверхности, пространственного распределения и размеров;

- электронная оже-спектроскопия (ЭОС) совместно с растровой электронной микроскопией (РЭМ) - для исследования неоднородности распределения германия по поверхности, оценки размеров и элементного состава квантовых точек;

спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС) и фотолюминесцентный анализ (ФЛ) - для оценки упругих напряжений полученных структур и исследования кванторазмерных свойств.

Изучение слоя твердого раствора поверхностно чувствительными методами (АСМ, ЭОС и РЭМ.) проводили после травления поверхности в 33 % - ном растворе КОН в течение 25 секунд при 100°С, которое позволило стравить приповерхностный слой до уровня с максимальным содержанием германия.

Исследование профилей распределения имплантированного германия до и после отжига осуществляли на установке PHI 6600 SIMS фирмы "Perkm Elmer", (США). Для расчета скорости травления измеряли глубину кратера травления на лрофилометре ALPHA-STEP 200.

Результаты расчета и д/?р, а также экспериментальные данные, полученные из профилей распределения атомов германия (метод ВИМС), приведены в таблице 1.

Таблица 1

Средний пробег Кр и дисперсия

Доза, см£ 10'5 5-Ю16

Энергия, кэВ 40 40

Средний пробег Яр, нм (расчет) 27,2 27,5

Средний пробег Йр, нм (ВИМС) 32,1 29,5

Концентрация ве в максимуме, см"3 2,4-Ю20 1,2-1022

Концентрация ве в максимуме, см'3 2,6-1020 8,6-1021

Профили распределения германия по глубине для образцов с дозами имплантации Э = 1015 и Э = 5-1018 см"2 при энергии Е = 40 кэВ и токе \ = 5 мкА/см2, полученные методом вторичной ионной масс-спектроскпии, приведены на рис. 1.

Глубина, нм

Рис. 1. Профили распределения концентрации имплантированного германия по глубине. Энергия имплантации. Е = 40 кэВ. (1-0 = 5-10™см2 посте отжига, 2-0 = Ю1^см'2без отжига).

Для образца, прошедшего термообработку, пик профиля интенсивности находится на глубине ~ 30 нм, а полуширина пика составляет 57,3 нм. Состав твердого раствора Б1-Ое на глубине с максимальной концентрацией германия - Sio.aGeo.2- Площадь под кривой равняется дозе имплантации ионов германия Э= 5-1016 см"2.

В образце, не прошедшем термообработку, распределение концентрации германия имеет гауссианоподобный вид, максимум профиля распределения германия находится на той же глубине. Смещение пика к поверхности или в глубину образца в результате термообработки не носит ярко выраженного характера.

Рентгеноструктурный анализ выполнен на рентгеновском диффракто-метре фирмы "Bede Scientific Instruments Ltd.", Великобритания

По данным рентгеноструктурного анализа (рис. 2) образец состоит из трех слоев (табл. 2) - кремниевой подложки, слоя твердого раствора SiGe и оксида кремния.

л> 10'

о

т 10s

et ф 10*

д

г> 10J

о

X ш 102

S

о

X 0) 10

X S 1

' ' ' ' I ■ ■ I ' I ' ' I ' I ' ' ' ' Г ' ' ' ' I 'Ч iTln1

о 2500 £000 7500 10000 12500 15000 ш - 20. arcsec

Рис. 2: Кривые зеркального отражения (1) и Bede REFS сглаженная (2), полученная со слоистой структуры германия, имплантированного в кремний.

Таблица 2.

Параметры структуры германия, имплантированного в кремний

Материал слоя X Толщина(А) Толщина границы (A) Плотность(%)*

Si02 0,000 45,60 + 0,17 2,68 + 0,03 36,06 J. 0,37

Ge«Sii.x 0,200 496,75 ± 30,61 10,17±0,11 106,52 ±0,73

GexSij.x. 0,300 141,20 ±32,67 39,71 ±25,01 93,64 + 4,84

GexSi,.K 0,200 341,29 ±40,32 35,86 ± 7,37 84,55 ±4,76

Si 0,000 00 21,72 + 27,90 100,00

*Плотность представлена в процентах от плотности материала, взятого из базы данных REFS

Средняя плотность верхнего слоя (оксида) меньше, чем плотность S1O2 Границы раздела кремниевой подложки и GeSi слоя очень размыты, сам слой расположен симметрично относительно максимума распределения германия, что совпадает с данными ВИМС Сигнал от слоя SiGe имеет низкую интенсивность, (т к. слой очень тонок) и размыт, что может быть связано с переменным составом слоя.

Анализ рельефа поверхности и оценка размеров полученных наноструктур производили с помощью атомно-силового микроскопа "Smena-B" производства фирмы NT-MDT (Россия)

Картины во вторичных электронах получены на установке электронной оже - спектроскопии "PHI-680" фирмы "Physical Electronics" (США) Энергия пучка первичных электронов составляла Е = 10 кэВ, а ток j = 10 мА, при этом диаметр первичного пучка не превышал 20 нм

Рис. 3. Изображение областей с неоднородным распределением германия а - АСМ трехмерное изображение, б - изображение во вторичных электронах

На поверхности после травления выявлена упорядоченная по размерам структура (рис. 3), состоящая из куполообразных элементов Рельеф данной структуры обусловлен различной скоростью травления кремния и германия в твердом растворе Si-Ge различного состава - области, обогащенные германием травятся медленнее Представления о размерах элементов, образующих структуру на поверхности, можно так же получить из данных атомно-силовой микро-

скопим (рис. 4 а), которые свидетельствует, что сформированная структура состоит из включений нанометровых размеров. Области, с повышенным содержанием германия, имеют куполообразную форму, средний латеральный размер которых составляет 50 - 70 нм, высота составляет 8-12 нм.

Исследования методом растровой электронной микроскопии дали аналогичные АСМ результаты (рис. 3 б). Области, обогащенные германием, имеют латеральные размеры 50-70 нм и упорядоченно расположены по поверхности. Расстояния между кластерами в первой координационной сфере состоят из трех основных групп (рис. 4 б).

Ь 5 10 15 20 0,31 0,35 0,38 0,42 0,46 0,51 0,55 И

Высота областей, нм - Расстояние между областями, мкм

а) 6)

Рис. 4. Размерное упорядочение (а) и упорядочение в плоскости наблюдения (6) областей с повышенным содержанием германия.

Плотность областей равняется ~ 109 см"2, что соответствует плотности дислокаций несоответствия для слоя состава 5|0,8Ое0.2 и толщины - 90 нм. На поверхности образцов, не подвергавшихся химическому травлению, области обогащенные германием обнаружены не были.

Элементный состав бугорков и матрицы определяли методом электронной оже-спектроскопии с высоким пространственным разрешением.

Метод ЭОС очень чувствителен к присутствию в рабочей камере различных углеводородов и кислорода, которые адсорбируются на поверхности исследуемых образцов. Для удаления слоя адсорбированных углеводородов и оксида

использовали ионное травление ионами Аг* в растре 1x1 мм с ускоряющим напряжением 3 кэВ.

Высокое пространственное разрешение, достигаемое путем снижения тока первичного пучка электронов, находится в прямом противоречии с требованиями > количественного элементного анализа. Использование источников первичных электронов высокой яркости и высокоэффективных систем регистрации вторичных электронов не улучшают положения - оже-сигналы слишком зашумлены для проведения необходимых вычислений. Понятно также, что применение стандартных процедур предварительного сглаживания оже-спектров неэффективно, а избыточное сглаживание делает невозможным использование табличных значений коэффициентов элементной чувствительности. Тем не менее, т.к. для расчета состава получают серию оже-спектров (как правило проводится исследование распределения элементов вдоль поверхности образца или профилей по глубине), рационально использовать при анализе данных всю совокупность получаемых оже - спектров. В задаче определения элементного состава квантовых точек и окружающей их матрицы в системе Ge-Si, продолжительное удержание зондирующего пучка в точке анализа затруднено из-за заметного при используемом.увеличении дрейфа держателя образца. Следовательно, необходимо снимать данные в течение малого времени, в результате чего оже-сигналы Ge LMM и Si KLL, используемые для расчета «объемных» концентраций сильно зашумлены. Для выделения полезного сигнала из полученных зашумленных спектров использовался метод факторного анализа.

Исследования структур методом электронной оже-спектроскопией высокого пространственного разрешения показало, что исследуемые куполообразные области соответствуют областям с повышенным содержанием германия. Состав таких областей отличается на 10-15 % (ат.) от состава матрицы (рис. 5). Для образца с дозой 1-Ю17 см2 концентрация германия, в обогащенной зоне, составляет 30,6 % (ат.), а вне - 20,7 % (ат.), что соответствует твердому раствору состава для островка.

При ионном травлении образцов, не прошедших предварительного химического травления области с повышенным содержанием германия обнаружены не были. Это можно объяснить тем, что слой, содержащий области, обога-

щекные германием, чрезвычайно тонок ~ 20 нм, а сами области имеют толщину не более 10 нм и при травлении его могли пройти насквозь. Так же необходимо учитывать эффект ионного перемешивания, когда бомбардирующие ионы аргона перемешивают атомы матрицы и выравнивают неоднородности распределения германия по поверхности образца.

Рис. 5 Характерные оже-спектры кремния (справа) и германия (слева), снятые из области, обогащенной германием (1) и в матрице (2).

В работе проводили исследования фононных спектров образцов с наноструктурами. Спектры комбинационного рассеяния света получены в геометрии обратного рассеяния с использованием линии возбуждения Аг* лазера на длине волны 457,9 нм. Во избежание необратимых тепловых воздействий на образец или его деградации мощность накачки Аг* лазера составляла 30 мВт. В состав установки входил двойной монохроматор Jobin-YVon T64000 и охлаждаемый до 78 К GaAs - фотоумножитель.

Спектры КРС образцов с дозами имплантации германия D = 5-101$ и D = 1017 см"2 представлены на рис. 6.

Используя данные работ /1, 2, 3/ установлено, что исследованные растворы Si-Ge представляют собой кристаллическую модификацию. После отжига исследуемых структур в их спектрах исчезли пики, располагающиеся на частотах 270 см'1 (Ge-Ge, ТО), 370 см"' (Si-Ge, ТО) и 480 см1 (Si-Si, LO), которые соответствуют рассеянию квантов света на поперечных (ТО) и продольных (LO) оптических фононах в аморфном материале что свидетельствует об от-

сутствии аморфной фазы, которая имела место в неотожженньх образцах. В спектрах образцов не наблюдаются также пики на частотах 316 см"1 (оптический фонон в напряженном германии /4/) и 500-515 см * (оптический фонон в напряженном кремнии /5/). Это позволяет судить о том, что слой твердого раствора БЮе не напряжен, и, следовательно, появление областей, обогащенных германием, обусловлено релаксацией упругих напряжений.

Присутствие в спектрах КРС дополнительных пиков 502,7 и 250 см'1 (колебания Si-Si и Ge-Ge связей, соответственно) наряду с пиками, присущими твердым растворам Si0,eGe0i2 (518,6 см"1, 403,3 см1 (Si-Ge колебания) и 285,7 см'1 /6/), свидетельствует о наличии областей Si0,7Geo.3- В последнем случае значения указанных частот должны быть равными 517,9, 404,8 и 287,3 см1 /6/.

Смещение Ge-Ge пиков в низкочастотную область спектра для х~0,3 вызвано пространственным ограничением основных мод оптических фононов и характерно для колебаний в квантовых точках SiGe.

Возбуждение фотолюминесценции (ФЛ) в образцах с дозами имплантации D = 5-10's см'2и D = 10'7 см2 осуществляли излучением He-Ne лазера (длина волны 632,8 нм, мощность 20 мВт). Интенсивность возбуждения варьировали от 10 до 20 мВт/см2. Спектры ФЛ регистрировали с использованием InGaAs- фотодиода (рабочий диапазон длин волн - (700 - 1800) нм) и схемы синхронного детектирования. Для этого лазерное излучение модулировали прерывателем с

частотой 400 Гц Образцы помешали в оптический криостат под углом 45° к падающему световому пучку, диаметр которого составлял 0,3 мм. Регистрацию спектров ФЛ проводили в диапазоне температур Т = 11 - 300 К.

В спектрах фотолюминесценции, полученных при различных температурах (рис. 7.), на обоих образцах присутствуют два основных пика, на длинах волн Л = 1124 нм (1,1 эв, Т = 11 К - 30 К) и Л = 1530 - 1560 нм (0,794 - 0,810 эВ), соответствующих в первом случае бесфононной линии излучения кремния (в спектре также наблюдается линия фононного повторения (1,04 эВ при Т = 11 К), отстоящая от нее на - 60 мэВ, что соответствует энергии поперечного оптического фонона в кремнии) и, во втором, - излучению БхОе,.,, квантовых точек.

Длина волны, нм

Рис 7. Спектры фотолюминесценции образца с 0-5"10'6 см2, полученные при различных температурах измерения: 1) Т=11 К; 2) Т=30 К; 3)Т-45Кг 4)Т=60К; 5)Т 75 К; 6) Т=100 К; 7) Т-150 К; 8) Т=500 К

Свидетельством того, что пик ФЛ в области ~ 1540 нм обусловлен излучением упорядоченных квантовых точек а0,7Се0,з служит тот факт, что для твердого раствора Б^Се* с х = 0,2 - 0,3 он должен был бы располагаться на длинах волн Л =1252-1310 нм Кроме того, интенсивность излучения в области 0,8 эВ значительно выше, чем в области 1,1 эВ и регистрируется даже при температурах выше комнатной, а полуширина пика ФЛ (0,8 эВ) составляет ~ 61 мэВ.

Релаксация упругих напряжений в слое БЮе в процессе его отжига привела, по всей вероятности, к упорядочению областей с повышенной концентрацией атомов германия, квантовых точек, что и обусловило подобную интенсивность сигнала ФЛ. Еще одной причиной появления излучения с энергией ~ 800

мэВ может быть излучение дислокаций кремния. В этом случае в спектре ФЛ должна имоть место пара характерных линий: 810 мэВ и 870 мэВ, ширина которых составляет - 10 мэВ, а их интенсивность уменьшается в несколько раз при повышении температуры образца от 11К до 77К /4/ Анализ температурных зависимостей сигнала ФЛ, приведенных на рис. 7, показывает, что в нашем случае вклад от излучения дислокаций Si незначителен. Смещение пика ФЛ зону больших длин волн при повышении температуры свидетельствует об уменьшении оптического перехода (рис 8), что не свойственно для излучения от дислокаций,

зоо 'N»

250- N.

ьг

я 200- N.

а N.

га ISO- wN

а \

» \

§100- X

<u X

Н S0 \

0-1-1-■-1-.-1-.-1-i-г—-1

0,790 0,795 0.В00 0,805 0,810 0,815 Ширина запрещенной зоны, зВ но присуще полупроводниковым материалам.

Рис. 8. Зависимость ширины запрещенной зоны КТ от температуры по данным фотолюминесцентного анализа.

В рамках модели, основанной на приближении эффективной массы [7], можно оценить средний диаметр квантовых точек. На рис. 9 представлены рассчитанные зависимости значений энергии межзонных переходов в КТ SiGe от их высоты для Т = 11 К и 77,3 К. Горизонтальными линиями отмечены энергии переходов, определенные по спектрам ФЛ для указанных температур.

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных позволило оценить средний размер КТ, который оказался равным ~ 7,3 нм, что с хорошей степенью точности совпадает с результатами АСМ.

1.0

m 0,9

щ 0,8 X

о

0,7

\ % \ * \ % \ « 1 х» 1 %

■ 7 V

10

6 7 8 »

Размер точки, нм

Рис. 9. Рассчитанные значения энергии межзонных переходов в SiGe квантовых точках в зависимости от размера КТ. Горизонтальные кривые указывают на энергию переходов, определенную по спектрам ФЛ. 1 - Т - 11К, 2 - Т - 77 ЗК

Третья глава посвящена описанию кинетики роста SiGe квантовых точек, полученных методом ионной имплантации с последующим отжигом, расчету их концентрации и размеров. В ней содержится описание модели кластеризации германия, имплантированного в кремний, и приведены результаты расчетов для наноструктур, получению и исследованию которых посвящена данная работа. Проведено численное моделирование кластеризации имплантированного германия в слое твердого раствора Si-Ge, исследована зависимость концентрации кластеров германия, их характерных размеров от дозы имплантации Предложены режимы получения структур с КГ.

Объяснением возникновения упорядоченных по размерам и пространственно областей с повышенным содержанием германия может служить следующее соображение. Несоответствие периодов кристаллических решеток кремния и германия, составляющее - 4%, является причиной возникновения в данной структуре достаточно больших механических напряжений. Релаксация напряжений при определенных условиях (толщина слоя твердого слоя Si-Ge, состава, условия получения и др.) происходит за счет генерации дислокаций. Поля упругих напряжений, возникающие вокруг дислокаций несоответствия, и их взаимодействие приводит к перераспределению и пространственному упорядочению дислокаций. Пространственно упорядоченные дислокации являются центрами гетерирования германия и, соответственно, периодического распределения об-

ластей с повышенным содержанием германия — квантовых точек. По данным 181 концентрация дислокаций в полностью релаксированной эпитаксиальной пленке состава Бю,7Ое03 и толщиной 100 А равна 1010 -1011 см 2. Концентрация КТ в полученной нами структуре составляет -1010см2, что подтверждает предположение о том, что дислокации являются центрами захвата германия. Дислокации несоответствия будем считать центрами кластеризации германия.

В основе модели кластеризации германия на дислокациях несоответствия лежит реакция роста - распада БЮе кластера в твердом растворе Б1 - Ое.

т

1

где Щ и gr(/) - кинетические коэффициенты скоростей захвата и выброса мономера (частицы Ge) для центра зарождения, присоединившего / частиц: ад = 4ttDR(i) = 4ttD b(i+m)°, g(i) = kfi-VN^i-V/C^i) - k(i)Ne 2

где D - коэффициент диффузии мономера, R(i) - радиус скопления из / частиц, Ь- величина порядка расстояния между частицами в скоплении, величина т определяется из условия, что размер центров зарождения равен Значение параметра а примем равным 1/3 для кластера дискообразной формы и соотношения d/L = const (d - толощина, L - диаметр)

Для случая, когда атомы, образующие кластер, распределены однородно по объему кристалла, а рост кластеров лимитирован диффузией германия, можно записать:

dN(t) dt

■ -4яО R(t) NcN(t)

3

где /Цг) - концентрация примесных атомов в момент времени I Ыс- концентрация центров зарождения кластеров; - характерный размер кластера.

Среднее число атомов германия в кластере-Щ0) - N(0

Nc

4

Рассмотрим пластинчатый кластер, состоящий из атомов кремния и германия с квадратным основанием со стороной ^ и толщиной б. Его объем будет составлять:

4= 1*6 5

В то же время объем V можно записать как

где ур = 2,25-Ю'23 см3 - объем, приходящийся на один атом германия в кластере состава Б^тбео.з-

Считая, что в процессе роста кластера сохраняется соотношение толщины к радиусу:

Г=1^И = СОП51а0.1 7

Используя уравнения (5 - 7), найдем зависимость параметров _ и с1 от времени в процессе роста кластера:

8

Будем считать, что в уравнении (2) R{() = Щ, тогда (3) запишем в виде:

10

или из (4 и 10):

11

В случае неоднородного по глубине распределения атомов, образующих кластер (как в случае ИИ), появляется зависимость от координаты. Тогда уравнения (10, 11) для кластеризации примут вид:

9

Решая систему уравнений (12), можно найти зависимость размера дискообразных кластеров от времени в точке х:

Их,

13

Предположив, что кластеризация германия идет на дислокациях несоответствия, концентрация центров зарождения будет равняться концентрации таких дислокаций и, в конечном счете, пропорциональна концентрации имплантированных атомов на глубине:

Л/С(Х)=АЛ/(Х10) 14

где А = 10"8- Ю"10 - подгоночный параметр модели.

Начальные условия для дальнейших расчетов - распределение концентрации имплантированного в кремний германия рассчитаны по теории ЛШШ:

у

С(х) =

-ехр

2\ ЛК

15

где Рр - проекция траектории среднего полного пробега на направление первоначальной скорости иона, и его среднеквадратичное отклонение ДЯР. Величина Яр пропорциональна энергии налетающего иона Е, а

ЛЯ,

2 УМ,А/,

16

ЗМ,+Мг'

где М1 и М2-массы имплантируемого иона (ве) и атома матрицы (Б1).

Максимум концентрации примеси в отличие от случая введения ее методом диффузии залегает не на поверхности, а на глубине х=Кр:

Стях = 0,40/ЛЯ0 17

На рис.10 показаны расчетный и экспериментальный профили распределения концентрации Ge в подложке Si. Сдвиг величины Rp экспериментального профиля распределения концентрации германия относительно расчетного на - 5 нм в сторону от поверхности связано с образованием окисного слоя на поверхности образцов, который при расчете не учитывался.

По формулам 12-14 рассчитана концентрация и характерные размеры кластеров - высота и диаметр для различных доз имплантации. На рис. 11. а) показано распределение размеров кластеров по глубине образцов для дозы имплантации D = 5-1016 см-3.

Зависимости максимального размера кластеров (рис. 11. б) и их концентрации в слое от дозы имплантации необходимы для определения величины дозы имплантации по получению SiGe наноструктур с эффектами размерного квантования.

Теоретическое исследование влияния дозы имплантации на размеры и максимальную концентрацию кластеров состава показало, что класте-

ры, в которых возможно проявление эффектов > размерного квантования (5-15нм) возможны в области доз имплантации 2-Ю16 - 2-Ю17 см-2. При дозе имплантации выше 3-1017 см-2 кластеры начинают сливаться, а при дозах выше 4,5-1017 см-2 образуется сплошной слой.

сГ • О

| 300

| 100,

(О 5

о

120 160 200

Ю" ю"--10" —

Доза имплантации, см

'10"

О 40 80 120

Глубина, нм

а)

б)

Рис. 11. Расчетные зависимости высот кластеров по глубине (а) и максимального диаметра кластеров от дозы имплантации (б)

Рассчитанные таким образом условия (доза имплантации, температура и время отжига) могут быть применены в экспериментах по получению методом -ионной имплантации SiGe квантовых точек с заданными параметрами (состав, характерные размеры, распределение по поверхности и в слое).

В заключении сформулированы основные результаты, наиболее существенные и принципиальные выводы, полученные в диссертационной работе:

1) Предложена кинетическая модель кластеризации на радиационных дефектах германия, имплантированного в кремний Данная модель адекватно описывает полученные экспериментальные результаты и впервые экспериментально наблюдавшееся явление пространственного и размерного упорядочения твердого раствора Б^Се).* в приповерхностном слое кремния. Данная модель использована для расчета параметров получения самоупорядоченных наноструктур методом ИИ (доза имплантации, время и температура отжига.)

2) Впервые показано пространственное (в плоскости наблюдения) и размерное упорядочение КТ, образованных ионной имплантацией с последующим отжигом, методами АСМ и РЭМ. Размеры полученных квантовых точек - 5 - 7 нм и расстояния в первой координационной сфере 0,31, 0,34 и 0,48 мкм.

3) Впервые исследован состав квантовой точки методом ЭОС при помощи специально разработанного метода обработки зашумленного оже-спектра. Данный метод применим для элементного анализа объектов наноэлектроники. В результате исследований установлено, что состав КТ - S¡o,7Geo,3, что на 10% больше, чем в окружающей матрице.

4) Методами КРС и ФЛ доказаны квантовые свойства структур, полученных методом ИИ. Смещение Ge-Ge пиков в спектрах КРС в низкочастотную область для твердого раствора состава Sio.7Geo,3 вызвано пространственным ограничением основных мод оптических фононов и характерно для колебаний в квантовых точках SiGe. Так же продемонстрирована фотолюминесценция КТ в области 1,45 -1,5 мкм при в широком диапазоне температур, вплоть до комнатной.

5) Движущей силой появления и роста кремний - германиевых квантовых точек на радиационных дефектах является снятие упругих напряжений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1" Пархоменко Ю.Н., Герасименко Н.Н., Троицкий В.Ю., Иржак А.В., Белогоро-хов А.И. Исследование упорядоченных квантовых структур, полученных методом ионной имплантации // Тезисы докладов XII Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Черноголовка, 2003 г.

2 Пархоменко Ю.Н., Герасименко Н.Н., Иржак А.В., Лисаченко МА Исследование оптических свойств квантовых точек на основе твердого раствора SiGe, полученных > методом ионно-лучевого синтеза // Тезисы третьей • Российской -конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе («Кремний-2003»), Москва, 2003 г.

3 Герасименко Н. Н., Пархоменко Ю. К, Троицкий В.Ю., Иржак А. В., Белого-рохов А. С. Получение упорядоченных квантовых структур методом ионной имплантации // Материалы совещания по росту кристаллов пленок и дефектам структуры кремния "КРЕМНИЙ -2002", Новосибирск, 2002г.

4 Герасименко Н. Н., Пархоменко Ю. Н., Троицкий В.Ю., ИржакА. В., Белого-рохов А. С. Получение упорядоченных квантовых структур методом ионной имплантации // Материалы конференции химия поверхности и нанотехнология, СПб, 2003г.

5 N. N. Gerasimenko, Yu. N. Parhomenko, V. Yu. Troitskiy, A. V. Irzhak, M. N. Pav-luchenko, K. K. Djamanbalin and A. S. Belogorohov, Quanturn-dimentional structures produced with ion implantation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Vol. 206

6 N. N. Gerasimenko, Yu.v N. Parhomenko, V. Yu. Troitckii, A. V. Irzhak, A. S. Belogorohov, Quantum-dimentional structures produced with ion implantation // Proceeding of 13th International Conference on Ion Beam Modification of Materials IBMM 2002 Kobe, Japan, September 1 6,2002

7 Ю. Н. Пархоменко, Н. Н. Герасименко, А. В. Иржак. Упорядоченные нано-размерные структуры на основе твердого раствора Si—Ge, полученные методом ионно-лучевого синтеза // Материалы ЭТ. Известия вузов» № 1 2003 г.

8 Ю. Н. Пархоменко, Н. Н. Герасименко, А. В. Иржак. В.Ю.Троицкий, А. С. Бе-логорохов. Свойства наноразмерных упорядоченных SiGe структуру полученных методом ионно-лучевого синтеза // Материалы конференции «Молодые ученые. - науке, технологиям и профессиональному образованию»

9 Yu. N. Parhomenko, N. N. Gerasimenko, A. V. Irzhak. SiGe Quantum dots obtained by an ion implantation // Proceedings of NATO-Russia Advanced Research Workshop Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings 22 - 26 October 2003, Moscow, Russia

10 Ю. Н. Пархоменко, А. С. Белогорохов, Н. Н. Герасименко, А. В. Иржак, М.Г. Лисаченко,. Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации // ФТП 2004, т.38, в.5, 593-598.

Список цитируемой литературы

1. Kurmar S., Trodahi HJ. Raman spectroscopy studies of progressively annealed amorphous Si/Ge superlattices, J. Appl. Phys.-1991. -V.70.-N.6.

2. Alonso M.I., Wener K. Raman spectra of c-SiVxGex alloys.- The American Physical Society.- 1989.-V.39.-N. 14.

3. Milekhin A., Stepina N.P., Yakimov Al. e.all. Raman scattering of Ge dot super-lattices, The European Physical Journal B.-2000.-N.16.-p.355-359.

4 T.M. Бурбаев, Т.Н. Заварицкая, В.А. Курбатов, Н.Н. Мельник, ВА Цветков, К.С. Журавлев, В.А Марков, А.И. Никифоров. Оптические свойства монослоев германия на кремнии, Ф777 35(8), 979 (2001).

5 К. Sawano, Y. Hirose, S. Коп, К. Nakagawa, Т. Hattori, Y. Shiraki. Relaxation enhancement of sige thin layers by ion implantation into si substrates, J. Crystal Growth, v. 251,1-4 2003.

6 J.C. Tsang, P.M. Mooney, F. Dacol, J.O. Chu, J. Appl. Phys. 75(12), 8098 (1994).

7 L.E. Brus. Electron-electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state, J. Chem. Phys. 80,4403 (1984).

8. Новые материалы. Колл.авторов. под ред. Ю.С. Кзрзбасова. //М: МИСиС, 2002

Издательская лицензия ЛР № 065802 от 09.04.98. Подписано в печать 13.02.2004. Усл. печ. л. 1,625 Тираж 100 экз. Заказ 13

Отпечатано в типографии ООО «Мультипринт» 121357, г. Москва, ул. Верейская, д. 29 тел.: 230-44-17

Р - 38 52

Введение 1. Аналитический обзор литературы

1.1. Основные параметры твердого раствора Si — Ge

1.2. Классификация квантоворазмерных структур

1.3. Применение квантоворазмерных структур в микрои оптоэлектронике

1.4. Основные методы получения упорядоченных наноразмерных структур

1.5. Механизмы формирование слоя с квантовыми точками

1.6. Рост и особенности упорядочения нанокластеров Ge

1.7. Размеры и плотность островков 25 т 1.7.1. Максимальный размер квантовой точки

1.7.2. Структурное совершенство, плотность и однородность наноостровков

1.8. Изменение параметров островков в процессе отжига

1.9. Оптические свойства структур с Si-Ge квантовыми точками

1.10. Электрические свойства тонких слоев германия на кремнии

1.11. Ионная имплантация - новый способ получения упорядоченных квантоворазмерных гетероструктур GexSiix

Краткие выводы и постановка задачи

2. Экспериментальная часть

2.1. Получение самоупорядоченных Si-Ge наноструктур 40 <* 2.1.1. Ионная имплантация германия в кремний

2.1.2. Постимплантационный отжиг полученных структур

2.2. Исследование полученных структур 42 2.2.1. Распределение имплантированного германия по глубине кремния

2.2.2. Кристаллическое совершенство слоя и подложки (рентгеноструктурный анализ)

2.2.3. Пространственное распределение кластеров Si-Ge в слое твердого раствора (атомно-силовая и растровая электронная микроскопии)

2.2.4. Элементный состав кремний — германиевых наноструктур 56 2.2.4.1. Факторный анализ для обработки оже-сигналов для наноэлектроники

2.2.5. Квантово - оптические свойства структур с квантовыми точками

Выводы к главе

3. Кинетика кластеризации атомов германия в приповерхпостном слое кремния

3.1. Кинетические коэффициенты образования кластера

3.2. Преципитация дефектов, ограниченная диффузией

3.3. Модель кластеризации атомов, однородно распределенных по объему кристалла

3.4. Модель кластеризации атомов, неоднородно распределенных по объему кристалла

3.5. Расчет начальных условий кластеризации

3.6. Результаты моделирования кластеризации атомов, неоднородно распределенных по объему кристалла

Выводы к главе

Актуальность темы. Кремний обладает уникальным сочетанием свойств, делающим его незаменимым материалом микроэлектроники. Легированные моно- и поликристаллы кремния, аморфный кремний, различные соединения на его основе - оксиды, нитриды, силициды - позволяют получать диэлектрические, полупроводниковые и проводящие материалы не только на поверхности, но и в объеме кристаллов кремния. В последние годы в микроэлектронике значительно возрос интерес к наноразмерным кремниевым структурам, проявляющим эффекты размерного квантования. Такие структуры интересны для производства светопоглощающих и излучающих приборов, что компенсирует невозможность получения качественных излучающих приборов вследствие отсутствия прямого оптического перехода в кремнии.

Уникальные свойства структур с эффектами размерного квантования были предсказаны еще в восьмидесятых годах прошлого века. Попытки получить такие системы предпринимались при помощи локального травления, роста на профилированных подложках, конденсации в стеклянных матрицах и др. Однако эти методы не соответствовали одновременно основным требованиям к структурам с эффектами размерного квантования и условиям получения и работы современных полупроводниковых приборов. Наилучшие результаты изготовления квантовых структур (KG) на основе кремния были достигнуты при молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) тонкого слоя германия. Этот метод не лишен некоторых существенных недостатков, а именно:

- жесткие требования к качеству подложек (совершенство поверхности, отсутствие паразитных или адсорбированных примесей);

- длительность проведения процесса;

- высокие требования к проведению самого процесса (температурный режим, чистота и давление подаваемых газов).

Метод ионной имплантации (ИИ) с последующим высокотемпературным отжигом является одним из перспективных методов получения гете-роструктур вообще и наноструктур с SiGe квантовыми точками (КТ) в частности. Многочисленные преимущества метода ИИ по сравнению с традиционными методами осаждения (возможность проведения имплантации сквозь покрытия, меньше время проведения процесса) открывают ему широкие перспективы для решения широкого круга задач. Основной недостаток имплантации - дефектный или даже аморфизованный приповерхностный слой — устраняется различными постимплантационными отжигами.

В настоящее время нет единого мнения о механизме образовании квантовых точек методом ионной имплантации (влияние упругих напряжений, режимов отжига, дефектообразования и т.д.), не изучены также и их электрооптические свойства. Исследование процессов образования нанораз-мерных упорядоченных структур на основе твердого раствора Si - Ge, полученных внедрением германия в кремний, роль радиационных дефектов и условия образования когерентных кристаллических слоев, закономерностей процессов фазообразования необходимо для более глубокого понимания и практического использования для дальнейшего развития этой области микро-и наноэлектроники.

Целью работы являлось определение оптических свойств, состава, размеров и пространственного распределения SiGe квантовых точек в созданных ранее структурах на поверхности кремния методом ионной имплантации. Так же необходимо было определить условия имплантации и последующего термического отжига для получения SiGe наноструктур с заданными параметрами. Для этого было необходимо:

- изучить кристалличность и дефектность слоя, содержащего квантовые точки;

- определить геометрические размеры полученных квантовых точек, пространственное распределение в слое и их состав;

- изучить квантово-оптические свойства структур с квантовыми точками.

- создать математическую модель для описания процессов кластеризации имплантированного в кремний германия и теоретически рассмотреть влияние дозы имплантации, времени и температуры отжига на состав, размеры и пространственное распределение квантовых точек.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые определен элементный состав квантовой точки методом электронной оже-спектроскопии.

2. Установлено, что сформированные наноразмерные структуры проявляют свойства размерного квантования. Впервые на образцах с КТ, полученных методом ионной имплантации наблюдалась интенсивная фотолюминесценция в области ~ 1,5 мкм в широком диапазоне температур 5 - 300 К.

3. Впервые создана теоретическая модель для численного описания процесса кластеризации германия, имплантированного в кремний.

Практическая ценность работы определяется следующим:

- Разработана методика обработки зашумленных оже-спектров, полученных в условиях малого времени накопления сигнала в высоколокальных областях. Данная методика применима для элементного оже-анализа объектов размерами сравнимыми с диаметром первичного пучка (15 -20 нм).

- SiGe структуры с квантовыми точками, полученные методом ионной имплантации, являются перспективными для изготовления источников света ИК диапазона (1,5 мкм), применяемых в оптоэлектронных приборах и волоконно-оптических системах передачи и обработки информации.

- На основании расчетов получены оптимальные режимы ионной имплантации германия в кремний и постимплантационного отжига для получения структур с квантовыми точками с заданными параметрами (состав, размеры, распределение КТ). Полученные в экспериментах структуры по своим характеристикам соответствуют предложенной теоретической модели.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод ионной имплантации является альтернативой молекуляр-но-лучевой имплантации для создания на поверхности монокристаллического кремния упорядоченных наноразмерных структур с квантовыми свойствами.

2. SiGe квантовые точки образуют регулярную структуру в плоскости наблюдения и упорядочены по размерам (высота и диаметр у основания).

3. Разработана методика обработки зашумленных оже-спектров, основанная на отделении полезного сигнала от шума при помощи факторного анализа.

4. Содержание германия в квантовых точках полученных наноструктур составляет 30 % (Sio,7Geo,3), что на 10% больше чем в окружающем твердом растворе.

5. Наноразмерные упорядоченные SiGe структуры, полученные методом имплантации ионов Ge+ в кремний, проявляют свойства размерного квантования.

6. Разработана математическая модель, которая численно описывает кластеризацию имплантированного в кремний германия, влияние дозы имплантации, температуры и времени отжига на размеры КТ, их состав и распределение в слое твердого раствора. Для получения КТ с заданными размерами и составом предложены режимы имплантации германия в кремний и последующего постимплантационного отжига.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

1. 57 научная конференция студентов МИСиС, 17 -18 Апреля 2002 г., Москва.

2. Совещание по росту кристаллов пленок и дефектам структуры кремния "КРЕМНИЙ - 2002", 9-12 июля 2002г., Новосибирск.

3. 13th International Conference on Ion Beam Modification of Materials IBMM 2002 Kobe, Japan, September 16,2002

4. X Национальная конференция по росту кристаллов, HKPK-2002, Москва, 2002 г.

5. Химия поверхности и нанотехнология, 24 - 29 сентября, 2002г., Хилово, Псковская обл., Россия

6. Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе («Кремний-2003»), 26 — 30 мая 2003 г.

7. XII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Июнь 2003 г., Черноголовка.

8. «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ - 2003 », Москва, I - 3 октября 2003 г.

9. NATO-Russia Advanced Research Workshop. Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings, 22 - 26 October 2003, Moscow, Russia.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 44 наименований. Объем дис

Выводы к главе 3

Предложена теоретическая модель кластеризации точечных дефектов, которая применена к описанию кластеризации германия в кремнии в процессе ионно-лучевого синтеза.

Теоретически исследована зависимость концентрации кластеров германия и их характерных размеров от дозы имплантации и времени отжига.

Определена область доз имплантации, в которой возможно образование наноструктур с квантоворазмерными свойствами

В результате проведенного численного моделирования кластеризации имплантированного германия в слое твердого раствора Si-Ge определены оптимальные параметры имплантации и постимплантационного отжига для получения наноструктур заданного размера и состава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные в представленной диссертационной it работе, направлены на решение актуальных проблем современной науки и технологии. Целью этих исследований являлось определение геометрических параметров, элементного состава и оптических свойств полученных ранее самоупорядоченных SiGe наноструктур с квантоворазмерными свойствами методом ионной имплантации, а также построение модели кластеризации имплантированного в кремний германия.

Наиболее существенные и принципиальные выводы из проделанных экспериментальных и теоретических исследований могут быть сформулированы следующим образом:

1) Впервые показано пространственное (в плоскости наблюдения) и размерное упорядочение КТ, образованных ионной имплантацией с последующим отжигом, методами АСМ и РЭМ. Размеры полученных квантовых точек ~ 5 - 7 нм и расстояния в первой координационной сфере 0,31,0,34 и 0,48 мкм.

2) Впервые исследован состав квантовой точки методом ЭОС при помощи специально разработанного метода обработки зашумленного оже-спектра. Данный метод применим для элементного анализа объектов наноэлектроники. В результате исследований установлено, что состав КТ — Sio,7Ge0,3, что на 10% больше, чем в окружающей матрице.

3) Методами КРС и ФЛ доказаны квантовые свойства структур, полученных методом ИИ. Смещение Ge-Ge пиков в спектрах КРС в ч» низкочастотную область для твердого раствора состава Si0,7Ge0,3 вызвано пространственным ограничением основных мод оптических фононов и характерно для колебаний в квантовых точках SiGe. Так же продемонстрирована фотолюминесценция КТ в области 1,45 - 1,5 мкм при в широком диапазоне температур, вплоть до комнатной.

4) Движущей силой появления и роста кремний - германиевых квантовых точек на радиационных дефектах является снятие упругих напряжений.

5) Предложена кинетическая модель кластеризации на радиационных дефектах германия, имплантированного в кремний. Данная модель адекватно описывает полученные экспериментальные результаты и впервые экспериментально наблюдавшееся явление пространственного и размерного упорядочения твердого раствора SixGei.x в приповерхностном слое кремния. Данная модель использована для расчета параметров получения самоупорядоченных наноструктур методом ИИ (доза имплантации, время и температура отжига.)

В заключении автор считает своим долгом выразить признательность всем, без кого выполнение данной работы было бы невозможно. Прежде всего, хотелось бы поблагодарить членов моей семьи за постоянную поддержку и понимание. Автор также считает необходимым выразить признательность своим научным руководителям - д.ф.-м.н. Пархоменко Юрию Николаевичу и д.ф.-м.н. Герасименко Николаю Николаевичу за руководство, помощь в проведении исследований и последующее обсуждение результатов. Настоящая работа была бы невозможна без деятельного участия д.ф.-м.н. Белогорохова Александра Ивановича, за что ему отдельное спасибо.

1. Tashiro Т., Tatsumi Т., Sugiyama М. е.а. // A selective epitaxial SiGe/Si planar photodetector for Si-based OEIC's. / IEEE Transaction on Electron Devices.-1997.- v.44.- №4.-p. 545 -549.

2. Горелик C.C., Дашевский М.Я. // Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия, 1988.

3. Schaffler F. // High-mobility Si and Ge structures. // Semicond. Sci. Technol.-1997.- v.12.- p. 1515-1549.

4. Мильвидский М.Г., Чалдышев B.B. // Наноразмерные атомные кластеры в полупроводниках новый подход к формированию свойств материалов. // ФТП.- 1998.- т.32.- №5.- с.513-522.

5. Алферов Ж.И. // История и будущее полупроводниковых гетерострук-тур. // ФТП.- 1998.-т.32.-№1.

6. Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., БимбергД. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры. // ФТП, 1998, том 32, № 4, стр. 385-410.

7. Двуреченский А.В., Якимов А.И. // Квантовые точки в системе Ge/Si. // Изв. ВУЗов. Материалы электронной техники, 1999, № 4, стр. 4-10.

8. Копьев П.С., Леденцов Н.Н. // Молекулярно-пучковая эпитаксия гетеро-структур на основе соединения А3В5. // ФТП. 1988. -т.22.- с. 1729-1742.

9. Ross F.M., Tersoff J., Tromp R.M. // Coarsening of Self-Assembled Ge Quantum Dots on Si(001) // Phys. Rev. Lett.- 1998.- v.80.- p.984.

10. Vinh Le Thanh, Yam V., Boucand P. // Vertically self-organized Ge/Si(001) quantum dots in multiplayer structures. // Physical Review В.- 1999.- v.60.- №8.-p.5851-5857.

11. Красильник З.Ф. // Новые оптоэлектронные свойства полупроводниковых наноструктур. // Изв. РАН. Сер.физ.- 2000.- т.64.- №2.- с. 194-197.

12. Teicher С., Lagally M.G. // Stress-induced self-organization of nanoscale structures in SiGe/Si multilayer films // Phys. Rev.B- 1996.- v.53.- p. 24-28.

13. Liu F., Lagally M.G. // Self-organized nanoscale structures in Si/Ge films // Surf. Sci.- 1997.-№386.- p.169-173.

14. Abstreiter G., Schittenhelm P. et all // Growth and characterization of self-assembled Ge-rich islands on Si-// Semicond. Sci. Technol.- 1996. №11. -p.1521-1533.

15. Закурдаев И.В., Байзер M.B. и др. // Исследование процесса распада упруго-напряженной пленки германия на поверхности кремния. // ФТП.-2000.-т.34.-№ 5.-е. 607-611.

16. Садофьев Ю.Г., Бурбаев Т.М., Курбатов В.А. и др. // Исследование нульмерных Si-Ge-структур. // Изв. РАН: сер. физич.- 2000.- т.64.- №2.- с.275-280.

17. Востоков Н.В., Гусев С.А., Долгов И.В. и др. // Упругие напряжения и состав самоорганизующихся наноостровков SiGe на Si(001). // ФТП.-2000.-т.34.- № 1.- с.8-12.

18. Vostokov N.V., Dolgov I.V., Drozdov Yu.N. et all // Transition from "dome" to "pyramid" shape of self-assembled SiGe islands. // Journal of Crystal Growth.-2000.- v.209.- p.302-305.

19. Бурбаев T.M., Заварицкая Т.Н., Курбатов В.А. и др. // Оптические свойства монослоев германия на кремнии. // ФТП.-2001.- т.35.- №.8.-с. 979-984.

20. Kamins T.I., Nauka К., Williams R.S. // Effect of self-assembled Ge nanos-tructures on Si surface electronic properties. // Applied Physics A.- 2001.

21. Герасименко Н.Н., Троицкий В.Ю., Павлюченко М.Н., Валяев А.А., Джаманбалин К.К. // Формирование наноразмерных структур в кремнии путем внедрения ионов германия // Перспективные материалы, 2002, № 5, стр. 26-30.

22. Максимов К. С., Герасименко Н. Н., Вернер И. В., Павлюченко М.Н. // Эффекты упорядочения при формировании наноструктур на основе SiGe/Si. // Известия вузов. Электроника., № 2, - 2001, стр. 3-16.

23. White С.W., MeldrumA., Budai J.D. et al. // Formation of CdS and CdSe nanocrystals by sequential implantation // Nucl. Instrum. and Meth. In Phus. Res. В.- 1999.- p. 991-996.

24. White C.W., Budai J.D., Withrow S.P. et al. // Encapsulated nanocrystals and quantum dots formed by ion beam synthesis // Nucl. Instrum. and Meth. In Phys.-1997.- v. 127/128.- p.545-552.

25. Brognersma S.H. // Self-organised wire growth using ion-implanted reservoirs // Nucl. Instrum. and Meth. In Phys.- 1999.-v.148.- №1-4.- p.93-97.

26. Риссел X., Руге И. // Ионная имплантация. M.: Наука, 1983.

27. Zigler J.F., Biersack J.P. and Littmark O. // The stopping and Range of Ion in Solid// Pergamon Press.- Oxford.- 1985.-V.1.

28. Файнштейн C.M. // Роль состояния поверхности в производстве полупроводниковых приборов // М. JI., Госэнергоиздат, 1961, 25-40.

29. Ред. Бриггс Д., Сих М.П. // Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии // М.: Мир, 1987.

30. Пархоменко Ю.Н. // Спектроскопические методы исследования: Лабораторный практикум. // М.: Изд. дом «Руда и металлы», 1999.

31. Вудраф Д., Делчар Т. // Современные методы исследования поверхности. // М.: Мир, 1989.

32. Кардона М. // Рассеяние света в твердых телах. // М.:Мир, 1979.

33. Бирман Дж. // Пространственная симметрия и оптические свойства твердых тел. // М.: Мир, 1978.

34. Kurmar S., Trodahi H.J. // Raman spectroscopy studies of progressively annealed amorphous Si/Ge superlattices // J. Appl. Phys.- 1991. -V.70.-N.6.

35. Alonso M.I., Wener K. // Raman spectra of c-Sii.xGex alloys. // The American Physical Society.- 1989.-V.39.-N. 14.

36. Milekhin A., Stepina N.P., Yakimov A.I. e.a. // Raman scattering of Ge dot superlattices // The European Physical Journal B.-2000.-N.16.-p.355-359.

37. Бурбаев T.M., Заварицкая Т.Н., Курбатов В.А., Мельник Н.Н., Цветков В.А., Журавлев К.С., Марков В.А., Никифоров А.И., // Оптические свойства монослоев германия на кремнии // Ф77735(8), 979 (2001).

38. Sawano К., Hirose Y., Koh S., Nakagawa К., Hattori Т., Shiraki Y., // Relaxation enhancement of sige thin layers by ion implantation into si substrates // J. Crystal Growth, 2003, V. 251 N 1-4.

39. Tsang J.C., Mooney P.M., Dacol F., Chu J.O., // Measurements of alloy com* position and strain in thin Ge^Si,.v layers // J. Appl. Phys. 75(12), 8098 (1994).

40. Н.Н.Герасименко, В.Ю.Троицкий, А.А.Валяев, М.Н.Павлюченко, К.К.Джаманбалин. // Формирование наноразмерных структур в кремнии путем внедрения ионов германия // Перспективные материалы, 2002, N 5, 26

41. Brus L.E., // Electron-electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state // J. Chem. Phys. 80, 4403 (1984).

42. Новые материалы. Коллектив авторов под ред. Ю.С. Карабасова. // М: МИСиС, 2002

43. Brodie I., Muray J.J. //The physics of microfabrication, Plenum Press, New York and London 1982

44. СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ1. РАБОТЫ

45. Герасименко Н. Н., Пархоменко Ю. Н., Троицкий В.Ю., Иржак А. В., Белогорохов А. С. Получение упорядоченных квантовых структур методом ионной имплантации // Материалы конференции химия поверхности и нано-технология, С.-Пб, 2003г.

46. Ю. H. Пархоменко, H. H. Герасименко, А. В. Иржак. Упорядоченные на-норазмерные структуры на основе твердого раствора Si—Ge, полученные методом ионно-лучевого синтеза // Материалы ЭТ. Известия вузов» 2003, № 1.

47. Ю. H. Пархоменко, А. С. Белогорохов, И. H. Герасименко, А. В. Иржак, М.Г. Лисаченко,. Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации // ФТП 2004, т.38, в.5, 593-598.