Високороздільна Х-променева дифрактометрія структурних порушень у приповерхневих шарах Si та кристалічних з'єднань CdHgTe, YLaFeO після іонної імплантації

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНIВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

iмені Юрія Федьковича

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фiзико-математичних наук

Спеціальність 01.04.07 - фізика твердого тіла

Високороздільна Х-променева дифрактометрія структурних порушень у приповерхневих шарах Si та кристалічних з'єднань CdHgTe, YLaFeO після іонної імплантації

КАЗЕМіРСЬКИЙ ТАРАС

Чернiвцi - 2009

Загальна характеристика роботи

Для отримання якісних напівпровідникових приладів необхідно використовувати гетероструктури, в яких область залягання р-n переходу сформована в більш вузькозонному матеріалі з контрольованою концентрацією як донорної, так і акцепторної домішки. Існуючі на сьогодні технології не дозволяють поки що отримати епітаксійні структури високої структурної досконалості, оскільки на процес їх вирощування впливає багато чинників. Наприклад, від ступеня структурної досконалості підкладки і якості підготовки її поверхні значно залежить кінетика адсорбції та виникнення зародків кристалічного росту, взаємодифузія основних компонент і дифузія легуючої домішки. Водночас використання іонної імплантації, як методу введення домішки, приводить до значної трансформації вже наявної дефектної структури.

Вузькощілинні напівпровідникові тверді розчини Hg_1-xCd_xTe (з молярним складом - Х_Cd=0,2 і 0,3) є базовим матеріалом для виготовлення високоефективних приймачів інфрачервоного (ІЧ) випромінювання, спектральний діапазон якого знаходиться у вікнах прозорості атмосфери (відповідно 8-12 і 3-5 мкм). Сучасні напрями розробок багатошарових Hg_1-xCd_xTe приладних структур полягають у застосуванні 3D-зонної інженерії для створення на її основі неохолоджуваних фотонних детекторів. Найбільш придатним покриттям для пасивації робочої поверхні таких детекторів є ізотопний за кристалічною структурою широкозонний напівпровідник з незначно відмінними від активного матеріалу параметрами гратки - телурид кадмію CdTe. Термічна обробка гетероструктури Hg_1-xCd_xTe/CdTe, внаслідок процесів взаємодифузії основних компонент твердого розчину, приводить до утворення градієнтного за складом матеріалу, який поліпшує характеристики пасиваційного покриття. При формуванні такого покриття на границі розділу напівпровідників відбувається перерозподіл напруг кристалічної гратки й утворюється область з просторовою неоднорідністю зонної структури. Остання, зумовлюючи існування в напівпровіднику внутрішніх електричних полів, значно впливає на дифузію заряджених домішок і приводить до зміни профілю їх розподілу.

Кристалічна структура ферит-гранатів дозволяє вкорінення в неї різноманітних катіонів, що надає можливості регулювати магнітними властивостями у досить широкому діапазоні. Зокрема, вкорінення в структуру плівок залізо-ітрієвого гранату немагнітних іонів Ga³⁺ і La³⁺ значно поліпшує їх термостабільність без суттєвого зростання ширини лінії феромагнітного резонансу, що одночасно зменшує магнітні втрати при поширенні магнітостатичних хвиль.

Завдяки багатоцільовому методу модифікації поверхневих шарів - іонній імплантації - в ферит-гранатових плівках можна реалізувати нові структурні стани, які важко або неможливо отримати у звичайних об'ємних магнітних кристалах. Це суттєво розширює можливості реалізації впливу на фізичні властивості через структурні трансформації поверхневих шарів.

Основними завданнями структурних досліджень такого роду об'єктів є визначення, по-перше, ступеня структурної досконалості кристала - матриці, а по-друге, структурного стану атомів легуючої домішки. Серед великої кількості методів прямого дослідження структури кристалів найбільш інформативними є Х-променеві методи дво- та трикристальної дифрактометрії [1]. Ці методи неруйнівні, експресні, володіють високою чутливістю до структурних перетворень кристалічної гратки. Отже, Х- променеві дифракційні дослідження структурних змін у приповерхневих шарах епітаксійних структур, пористому кремнії та залізо-ітрієвих гранатах, легованих лантаном плівках, актуальні і потребують подальшого розвитку з виходом на кількісні оцінки структурних характеристик, що повинно забезпечити новий рівень розвитку сучасної твердотільної мікроелектроніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких наведені в дисертації, виконані відповідно до програм наукової тематики кафедри фізики твердого тіла Чернівецького національного університету “Ф25.2/116-2007 “Особливості дво- та багатохвильової дифракції Х-променів у нанорозмірних багатошарових системах та реальних кристалах” (наказ Міністерства освіти і науки України від 02.08.2007 р. № 720) та Дифракція рентгенівських променів у реальних кристалах та багатошарових нанорозмірних системах (Номер державної реєстрації роботи: 0101u008206).

У межах цієї тематики автором за допомогою методів Х-променевої дифрактометрії та топографії, чисельного моделювання на основі рівнянь динамічної теорії розсіяння Х-променів і даних атомно-силової мікроскопії досліджено вплив імплантації іонів фосфору, арсену й азоту, а також хімічного травлення на структурні зміни в приповерхневих шарах кристалів Cz-Si та епітаксійних систем CdHgTe, Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂.

Мета дисертаційної роботи - визначення характеру та перебігу структурних змін у приповерхневих шарах епітаксійних плівок CdHgTe, Y₃Fe₅O₁₂ після імплантації, відповідно, іонів арсену й азоту та в удосконаленні існуючих методів діагностики характерних структурних дефектів на основі узагальненої динамічної теорії дифракції Х- променів реальними кристалами.

Для досягнення вказаної мети ставилися такі завдання:

1. Удосконалення існуючих методів Х- променевої діагностики структурних змін і типів дефектів у приповерхневих шарах іонно- імплантованих епітаксійних плівках CdHgTe, Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂ та монокристалах Si i CdTe.

2. Дослідження структурних змін після імплантації:

а) іонів арсену (D₁=10¹⁵ іон/см², Е=100 кеВ) в епітаксійні варізонні структури Cd_xHg_1-xTe n-типу провідності, вирощені методом випаровування-конденсація-дифузія на підкладках CdTe з кристалічною орієнтацією (111) та (110) товщиною 73 мкм;

б) іонів азоту (Е=50 кеВ, D₁=0,5·10¹⁸ іон/см²; D₁=1,5·10¹⁸ іон/см² D₁= =5,0·10¹⁸ іон/см²) в епітаксійні плівки Y₃Fe₅O₁₂, леговані лантаном (0,05%), товщиною 24 і 76 мкм;

в) іонів фосфору (Е=180 кеВ, D=810¹⁴ іон/см²) у кристали Сz-Si після хімічного травлення.

3. Зіставлення експериментальних і розрахованих кривих гойдання за допомогою чисельного розв'язання рівнянь Такагі й основних співвідношень узагальненої динамічної теорії розсіяння Х-променів.

4. Визначення розподілів деформацій (концентраційного розподілу доміщок), товщини порушеного шару, середнього та середньоквадратичного зміщень атомних площин і ступеня аморфізації приповерхневих шарів на основі розв'язків прямої та оберненої задач Х- променевої дифрактометрії.

5. Установлення механізмів структурних перетворень після іонної імплантації через вибір відповідних моделей дефектної структури, що містять кілька типів домінуючих мікродефектів і в певний спосіб розподіленого порушеного приповерхневого шару

6. На основі теорії пружних зіткнень, використовуючи програмний пакет SRIM-2008 (програмний пакет для моделювання процесів взаємодії іонів з кристалічними матеріалами, http//www.srim.org/#SRIM), дослідити процеси взаємодії іонів арсену з атомами кристалічної гратки епітаксійних варізонних структур Cd_хHg_1-хTe/CdTe та азоту з Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂. Провести розрахунок розподілів іонізаційних і пружних енергетичних втрат іонів, визначити довжину проективного пробігу іона-імплантанта та типи вторинних радіаційних дефектів.

Об'єкти досліджень - характер і хід структурних змін у варізонних структурах Hg_1-xCd_xTe(111) (x=0,21) та Hg_1-xCd_xTe (110) (х=0,23), одержаних високотемпературним відпалом епітаксійних шарів Hg_1-xCd_xTe в парах основних компонент, та в які імплантовані іони арсену (Е=100 кеВ, D₁=10¹⁵ іон/cм²); епітаксійних плівках Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂ опромінених високими дозами іонів азоту; кристалах Сz-Si після хімічного травлення протягом 40 секунд у розчині HF:HNO₃ та імплантації іонів фосфору (Е=180 кеВ, D=810¹⁴ іон/см²⁾.

Предмет досліджень

– процеси та механізми дефектоутворення, їх зв'язок з особливостями формування кривих дифракційного відбивання та ізодифузних мап інтенсивності трикристальної спектрометрії в імплантованих іонами фосфору кристалів кремнію та епітаксійних плівках Cd_хHg_1-хTe та Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂, імплантованих іонами арсену й азоту, відповідно;

– параметри та модельні представлення процесів дефектоутворення, що визначають механізми та закономірності розсіяння Х- променів іонно-імплантованими кристалами та епітаксійними плівками.

Методи дослiдження: дво- і трикристальна Х- променева дифрактометрiя, Х- променева топографiя в різних схемах дифракції на відбивання, програмне забезпечення чисельного розв'язання прямої та оберненої задач дифракції, атомно-силова мікроскопія, мас-спектрометрія вторинних іонів і Х- променевий мікроаналіз.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше показано, що на морфологію поверхонь варізонних структур Hg_1-xCd_xTe, одержаних при однакових умовах, значний вплив вносить кристалографічна орієнтація вихідних підкладок CdTe. Виявлено суттєве збільшення молярного складу твердого розчину Hg_1-xCd_xTe на поверхні іонно-імплантованих епітаксійних шарів після високотемпературної обробки.

Показано, що внаслідок незначних змін термодинамічно рівноважних умов процесу високотемпературного відпалу в приповерхневих областях епітаксійних шарів можливе утворення різких градієнтів складу основних компонент твердого розчину Hg_1-xCd_xTe. Вони є причиною утворення варізонної структури, в якій наявні значні напруги кристалічної гратки.

2. У рамках узагальненої динамічної теорії розсіяння досліджено структурні зміни у кристалах Si, спричинених дією хімічного травлення, іонної імплантації фосфором та їх комбінованої дії. Для кількісної оцінки структурних змін, які виникають у приповерхневих шарах, використано методи дво- та трикристальної рентгенівської дифрактометрії.

На основі отриманих результатів уперше запропонована модель можливої системи домінуючих структурних дефектів у модифікованих хімічним травленням та іонною імплантацією приповерхневих шарах кремнію. Модель враховує наявність відповідних розмірів і концентрацій сферичних і дископодібних кластерних утворень, дислокаційних петель і середні параметри пористості (радіус, довжину та латеральний квазіперіод пор) поверхневих шарів.

3. Уперше на основі теорії пружних зіткнень досліджено процеси взаємодії іонів азоту з атомами кристалічної гратки після високодозової імплантатії (Е=50 кеВ і дозах D=0,5; 1,5 та 510¹⁸ іон/см²).

Установлено, що при таких енергіях і дозах найбільш імовірний процес генерації френкелівської пари (~ 65%); розвиток каскаду з двох атомів віддачі ~ 21%, трьох - 8%, чотирьох - 4%. Середній об'єм розупорядкованої ділянки V19 Е³. Переважаючими в процесі імплантації є електронні енергетичні втрати ~70%, що становили для умов експерименту 26 еВ/Е, середня довжина проективного пробігу іона складає ~845 Е, кількість утворених вакансій на іон 182, ефективний радіус дефекту r_eff=0,79 Е 0,2 Е

4. Уперше встановлено хід структурних перетворень після опромінення високими дозами іонів азоту епітаксійних плівок Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂ через вибір відповідних модельних представлень дефектної структури та в певний спосіб розподіленого порушеного поверхневого шару. Зіставлено експериментальні криві гойдання та мапи розподілу інтенсивності в області вузла оберненої гратки з розрахованими. Визначено товщину порушеного шару, середнє, середнє квадратичне зміщення атомних площин і ступінь аморфізації приповерхневих шарів плівок. За даними атомно-силової мікроскопії найбільш пошкоджена поверхня плівки, опромінена найбільшою дозою іонів, спостерігаються високої густини характерні локальні розупорядковані області з перепадом висот до 20 нм і середніми розмірами 0,15 мкм.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати суттєво розширюють фізичні уявлення про основні процеси дефектоутворення в приповерхневих шарах варізонних систем CdHgTe/CdTe, Si та епітаксійних плівках Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂, можуть бути використані як для розробки нових методів структурної діагностики кристалічних матеріалів, так і для подальшого розвитку теорії розсіяння Х- променів реальними кристалами. Використаний у роботі комплексний підхід до вивчення явищ і закономірностей, які відбуваються в іонно-імплантованих матеріалах має практичне значення при розробці елементів сонячної енергетики, електро - та фотолюмінесцентних випромінювачів, фотовольтаїчних детекторів ІЧ- випромінювання.

Матеріал дисертації буде використаний у таких спецкурсах, як фізика твердого тіла, Х- променевий структурний аналіз, моделювання фізичних процесів розсіяння у кристалах.

Публікації та особистий внесок здобувача. Дисертант брав участь у обговоренні результатів усіх опублікованих у співавторстві наукових праць. У [1-16] здійснював топографічні Х- променеві експериментальні дослідження та вимірювання кривих гойдання. Для побудови відповідних профілів деформації з експериментальних кривих гойдання та мап (двовимірних розподілів) інтенсивності, брав участь у розробці відповідного програмного забезпечення, за допомогою якого проводив зіставлення експериментальних і теоретичних даних.

У [1,5] дисертант брав участь у виборі адекватних моделей дефектної структури, яка складається із комплексу різних за типом і розмірами домінуючих мікродефектів, за допомогою якої пояснюється перебіг структурних змін у поверхневих шарах після імплантації іонів різної енергії та дози.

Результати дисертації [7-16] доповідались і обговорювались на міжнародних наукових конференціях.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на таких наукових конференціях:

1. The 7-th International Conference Correlation Optics (Chernivtsi, Ukraine, 2007).

2. VI-th international Conference on Ion Implantation and Other Application of Ions and Electrons (Kazimierz Dolny, Poland, 2006).

3. VI Национальная конференция по применению рентгеновского синхротронного излучений нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, Россия, 2007).

4. E-MRS Fall Meeting (Warsaw, Poland, 2007).

5. 8th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging. - Х-ТОР2006 (Baden-Baden, Germany.)

6. 9th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging. - Х-ТОР 2008 (Linz, Austria.)

7. IІІ Українська конференція з фізики напівпровідників УНКФН-3 (Одеса, Україна, 2007).

8. XІ міжнародна конференція фізики і технологій тонких плівок та наносистем (Івано-Франківськ, Україна, 2009).

Структура i обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури зі 135 джерел. Виклад зроблено на 136 сторінках друкованого тексту, які містять 32 рисунки і 5 таблиць.

Основний зміст

епітаксійний арсен азот кристал

У вступі обґрунтовується актуальність обраної теми досліджень, сформульовані мета й основні задачі, вказані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наведені дані про апробацію роботи, публікації, особистий внесок дисертанта.

У першому розділі, що є оглядом літератури за темою дисертації, розглянуто теоретичні й експериментальні аспекти розсіяння Х- променів у реальних монокристалах. Особливу увагу приділено різним теоретичним підходам, що базуються на кінематичній та динамічній теорії розсіяння Х-променів кристалами, які містять різного типу дефекти, а також структурні порушення, зумовлені дією різних зовнішніх чинників, зокрема іонної імплантації.

Аналізуються можливості кількісної діагностики складної дефектної структури монокристалів у рамках узагальненої динамічної теорії розсіяння Х- променів через модифіковану дифракційну модель, що враховує ефекти асиметрії інтенсивності дифузного розсіяння від мікродефектів з розкидом за розмірами, інтенсивність теплового дифузного розсіяння, а також вплив скінченої величини приймальної апертури детектора та інші інструментальні фактори.

Другий розділ присвячено методичному удосконаленню використовуваного у роботі обладнання, методик отримання інформації про еволюцію дефектів різного типу при дії зовнішніх чинників (механічні пошкодження, іонна імплантація, хімічне травлення) та з огляду на можливість їх застосування для структурно неоднорідних матеріалів.

Для аналізу дво- та трикристальних кривих дифракційного відбивання (КДВ) удосконалено методики й алгоритми розв'язування прямої та оберненої задач Х-променевої дифрактометрії для складних однорідних і градієнтних матеріалів. Для отримання параметрів порушених приповерхневих шарів у першому наближенні застосовано метод інтегральних характеристик. Шляхом функціонального вибору профілю деформації і порушень поверхневого шару W(z) (фактора Дебая-Валера) на основі чисельного розв'язку рівнянь Такагі-Топена розраховувались криві дифракційного відбивання для іонно-імплантованих зразків.

У третьому розділі досліджувались причини, які зумовлюють виникнення деформацій кристалічної гратки в приповерхневих шарах, легованих домішкою арсену (Е=100 кеВ, D₁=10¹⁵ cм^-2) варізонних структур Hg_1-xCd_xTe, які вирощені у Львівському національному університеті ім. Івана Франка. Імплантація здійснювалася на установці "Везувій" в Інституті прикладних проблем механіки і математики НАН України, м. Львів.

Для досліджень використано вирощені модифікованим методом випаровування-конденсація-дифузія у власнодефектні епітаксійні шари Hg_1-xCd_xTe п-типу провідності, нарощені на підкладках CdTe з кристалічною орієнтацією (111) та (110). Товщина нарощених епітаксійних плівок 73 мкм. У досліджуваних зразках початковий вміст Cd на поверхні складав величину Х_Cd= =0,21 і 0,23 відповідно. Варізонна структура в приповерхневій області імплантованих епітаксійних шарів Hg_1-xCd_xTe формувалася в процесі термообробки початкової структури при Т?600C протягом 10 хвилин в атмосфері насиченої пари Hg (Р_Hg=3,310⁵ Па) і Cd. Така термообробка призводить до конверсії складу на поверхні Hg_1-xCd_xTe, аж до утворення CdTe. Одночасно у сформованих варізонних структурах при ідентичних режимах відпалу проводився дифузійний розгін домішки арсену.

Розподіли концентрації атомів домішки і профілю складу епітаксійних шарів Hg_1-xCd_xTe досліджувалися мас-спектрометрією вторинних іонів (ВІМС) на установці Cameca IMS-6F. Одночасно проводився аналіз домішки та ізотопу основного компонента CdHgTe (202Hg130Te). Додатково середнє значення молярного складу Cd на поверхні структур визначалося за допомогою SIMS Х-променевого мікроаналізу (SIMS) на установці Philips CM20. Безконтактна атомно-силова мікроскопія на установці NanoScopeIIIa Dimesion 3000^TM використана для аналізу морфології поверхні варізонних структур.

Для епітаксійного шару Hg_1-xCd_xTe (110) топографічне зображення на рис.2б більш однорідне і має вигляд дрібнозернистої структури, подібної до "помаранчевої шкірки", з вкрапленнями включень другої фази (напевно, телурових або ртутних за природою) та мікропор. Водночас на рис.2а простежується система паралельних темних ліній уздовж Х- променевих рефлексів CuK_б1 та CuK_б2, які можуть указувати на наявність системи дислокацій невідповідності, вектор Бюргера яких типу . Причиною їх появи можуть бути значні напруги на границі локалізації іонів арсену або наявність області різкого градієнта складу твердого розчину Hg_1-xCd_xTe.

Для кривих гойдання на рис.3 характерна асиметрична форма та значне збільшення півширини (W) до 68 кут сек., а також досить підняті "хвости" по відношенню до еталонного зразка CdTe. За значеннями кутового збільшення півширини кривих гойдання W оцінена можлива густина дислокацій: ?10⁵ см-² для шарів Hg_1-xCd_xTe (111) і ?210⁶ см-² для шарів Hg_1-xCd_xTe (110).

Профілі деформації у порушеному шарі (рис.4а) розраховувалися з використанням чисельного розв'язання рівнянь Такагі-Топена. Оптимізація отриманих профілів здійснювалася методом мінімізації невід'ємної нев'язки. За перше наближення вибрано розподіл дифундуючої домішки As на основі SIMS аналізу за кількістю імпульсів ізотопу 202Hg130Te (рис.4)

На отриманих деформаційних профілях максимальне значення напруг (Дd/d=3,210-⁴) у зразку Hg_1-xCd_xTe (111) спостерігається біля поверхні в області різкої варізонної структури (0,15 мкм від поверхні). Визначене за допомогою Х-променевого мікроаналізу усереднене значення молярного складу твердого розчину на поверхні зразка складає Х_Cd0,8, а найбільші його зміни, спостережені SIMS аналізом за кількістю імпульсів ізотопу 202Hg130Te, простягаються на глибину до 0,3 мкм (рис.4а вкладка).

ВІМС розподіл арсену для структури Hg_1-xCd_xTe (110) (рис.4б) суттєво відрізняється від попередньої, і однією з причин цього є процеси каналювання іонів домішки у нещільно упаковану гратку. Ефект каналювання в такій структурі збільшує глибину проникнення домішки і не впливає на процеси взаємодифузії основних компонент у приповерхневих шарах. Порівняно з попередньою структурою на одержаних профілях розподілу чітко не розділені вклади впровадженої домішки та змін молярного складу в напруження кристалічної гратки, проте максимальне абсолютне значення деформацій у цьому зразку в 3 рази більше. Останнє може бути зумовлене сукупним впливом на напруження кристалічної гратки обох розглянутих факторів.

Виходячи із можливих процесів дефектоутворення в процесі формування варізонної структури і подальшою за дією іонної імплантації вважається можливим виникнення такої системи дефектів: френкелівських пар, комплексів із точкових дефектів - кластерних утворень і включень другої фази у вигляді дислокаційних петель.

При розрахунку теоретичних КДВ припускалася наявність у порушеному приповерхневому шарі комплексів із точкових дефектів (кластерних утворень і дислокаційних петель), а в підкладці, крім індукованих мікродефектів, враховувалася наявність ростових мікродефектів (дислокаційних петель). Агломерати точкових дефектів у підкладці і порушеному шарі моделювалися сферичними кластерами радіуса ~10 Е. Розраховані концентраційні профілі домінуючих типів дефектів після імплантації арсену на рис.5 підтверджують більш дефектну структуру епітаксійних шарів (110) Hg_1-xCd_xTe.

Дослідження атомно-силової мікроскопії виявили незначні відмінності у морфології поверхні вихідної та модифікованої імплантацією і відпалом областей структур. Кожна із поверхонь містить певну кількість різноманітних дефектів і включень. Не імплантована область досліджуваних структур характеризується нерівностями та виступами на поверхні зразка, концентрація яких після проведення процесів імплантації та відпалу зменшується, а поверхня стає більш однорідною внаслідок релаксації пружних деформацій саме у приповерхневій області епітаксійних шарів, що підтверджується розрахованими профілями концентрацій дефектів і деформаційними профілями.

За даними АСМ найбільше значення R_a=0,874 нм (середньоарифметичне відхилення висот від середньої площини рельєфу поверхні) характерне для не імплантованої області. Для імплантованої це значення складає R_a= =0,651 нм.

У четвертому розділі досліджені зразки Si (111), вирощені методом Чохральского. Хімічне травлення здійснювалося протягом 40 секунд у розчині HF, HNO₃ (зразок №2 та №3), іонна імплантація фосфору - при енергії Е=100 кеВ та дозі D=810¹⁴ см^-2 (зразок №3 та №4). Іонну імплантацію проведено при кімнатній температурі, за умов, які виключають появу ефектів каналювання (під кутом ~9 відносно нормалі до площини поверхні). Вказані дії проведені як окремо, так і послідовно.

Криві дифракційного відбивання (КДВ) і спектри трикристальної Х-променевої дифрактометрії (ТРД) на CuK-випромінюванні отримано в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова на високороздільному дифрактометрі “X'Pert PRO MRD XL” із 4-кратним Ge (220) монохроматором і 3-кратним аналізатором Ge (220) з кутовою розбіжністю 12''.

Параметри мікрорельєфу поверхні зразків визначалися на атомно-силовому мікроскопі NanScope IIIa Dimension 3000TM.

Для визначення концентрації та розмірів домінуючих типів дефектів, які виникають у поверхневих шарах кристалів кремнію у процесі імплантації іонів фосфору та хімічного травлення, використано теоретичні співвідношення, узагальненої динамічної теорії розсіяння Х- променів.

При вказаних вище умовах імплантації, як правило, більше 50% імплантованих іонів фосфору займають місце у вузлах кристалічної гратки. Утворене деформаційне поле накладається на поле, яке утворюють міжвузольні дефекти. Все це призводить до збільшення параметра гратки кристала. Підтвердженням цьому - наявність додаткових, зміщених максимумів інтенсивності на кривих дифракційного відбивання (рис. 6) та поява максимумів функції приведеної інтенсивності в області кутів и<0 (рис.6) (І_М - інтенсивність головного максимуму на кривих ТРД, отриманих при різних фіксованих кутах повороту зразка и у режимі сканування аналізатором, - кутове відхилення аналізатора). Коефіцієнт нормування А визначається із виконання рівності P(и)=1.

Незначна деформація стиску в зразках №3 та №4 може бути викликана заміщенням атомів кремнію атомами кисню з r_O=0,66 ?<r_Si=1,17 ?.

Для хімічно травленого зразка №2 характерне зменшення максимуму інтенсивності КДВ у 4 рази, а півширина перевищує відповідні значення для імплантованого зразка та зразка із комбінованою дією в 1,5 разу. Максимум функції P(и) на рис.6 при и>0 вказує на наявність шарів із від'ємною деформацією кристалічної гратки. Це пов'язане з утворенням системи пор під час травлення та генерації дефектів вакансійного типу. Наявність пор у хімічно травлених зразках підтверджується результатами атомно-силової мікроскопії - спостерігається подвійна система пор: великі магістральні пори розмірами 0,1-0,2 мкм і пори нанометрових розмірів 0,01-0,05 мкм.

Аналіз складової дифузного розсіяння для даних кристалів Si дозволив оцінити значення структурного фактору Дебая-Валлера L_H, коефіцієнт дифузних втрат м_DS, середній радіус R і концентрацію n можливих мікродефектів (сферичних і дископодібних кластерних утворень, дислокаційних петель), а також середні параметри пор (розміри та глибину).

За допомогою числового розв'язання рівнянь Такагі-Топена відтворені товщинні розподіли деформацій (рис.7). При підгонці розрахункових КДВ до експериментальних оптимізація отриманих профілів проводилася методом найменших квадратів.

Дослідження структурних змін для зразків №2 і №3 доповнені вимірюванням спектрів фотолюмінісценції з використанням азотного лазера на довжині хвилі 0,337 нм. Під дією збуджуючого фотолюмінесценцію світла смуги фотолюмінесценції зсуваються в червону область. Послаблення інтенсивності основної смуги та поява двох додаткових смуг у короткохвильовій області люмінесценції пористого кремнію, отриманого на модифікованій іонною імплантацією області кристала, пояснюється впливом внутрішніх електричних полів, що створюються зарядженими донорами (іонами фосфору). Це проявляється також у зменшенні імовірності випромінювальної рекомбінації внаслідок наявності дефектів, генерованих іонною імплантацією.

Вплив такого роду дефектів на фотолюмінесцентні властивості проявляється, очевидно, у створенні каналу безвипромінювальної рекомбінації та формуванні додаткових каналів випромінювальної рекомбінації.

У п'ятому розділі наведені результати досліджень структурних змін у поверхневих шарах Y_2,95La_0,05 Fe₅O₁₂, імплантовані високими дозами (Е=50 кеВ і дози D=0,5; 1,5 та 510¹⁸ іон/см²) іонів азоту.

На рис.8 і рис.9 КДВ і мапи розподілу інтенсивності для (444) та (888) рефлексів для CuК - випромінювання отримані на дифрактометрі XRD 3003 PTS в м. Зіген (Німеччина).

Відтворений профіль деформацій досить складний за формою, оскільки крім імплантації на формування КДВ впливає ряд факторів, зокрема, неоднорідний розподіл основних компонент за товщиною та вплив деформації невідповідності на границі розділу плівка-підкладка.

Товщина деформованого шару зростає зі збільшенням дози опромінення, окремі розупорядковані області перекриваються, утворюючи аморфний шар. Напруги, які виникають у каскадах атомних зіткнень, слугують джерелами дислокаційних петель Франка-Ріда (~1 нм) з їх подальшим рухом углиб кристалу.

На основі теорії пружних зіткнень досліджено процеси взаємодії іонів азоту з атомами кристалічної гратки після високодозової імплантатії. Установлено, що при енергії Е=50кеВ найбільш імовірним є процес генерації френкелівських пар (~ 65%). Розвиток каскаду з двох атомів віддачі ~ 21%, трьох - 8%, чотирьох - 4%. Середній об'єм розупорядкованої ділянки V19 Е³. Переважаючими в процесі імплантації є електронні енергетичні втрати ~70%, що становить з умов експерименту 26 еВ/Е, середня довжина проективного пробігу іона складає ~845 Е, кількість утворених вакансій на іон 182, ефективний радіус дефекту r_eff=0,79 Е0,2 Е

Просторові параметри, визначені за допомогою методу АСМ, дозволяють визначити анізотропію поверхні та періодичність структури. Отримано плоскі та об'ємні зображення кожної з областей у масштабі 11 мкм. Найбільші зміни рельєфу поверхні характерні для плівки, опроміненої найбільшою дозою іонів - D=5?10¹⁸ іон/см², спостерігаються характерні локальні розупорядковані області з перепадом висот до 20 нм і середнім радіусом 0,15 мкм.

Основні результати та висновки

За допомогою методів Х-променевої дифрактометрії та топографії, чисельного моделювання на основі рівнянь динамічної теорії розсіяння Х- променів та даних атомно-силової мікроскопії досліджено вплив імплантації іонів фосфору, арсену й азоту, а також хімічного травлення на структурні зміни в приповерхневих шарах кристалів Cz-Si, епітаксійних систем CdHgTe та Y_2,95La_0,05Fe₅O_12.

1. Досліджено причини, які зумовлюють виникнення деформацій кристалічної гратки в приповерхневих шарах, легованих домішкою арсену (Е= =100 кеВ, D₁=10¹⁵ cм^-2) варізонних структур (111) Hg_1-xCd_xTe/CdTe (x=0,21) та (110) Hg_1-xCd_xTe/CdTe (х=0,23), одержаних високотемпературним відпалом епітаксійних шарів Hg_1-xCd_xTe в парах основних компонент і в які імплантовано іони арсену. Встановлено, що внаслідок незначних змін термодинамічно рівноважних умов процесу високотемпературного відпалу в поверхневих областях епітаксійних шарів можливе утворення різких градієнтів складу основних компонент твердого розчину Hg_1-xCd_xTe. Вони є причиною утворення варізонної структури, в якій наявні значні напруги.

2. Максимальне значення напруг (Дd/d=3,210-⁴) у зразку (111) Hg_1-xCd_xTe спостерігається біля поверхні зразка в області різкої варізонної структури (0,15 мкм від поверхні). Усереднене значення молярного складу твердого розчину на поверхні зразка складає Х_Cd0,8, а найбільші його зміни простягаються на глибину до 0,3 мкм. У цій же області проявляється немонотонний характер розподілу продифундованої домішки, який характеризується наявністю чітко виражених максимуму і мінімуму.

3. Для структури (110) Hg_1-xCd_xTe ВІМС розподіл арсену суттєво відрізняється від попереднього, і однією з причин цього є процеси каналювання іонів домішки у нещільно упаковану гратку. Порівняно з попередньою структурою на одержаних профілях розподілу чітко не розділені вклади впровадженої домішки та змін молярного складу в напруження кристалічної гратки, проте максимальне абсолютне значення деформацій у цьому зразку в три рази вище. Останнє може бути зумовлене сукупним впливом на напруження кристалічної гратки обох розглянутих факторів.

4. На основі узагальненої динамічної теорії розсіяння Х-променів із аналізу кривих дифракційного відбивання та мапи визначені концентрації та розміри домінуючих типів дефектів, які виникають у поверхневих шарах кристалів кремнію в процесі імплантації іонів фосфору та хімічного травлення. Зокрема, збіг експериментальних і розрахованих даних має місце при умові, що дископодібні кластери ~0,5 мкм з концентрацією ~10⁷ч10⁸ см^-3, сферичні кластери ~0,011 мкм з концентрацією ~10¹²ч10¹³ см^-3, дислокаційні петлі ~0,7 мкм з концентрацією ~10⁸ч10⁹ см^-3.

5. Для хімічно травленого зразка характерне зменшення максимуму інтенсивності КДВ у 4 рази, а півширина перевищує відповідні значення для імплантованого зразка та зразка із комбінованою дією в 1,5 разу, ніж для еталона. Наявність шарів з від'ємною деформацією кристалічної гратки пов'язана з утворенням системи пор під час травлення та генерації дефектів вакансійного типу. На картинах атомно-силової мікроскопії спостерігається подвійна система пор: великі магістральні пори розмірами 0,1-0,2 мкм і пори нанометрових розмірів 0,01-0,05 мкм.

6. Установлено хід структурних перетворень після опромінення іонами азоту кристалів Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂ через вибір відповідних моделей дефектної структури, що містять кілька типів домінуючих мікродефектів і у певний спосіб розподіленого порушеного поверхневого шару.

Визначені на основі зіставлення розрахованих і експериментальних кривих гойдання характеристики деформацій за товщиною: для плівки №1, (D=0,510¹⁸ іон/см²⁾ 0,810-³, z_max?920 Е, товщина порушеного шару L?2000 Е; для плівки №2, (доза D=1,510¹⁸ іон/см²) 1,210^-3, z_max?980 Е, L?2300 Е; для плівки №3 (доза D=510¹⁸ іон/см²) 1,810-³, z_max?1070 Е, L ?2830 Е.

За даними АСМ, найбільші зміни рельєфу поверхні характерні для плівки, опроміненої найбільшою дозою іонів, спостерігаються характерні локальні розупорядковані області з перепадом висот до 20 нм і середніми розмірами 0,15 мкм.

7. Удосконалено алгоритми та розроблено програмне забезпечення кількісної Х-променевої діагностики характеристик структурних дефектів і параметрів деформаційних полів у порушених приповерхневих шарах складних кристалічних матеріалів. Для ряду матеріалів твердотільної мікроелектроніки (СdTe, Cd_хHg_1-хTe, Y_2,95La_0,05Fe₅O₁₂) отримано числові значення коефіцієнтів Фур'є- розкладу поляризованості, поправок на аномальну дисперсію та побудовано їх залежності від складу твердого розчину.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Fodchuk I. Structural changes in arsenic ion implanted Hg_1-xCd_xTe epitaxial layers / I. Fodchuk, R. Zaplitnyy, T. Kazemirskiy [et al.] // Physica status solidi (a). - 2007 - Vol. 204. - N8. - P. 2714-2720.

2. Fodchuk I. Structural changes in Si crystals exposed to chemical etching and ion implantation / I. Fodchuk, R. Zaplitnyy, T. Kazemirskiy [et al.] // Physica status solidi (a).-2009 - Vol. 206. - N8. - P. 1804-1808.

3. Vlasov A. Reconstruction of lattice structure of ion-implanted near-surface regions of Hg_1?XCd_XTe epitaxial layers / A.P. Vlasov, O.Yu. Bonchyk, T. Kazemirskiy [et al.] // Thin solid films. - 2008 - Vol 516. - P.8106-8111.

4. Заплитный Р. Структурные изменения в эпитаксиальных структурах модифицированных ионной имплантацией / Р.А. Заплитный, Т.А. Каземирский, И.М. Фодчук [и др.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 2006 - т. 28. - №8. C. 1013-1029.

5. Zaplitnyy R. Structural changes in graded band-gap epitaxial layers HgCdТе after ion implantation / R.A. Zaplitnyy, I.M. Fodchuk, T.A. Kazemirskiy [et al.] // Proceedings of SPIE. - 2008 - Vol. 7008. - P.70081C-1-70081C-6.

6. Заплитный Р. Процеси дефектоутворення в епітаксійних структурах СdHgTe при імплантації іонами миш'яку / Р.А. Заплітний, Т.А. Каземірський, І.М. Фодчук [та ін.] // Науковий вісник ЧНУ.- 2008.- Вип. 303. - C. 36-43.

7. Піч У. Вплив імплантації іонами азоту на структурні зміни в залізо-ітрієвих гранатах легованих лантаном / У. Піч, А. Давидок, І.М. Фодчук Н.В. Пашняк, Т.А. Каземірський [та ін.] // Науковий вісник ЧНУ.- 2009.- Вип. 438. - C. 51-55.

8. Фодчук И. Рентгеновская топоргафия и дифрактометрия кристаллов СdTe и CdHgTe / И.М. Фодчук, Т.А. Каземирский Р.А. Заплитный // Современные методы анализа дифракционных данных (топография, дифрактометрия, электронная микроскопия) Программа и материалы Третьего международного научного семинара 22-25 мая 2006 года, Великий Новгород: тезисы докладов. - 2006 - С.153-156.

9. Zaplitnyy R. Influence of ion implantation on the structural changes in graded band-gap-epitaxial layers Cd_xHg_1-xТе / R.A. Zaplitnyy, I.M. Fodchuk, T.A. Kazemirskiy [et al.] // Ion 2006, Kazimierz Dolny, Poland: abstract booklet. - 2006 - P.151.

10. Zaplitnyy R. Ion implantation of CdHgTe epitaxial structures by As / R.A. Zaplitnyy, I.M. Fodchuk, T.A. Kazemirskiy // Х-ТОР2006, Baden-Baden, Germany: abstract booklet. - 2006 - P 94.

11. Vlasov A. Reconstruction of lattice structure of ion-implanted near-surface regions of HgCdTe epitaxial layers / A.P. Vlasov, I.M. Fodchuk, T. Kazemirskiy [et al.] // E-MRS 2007, Warsaw, Poland, 17-21 September 2007: abstract booklet. - 2007 - P. 210.

12. Заплитный Р. Изменения в дефектной структуре эпитаксиальных слоев Hg_1-xCd_xTe после имплантации ионами As / Р.А. Заплитний, Т.А. Каземирский, И.М. Фодчук [и др.] // ІІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників. УНКФН-3, Одеса, 17-22 червня 2007р.:тези доповідей. - 2007 - С.452.

13. Фодчук И. Влияние кристаллической ориентации подложки на структурные и электрофизические свойства эпитаксиальных слоев Hg_1-xCd_xTe/CdTe / И.М. Фодчук Т.А Каземирский, Т.В Литвинчук [та ін.] // Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок МКФТТП-ХІ, Івано-Франківськ, 7-12 травня 2007р.: тези доповідей. - 2007 - С.2240.

14. Kazemirskiy T. Structural changes in graded band-gap epitaxial layers Cd_xHg_1-xТе after ion implantation. / T.А. Kazemirskiy, R.A.Zaplitnyy, I.M.Fodchuk [et al.]. // 8^th International Conference on Correlation Optics, 2007р.: abstract booklet. - 2007 - Р. 1718.

15. Zaplitnyy R. Effect of chemical etching andion implantation on structural properties of Si crystals / R.A. Zaplitnyy, I.M.Fodchuk, T.A.Kazemirskiy [et al.] // Х-ТОР2008, Linz, Austria, 2008: abstract booklet. - 2008 - P 76.

16. Каземірський Т. Рентгенодифракційні дослідження структурної досконалості систем CdHgTe/СdTe.,/ Т.А. Каземірський, Р.А. Заплітний, І.М. Фодчук, [та ін.] // Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок МКФТТП-ХІІ, Івано-Франківськ, 18-23 травня 2009р.:тези доповідей -2009 - С.246-248.

Размещено на Allbest.ru