ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

ПОЛІТАНСЬКИЙ

РУСЛАН ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 539.26:546.49

СТРУКТУРНІ ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ ТОНКИХ ПЛІВОК,

МОДИФІКОВАНИХ АКТИВНИМИ ОБРОБКАМИ

01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Чернівці-2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Чернівецькому національному університеті імені Юрія

Федьковича

Науковий керівник

Доктор фізико-математичних наук, професор

Раранський Микола Дмитрович

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича,

Декан фізичного факультету.

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, професор

Корбутяк Дмитро Васильович

Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу.

Доктор фізико-математичних наук, професор

Ковалюк Захар Дмитрович

Інститут проблем матеріалознавства, Чернівецьке відділення,

завідувач відділення.

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “26” жовтня 2001 р. о 15 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д76.051.01 в Чернівецькому національному

університеті імені Юрія Федьковича, м. Чернівці, 58012, вулиця

Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Чернівецького

національного університету імені Юрія Федьковича, вул.Лесі Українки, 23.

Автореферат розісланий “26” вересня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

Вченої ради Курганецький М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасної нано- та оптоелектроніки тісно пов'язаний із розробкою і використанням різного типу тонких, в тому числі багатокомпонентних плівок. Зокрема, епітаксійні структури, виготовлені на кремній-германієвій основі, знаходять широке застосування у промисловому виробництві мікро- та оптоелектронних приладів від транзисторів до фотодетекторів інфрачервоного випромінювання. Це пов'язано із широким спектром оптичних та електрофізичих властивостей таких сполук. Водночас значна невідповіднiсть граток германію та кремнію (~4,2 %) призводить до труднощів у виготовленні високоякісних епітаксійних структур. Виникаючi при цьому деформації можуть бути зменшенi в процесі наступних технологічних обробок. При цьому, ступінь релаксації деформацій та концентрація дефектів є важливими фізичними характеристиками епітаксійних структур.

Наявність пружних деформацій, на перший погляд, не призводить до виникнення паразитних струмів витікання, що обумовлені генерацією та рекомбінацією носіїв, як у випадку присутності дислокацій. Проте, при проведенні подальших високотемпературних технологічних процесів, надлишкові напруги сприяють зародженню дефектів. Тому виникає необхідність керування величиною деформації епітаксійного шару в залежності від подальшого застосування гетероструктур. Одним із методів, який застосовується для цього, є введення в плівку Si-Ge домішки вуглецю, яка завдяки малому ковалентному радіусу при вбудовуванні у вузли кристалічної гратки може призводити до релаксації механічних напружень в плівці. При цьому вуглець може вводитись прямо в процесі осадження плівки або після виготовлення за допомогою йонної імплантації. В деяких випадках імплантують такі елементи, як водень, миш'як та азот. Усі вказані методи здатні понижувати рівень механічних напружень, котрі виникають внаслідок невідповідності параметрiв граток. Проте, головний недолік їх в тому, що при імплантації утворюються точкові дефекти або їх кластери. Суттєвого зменшення концентрацiї таких дефектів можна добитися проведенням послідуючих термiчних відпалiв. Водночас, при проведенні імплантації слід уникати неконтрольованої появи нових хімічних утворень, яких неможливо позбутись в результаті відпалу.

Отже, з'ясування впливу комбiнованих видів обробок - легування вуглецем, імплантація йонами різної хімічної активності та швидкого термічного відпалу – на фізичні властивості кремній-германієвих епітаксійних структур, а саме — на рівень відносних деформацій i процеси дефектоутворення при ростi гетероепітаксійних структур, є актуальною i важливою проблемою сучасної фізики твердого тіла і напівпровідникового матеріалознавства, а встановлення механізмів і процесів, які при цьому відбуваються, дасть змогу отримувати гетероструктури необхідної стехіометрії з керованими електрофізичними та оптичними параметрами.

Досить перспективними матеріалами для виготовлення оптичних приладів, що працюють в інфрачервоній області спектру, є тонкі плівки Cd-Hg-Se. Використання таких плівок в якості детекторів інфрачервоного випромінювання пов'язано, в першу чергу, із великим квантовим виходом. Найбільш ефективним способом обробки, що застосовується для структурної модифікації таких плівок, є імпульсне лазерне опромінення. Така обробка дозволяє значно підвищити коефіцієнт пропускання плівок в інфрачервоній області спектру. Дослідження причин та механізмів виникнення даного явища – важливий і перспективний напрямок практичного застосування багатокомпонентних багатоплівкових об'єктів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження, результати яких представлені в дисертації, виконані у відповідності до програми наукової тематики кафедри фізики твердого тіла Чернівецького національного університету в рамках наступних тем:“

Рентгенодифракційні дослідження структури і границь розділу напівпровідникових кристалів” (проект Ф4/197-97 );“Розробка рентгенодифракційних методів та дослідження структури реальних кристалів” (проект ДФФД України 2.4/551).

Об'єкт дослідження: тонкі плівки Si1-xGex, Si-Ge-C різної товщини та з різною концентрацією германію і вуглецю та тонкi плiвки Cd0.25Hg0.75Sе.

Предмет дослідження: способи та методи ефективного впливу на величину механічних деформацій і процесів дефектоутворення при рості гетероепітаксійних структур; механізми та процеси модифікації структурних, оптичних та електрофізичних властивостей тонких плівок Si1-xGex, Si-Ge-C та Cd0.25Hg0.75Sе.

Мета роботи – встановлення фізичних механізмів та з'ясування процесів, що відбуваються в тонких багатокомпонентних плівках Si-Ge, Si-Ge-C, Cd-Hg-Se, модифікованих йонно-імплантаційними, термічними та лазерними обробками.

В роботі розв'язувалися наступні завдання:

1. Встановлення впливу імплантації йонів різного типу на механізми релаксації та рівень пружних деформацій в плівках Si-Ge на Si-підкладці.

2. Визначення оптимальних режимів температурних обробок та дослідження механізмів зміни оптичних, механічних та електрофiзичних властивостей тонких плівок Si-Ge пiсля йонної iмплантацiї.

3. Дослідження впливу температури підкладки на структуру шарів Si-Ge при проведенні йонного легування .

4. Визначення оптимальних режимів та дослідження механізмів формування тонких плівок Cd0.25Hg0.75Se осаджених методом лазерного розпилення в умовах високого статичного вакууму.

5. Дослідження впливу імпульсного лазерного випромінювання на структуру тонких плівок Cd0.25Hg0.75Se.

Для досягнення поставленої мети використано наступнi методи:

·

· двокристальної рентгенiвської спектрометрії в бездисперсiйнiй схемі (ДКС);

· рентгенiвської однокристальної топографiї (методи Берг-Барета та Бормана);

· масс-спектроскопії вторинних йонів;

· електронографії;

· селективного травлення та металографії.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1. За спектрами комбінаційного розсіяння встановлено суттєві структурнi відмінності в кремнієвих зразках пiсля імплантації йонів Ge+ при кімнатній температурі та 600° С. Вказанi змiни пояснюються активiзацiєю процесiв взаємодії дислокацiй та точкових дефектів під час імплантації при температурі 600 °С.

2. Вперше виявлено наявність частково аморфізованого шару кремнію товщиною ~ 4 нм на границі розділу в епітаксійних структурах Si-Ge-підкладка Si , виготовлених методом плазмохімічного осадження.

3. Встановлено, що введення вуглецю в процесі йонної імплантації більш ефективно компенсує деформацію невідповідності гратки в порівнянні з вуглецем, введеним методом плазмохімічного осадження, що обумовлено більш ефективним вбудовуванням атомів вуглецю в гратку епітаксійної плівки, а також генерацією точкових дефектів.

4. Встановлено залежність структури тонких плівок Cd0.25Hg0.75Se від температури підкладки. Показано, що оптимальною температурою синтезу плівок є Т=120 °С, при якій утворюються плівки, що мають текстуровану полікристалічну структуру.

5. Виявлено, що концентрація і стан власних дефектів в тонких плівках Cd0.25Hg0.75Se змінюється внаслідок руху тих дислокацій, орієнтація векторів Бюргерса яких близька до напрямку дії лазерного випромінювання.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1) за результами дослiджень стає можливим прогнозування, оптимізування i отримування Si-Ge плівки з контрольованими оптичними і структурними властивостями; 2) зменшення рівня внутрішніх напружень в плівках Si-Ge за допомогою введення вуглецю має практичне значення для промислового виготовлення швидкодіючих напівпровідникових приладів; 3) запропонований метод підвищення оптичного пропускання твердих розчинів Cd0.25Hg0.75Se за рахунок обробки імпульсним лазерним випромінюванням може бути використаний для виробництва інфрачервоних фільтрів з покращеними характеристиками.

Особистий внесок автора.

Дисертаційна робота є узагальненням досліджень, виконаних автором у співдружності з колегами по роботі. До особистого внеску автора відноситься: проведення аналізу і класифікації літературних джерел [2, 6-11], інтерпретація наукових результатів [1,3,6-11], приготування зразків для досліджень [1,3,4,5], проведення ренгеноструктурних дослiджень [4] та КРС вимірювань [5], проведення математичної обробки отриманих результатів [4,5]. Автор приймав участь в обговореннi та написанні всіх наукових праць.

Апробація роботи: Результати досліджень, що становлять основу дисертації, доповідались і обговорювались на таких наукових конференціях і нарадах: II Міжнародна школа-конференція з фізичних проблем матеріалознавства напівпровідників,1997,Чернівці (Україна); International Conference X-TOP-98, Durham, UK, 1998; Международная конференция, посвященная методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике, 1999, Черновцы (Україна); 3d International school-conference on PPMSS, 1999, Чернівці (Україна); Вторая национальная конференция РСНЭ-99, 1999, Москва (Россия); The fourth International Conference on Correlation optics, 1999, Чернівці (Україна), The VII International conference of physics and technology of thin films (ICPTTF-VII) ,1999, Івано-Франківськ (Україна); Міжнародна конференція “MRS Fall Meeting 2000”, Бостон (USA), 2000 рік.

Результати роботи також доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри фізики твердого тіла Чернівецького національного університету та науковому семінарі відділення фізики поверхні та мікроелектроніки Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Публікації: Основні результати дисертації опубліковані в 11 наукових публiкаціях, серед яких 5 статей в наукових журналах, 6 тезів конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів та висновків. Дисертацію викладено на 125 сторінках машинописного тексту, включаючи 24 рисунки. Список цитованої літератури складається з 125 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі дана загальна характеристика роботи, обгрунтована актуальність теми, сформульована мета досліджень, викладені основні наукові задачі, розв'язанню яких присвячена робота, наводяться відомості про практичне значення отриманих результатів та їх апробацію.

В першому розділі зроблено огляд праць за темою дисертацiї, де розглянутi моделі росту тонких бінарних плівок на основі елементів з однаковим типом структури і з вiдносно невеликими параметрами невідповідності граток.

Наведено класифікацію та короткий огляд основних на даний час теорій рiвноважного росту тонких плівок (Ван де Мерве, Маттеуса та Блекслі) та нерівноважні моделі формування тонких плівок (модель пластичної релаксації Додсона-Цао). Проведено аналiз можливих сфер застосування епітаксійних структур на кремній-германієвій основі у сучасному наноелектронному виробництві. Відзначається, що використання структур Si-Ge обумовлено наступними факторами: можливістю підбору концентрації германію таким чином, що утворена структура має певний діапазон пропускання в оптичному спектрі; можливістю керувати електрофізичними параметрами епітаксійної плівки за рахунок зміни величини деформації гратки плівки шляхом йонної імплантації та термічного відпалу. Внаслідок цього виникає необхідність дослідження впливу йонної імплантації на механічні властивості епітаксійних плівок.

Проведено також аналіз отримання, обробки та застосування тонких плівок кристалічних з'єднань Cd-Hg-Se в інфрачервоній техніці.

На основі аналізу літературних джерел виявлено ряд проблем, які були недостатньо дослідженими і обгрунтовано необхідність проведення досліджень в даному напрямку.

В другому розділі описана методика експерименту та обладнання, за допомогою яких проводилися дослідження спектрів комбінаційного розсіяння світла. Представленi результати досліджень визначення рівня деформацій невідповідності в епітаксійних плівках Si1-xGex, отриманих методом плазмохімічного осадження та методом формування прихованого шару за допомогою імплантації йонів германію. Частина зразків, легованих вуглецем в процесі виготовлення методом плазмохімічного осадження, мала ступінчатий профіль концентрації вуглецю з товщиною, коли рівень легування змінювався від 0 до 2 ат.%. Шляхом порівняння зсувів відповідних смуг в спектрах КРС для нелегованих (рис. 1) та легованих (рис. 2) зразків встановлено, що домішка вуглецю знижує рівень деформацій гратки в системі Si-Ge.

Так, для нелегованих вуглецем зразків SixGe1-x-Si при товщині епітаксійної плівки 700 нм та х=0,19, які не були леговані вуглецем, відносна зміна періоду гратки становила е = – 0,000243, тоді як, для легованих зразків такої ж товщини та з такою ж концентрацією германію, але легованих вуглецем е = - 0,000221. Тобто, в результаті легування вуглецем, яке проводилося в процесі плазмохімічного осадження, рівень деформацій зменшився приблизно на 10% .

Рис.1. Спектри КРС нелегованих Рис.2. Спектри КРС зразків,

зразків. легованих вуглецем

Досліджено вплив термiчного відпалу на властивості прихованих шарів SiGe у кремнієвiй підкладцi КДБ-10, отриманих за допомогою імплантації йонів Ge+ з енергією Е=100 кеВ та дозою 6Ч1016 см-2. Температура зразків під час імплантації складала 20є С та 600є С. Імплантовані зразки на протязі 20 хвилин відпалювались при температурі Т=1000є С в атмосфері азоту. За допомогою розрахунків методом Монте-Карло (з використанням програми TRIM-98) для йонів Ge+, імплантованих з енергією 100 кеВ в пластину кремнію, визначенi середній проекційний пробіг йонiв Rp=62 нм і їх середньоквадратичне відхилення ДRp=22 нм. Концентрація атомів N германiю, що імплантувалися в шар Si визначалась згідно з спiввiдношенням:

, (1)

де D – доза імплантації, ДRp – середньоквадратичне відхилення імплантованих йонів. Для даного випадку середнє значення концентрації Ge в області його розподілу відповідає величині х=0,17. При високотемпературному відпалі в атмосфері азоту профіль імплантованих атомів германію дещо розширюється за рахунок дифузії, тому х =0,15. Для таких зразків на рис.3 зображено спектри комбінаційного розсіяння до відпалу. Для зразка, імплантованого германiєм при кімнатній температурі, в спектрі комбінаційного розсіяння виявляється широка смуга з максимумом ~470 см-1 (рис.3, крива 2), що відповідає розсіянню на оптичних фононах аморфного

кремнію, і смуга з максимумом iнтенсивностi при w=519,6 см-1 – розсіяння на довгохвильових оптичних фононах кристалічної фази кремнію. Водночас для зразка, імплантованого при Тпід.=600 єС, виявляється лише одна асиметрична смуга з максимумом iнтенсивностi при n=522 см-1, що відповідає кристалічній фазі Si. Така відмінність в спектрах 1 та 2 на рис.3 обумовлена тим, що при імплантації іонів Ge+ в пластину Si при температурі 600 єС значна кількість утворених дефектів відпалюється безпосередньо під час імплантації. Проте, навіть при Тпідк.=600 єС смуга розсіяння має досить велику напівширину і асиметричну форму, що свідчить про неоднорідність зондованого шару та наявність в ньому дефектів.

Додатковий відпал при Т=1000 °С на протязі 20 хвилин імплантованих при різних температурах зразків не вніс суттєвих змін в спектри КРС. Середнє значення величини відносної зміни періоду гратки е(x) для вiдомого х та перiоду гратки а було оцiнене за допомогою спiввiдношення:

(2)

Iз спiввiдношення

, (3)

отримано значення частоти фононної моди для Si-Si коливань wSi-Si=515,9 см-1, яке співпадає з експериментально знайденим для імплантованих та додатково відпалених зразків. Отже, наведенi розрахунки показують, що величина відносної зміни періоду гратки прихованого шару Si1-xGex співпадає з відносною зміною параметру гратки для плівок докритичної товщини. Iз цього слiдує, що в результаті відпалу зменшилась концентрація дефектів, які з'явились внаслідок йонної імплантації.

В третьому розділі наведено результати дослідженнь впливу імплантації йонів кисню (енергія імплантації Е=20 кЕв, доза імплантації D=3Ч1015 см-2), вуглецю (енергія імплантації Е=20 кЕв, доза імплантації D=3Ч1015 см-2) та комбінованої імплантації йономи кисню та вуглецю (ЕО+=25 кЕв, ЕС+=20 кЕв, DО+ =3Ч1015 см-2, DС+ =3Ч1015 см-2) на структурнi змiни в S1-xGex плівках, отриманих методом плазмохімічного осадження.

На рис.4 (d - товщина зразка) показано, що профілі розподілу імплантованих йонів О+ та С+ майже співпадають, а їх максимуми знаходяться на відстані 200 Е від границі плівка-підкладка.

На рис.5 наведені спектри комбінаційного розсіяння світла у високочастотній області для вихідних зразків та для зразків після імплантації та додаткового відпалу при Т=900 °С на протязі t=20 хвилин. Аналiз спектрiв за допомогою спiввiдношень (2) i (3) дає можливість стверджувати, що імплантація йонами кисню призводить до виникнення додаткових стискуючих напруг. Разом з тим імплантація йонами вуглецю призводить до релаксації такого роду напруг. До імплантації величина відносної зміни періоду гратки склала е= -0,000142, після імплантації е=-0,000127. Отже, рівень деформацій зменшився на 15%.

Порівняння спектрів для зразків, легованих вуглецем шляхом йонної імплантації після їх виготовлення та зразкiв, легованих вуглецем в процесі плазмохімічного осадження, дає змогу стверджувати, що для перших деформації в епітаксійному шарі компенсуються більш ефективно, нiж для других.

Одночасна імплантація йонів кисню та вуглецю призвела до зміщення смуги спектру КРС від кремнієвої підкладки у високочастотну область, що свідчить про переважний вплив імплантованих йонів вуглецю (при даному співвідношенні доз).

Для оцінки величини механічних деформацій в кремній-германієвих гетероструктурах використано двокристальний спектрометр ДКС та методи топографiї в рiзних геометрiях дифракцiї на проходження та вiдбивання.

Аналiз кривих гойдання, отриманих в бездисперсiйнiй схемi ДКС на вiдбиваннi (004) CuKa випромiнювання, дає можливість виявити частково аморфізований шар (ступінь його розупорядкування L~0,7, де L - статфактор Дебая -Валера) кремнію товщиною ~4 нм, утворений під час плазмохімічного осадження. Товщину аморфізованого шару та ступiнь аморфізації визначали шляхом співставлення теоретичних кривих гойдання, отриманих шляхом чисельного розв'язку рівнянь Топена, з експериментальними. За основу взято модель тонкого поверхневого шару з лінійним наближенням спотворення гратки на напівнескінченному ідеальному кристалі.

Слiд вiдзначити співпадання середньої величини відносної зміни періоду гратки в епітаксійних SiGe плівках, яка визначалась різними методами.

В четвертому розділі наведенi результати електрофiзичних досліджень тонких плівок Cd0.25Hg0.75Se та вплив на їх структуру імпульсного лазерного випромінювання. Виготовлення плівок проводилося на підкладках зі скла, сколів NaCl та слюди марки СТА в запаяних скляних ампулах, в яких попередньо розміщувалась титанова пластина, випаровуваний матеріал та підкладка. Нанесення плівок відбувалось шляхом розпилення випаровуваного матеріалу імпульсним лазером Nd-Ar “Квант-12”. Ампули попередньо відкачувались до тиску 10-5-10-6 мм рт.ст., подальше пониження тиску в ампулі проводилось шляхом розпилення титанової пластини. В результаті поглинання активних газів плівкою титану тиск в ампулі понижується до 10-7-10-8 мм рт.ст. Температура підкладки задавалася за допомогою зовнішньої пічки з резистивним підігрівом. Товщина плівок вимірювалась інтерферометром МІІ-11 і складала порядка 1000 Е.

Для дослідження структури плівок Cd0.25Hg0.75Se використовувалась дифракція швидких електронів у геометрії на проходження. На рис.6 представлено електронограми плівок, вирощених при різних температурах підкладки.

а б в

Рис.6. Електронограми плівок Cd0.25Hg0.75Se, отриманих при різних температурах підкладки: а – 900С; б – 1100С; в – 1200С.

З аналізу електронограм, отриманих при прискорюючій напрузі 60 кеВ, слідує, що плівки, отримані при температурах підкладки до 90 °С є полікристалічними з включеннями аморфної фази (рис.6а). Ця аморфна фаза практично відсутня при підвищенні температури підкладки до 110°С (рис.6б). При температурі підкладки 120°С, плівки стають текстурованими (рис.6в).

Для отриманих плівок було проведено вимірювання явищ переносу (коефіцієнт Холла). Максимальне значення коефіцієнт Холла досягає при температурі підкладки 120 °С, при подальшому підвищенні температури підкладки його значення понижується. Ріст постійної Хола пояснюється тим, що з підвищенням температури підкладки збільшуються розміри монокристалічних зерен в плівці і зростає ступінь впорядкування кристалітів. Це, в свою чергу, призводить до зниження концентрації носіїв струму. Подальше зменшення постійної Холла може бути пов'язано із перевипаровуванням ртуті, що призводить до порушення стехіометрії плівок. Отже, температура підкладки 120 °С є оптимальною для вирощування плівок Cd0.25Hg0.75Se.

Отримані плівки оброблялись імпульсним лазерним випромінюванням з такими параметрами: тривалiсть iмпульсу tімп=1,5 мс, частота vімп=30 Гц, кiлькiсть n=10000 імп, потужнicть Рімп=5,6 Вт/см2.

Вивчення морфології поверхні за фігурами травлення зразків проводилось до і після обробки імпульсним лазерним випромінюванням. Процес селективного травлення відбувався при кімнатній температурі протягом 45с у селективному травнику такого складу:

HNO3: HСl:H2O:СH3СOOH: Br=1:1:1:0,1:0,015.

Густина дислокацій визначалась шляхом підраховування кількості (про площі) ямок травлення по площі у полі зору металографічного мікроскопу ММР-2Р. Концентрація ямок по поверхні досліджуваних зразків знаходилась у межах (1,6ч2,4)Ч103 см-2. Середня густина фігур травлення становила 1,8Ч103 см-2.

Проведення металографічних досліджень після опромінення зразка виявило нерiвномiрний розподіл ямок травлення по поверхні при середнiй їх густинi порядка 0,6Ч103 см-2. При цьому спостерігалися області, вільні від ямок травлення, а також окремi ділянки із скупченнями характерних фігур травлення значних розмірів. Така картина трансформацiй на поверхнi обумовлена, очевидно, переміщенням дислокацій по кристалографічним площинам ковзання та виходом їх на границі зерен. Внаслідок цього зменшеншуються напруги в середині блоків, про що свідчить змiна контрасту блоків та границь між ними на рентгенiвських топограмах (рис. 7б).

а б

Рис.7. Селективно травлена поверхня Cd0,25Hg0,75Se до (а) і після (б) лазерного опромінення (ґ130).

Механізм даного явища пов'язаний з нелiнiйними процесами на поверхнi, що вiдбуваються під час дії лазерного імпульсу. Розподiл температури за товщиною приповерхневих шарів умовно ділиться на три зони: перша зона високих температур з незначним градієнтом (Тmax, dT/dx”0), друга зона середніх температур і великих градієнтів (Tcp,”max), третя зона характеризується низькими температурами і малими градієнтами (Tmin, dT/dx”min). При зростанні густини енергії лазерного імпульсу відбувається зменшення величини першої зони і збільшення другої на фоні загального росту температури в матеріалі. Тому, в кристалі при певних рівнях випромінювання формується енергія активації термопружної хвилі, яка стає достатньою для руху дислокацій за тими кристалографічними площинами, орієнтація яких найближча до напрямку дії опромінення. Це дає змогу реалізувати, на відміну від традиційного термічного відпалу, кероване покращення структурної досконалості кристалу як за рахунок анігіляції окремих дислокацій, так і виходу їх на границі зерен.

У висновках викладені основні наукові результати, отримані в дисертації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ.

1. Досліджено структуру шарів SiGe, сформованих імплантацією йонів Ge+ в кремній при різних температурах підкладки. Для зразків, імплантованих при кімнатних температурах, в спектрах КРС виявлена широка смуга, яка відповідає аморфному кремнію і смуга, що відповідає розсіянню на довгохвильових оптичних фононах кристалічної фази кремнію. Для зразкiв, імплантованих йонами Ge+ при температурі 600 оС, проявляється лише одна асиметрична смуга, що відповідає кристалічній фазi Si. Така відмінність в спектрах розсiяння пояснюється тим, що пiд час імплантації йонів Ge+ в пластину Si при температурі 600оС значна кількість дефектів, яка утворюється, анiгiлює. Проте, навіть при такiй температурi смуга розсіяння має досить велику напівширину та асиметричну форму. Це свідчить про неоднорідність шару та наявність в ньому значної кiлькостi дефектів.

2. Встановлено, що відпал структур SiGe, сформованих імплантацією Ge, при температурі 1000 °С на протязі 20 хвилин приводить до частотного зсуву смуги Si-Si, що обумовлено відпалом дефектів та пластичною деформацією в структурах.

3. Методом високороздільної рентгенівської дифрактометрії та топографiї досліджено епітаксійні структури Si1-xGex, виготовлені методом плазмохімічного осадження. Для таких зразків вперше виявлено наявність частково аморфізованого шару кремнію товщиною ~4 нм.

4. Визначено величину пружних деформацій для Si1-xGex епітаксійних структур товщиною 700 Е з х=0,19 при легуваннi вуглецем методами плазмохімічного осадження та йонної імплантації методом спектроскопії комбінаційного розсіяння світла.

Вперше встановлено, що введенням вуглецю в процесі йонного легування деформація невідповідності на границi роздiлу епiтаксiйної структури компенсується більш ефективно, нiж при введенні вуглецю в процесі плазмохімічного осадження.

5. Методом лазерного розпилювання в умовах високого вакууму виготовлено тонкi плівки Cd0.25Hg0.75Se. Встановлено залежність структури плівок від температури підкладки. Виявлено, що при температурі підкладки в 120 °С плівки стають текстурованими (збільшуються розміри окремих кристалічних зерен в плівці та зростає ступінь впорядкування кристалітів). При подальшому підвищенні температури відбувається порушення стехіометрії плівок, що пов'язано з перевипаровуванням ртуті.

6. Дослiджено вплив імпульсного лазерного випромінювання на структуру тонких плівок Cd0.25Hg0.75Se, отриманих методом лазерного розпилювання в умовах високого статичного вакууму. Пiд дiєю температурних градiєнтiв концентрація і стан власних дефектів кристалів змінюються внаслідок руху дислокацій за тими кристалографiчними напрямками, орієнтація векторів Бюргерса яких близька до напрямку дії лазерного випромінювання. За даними методів селективного травлення та рентгенівської топографії показано, що в середині кристалічних блоків плівки напруги зменшуються. На відміну від традиційного термічного відпалу, лазерна обробка дає змогу реалізувати кероване покращення структурної досконалості кристалу як за рахунок анігіляції окремих дислокацій, так і виходу їх на границі зерен.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Фодчук І.М., Нічий С.В., Романюк О.С., Політанський Р.Л., Колесникова О.О. Структурні зміни в кристалах CdxHg1-xSe, обумовлені дією лазерного випромінювання // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика.-1998.- в.30. -С. 109-113.

2. Політанський Р.Л. Гетероепітаксійні системи Ge1-xSix // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. - 1998. - в.32. - С.52-57.

3. Грицюк Б.Н., Фодчук И.М., Ничий С.В., Паранчич Ю.С., Политанский Р.Л. Выращивание пленок Сd0.25Hg0.75Se методом лазерного испарения в условиях статического вакуума // Semiconductor quantum and optoelectronics. – 2001 – 1. C. 38-45.

4. Раранський М.Д.,Фодчук І.М., Політанський Р.Л., Мельник В.П., Юхимчук В.О. Дослідження структур SixGe1-xSi, модифікованих імплантацією іонів вуглецю та кисню // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика.-2001.- в.102. -С. 52-56.

5. Кладько В.П., Клюй М.І., Політанський Р.Л. Дослідження параметрів структурної досконалості надтонких епітаксійних шарів Si-Ge методом високороздільної рентгенівської дифрактометрії // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика.-2001.- в.112. -С. 49-51.

6. I.Fodchuk., M.Raransky, S.Novikov, O.Gimchinsky, O.Korovjanko, R.Politansky. X-ray and Topografic Features of Microdefect's Images Formation in Si // International Conference: X-TOP 98. – Durham( UK). - 1998. - P.53.

7. Фодчук И.М., Раранский А.Н., Баловсяк С.В., Политанский Р.Л., Литвинчук И.В., Ткач О.А. Рентгенодифракционные исследования кристаллов и многослойных структур с квантовыми ямами // Международная конференция, посвященная методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике. – Черновцы (Украина). - 1999. – С.45.

8. Fodchuk I.M., Raransky A.M., Balovsyak C.V., Politansky R.L., Godovaniouk V.M., Lytvynchuk I.V. X-ray reflectometry of crystal surface and multiple-layer structures // 3d International school-conference on PPMSS.- Chernivtsi ( Ukraine). - 1999. – P.35.

9. Фодчук И.М., Раранский Н.Д., Новиков С.Н., Мармус П.Е., Политанский Р.Л. Рентгенотопографические особенности формирования изображений микродефектов в Si // Вторая национальная конференция РСНЭ-99. – Москва (Россия). - 1999. – С.260.

10. Fodchuk I.M., Raransky A.M., Balavsyak S.V., Kshevetska M.L., Politansky R.L. Research of crystal surface by X-ray reflectometry method // The fourth International Conference on Correlation Optics. – Chernivtsi ( Ukraina). - 1999. – P.55.

11. Фодчук И.М., Раранский А.М., Балавсяк С.В, Политанский Р.Л., Литвинчук И.В. Рентгенодифракционные исследование кристаллов и многослойных структур с квантовыми ямами // The VII International conference of physics and technology of thin films (ICPTTF-VII). - Івано-Франківськ (Україна). – 1999. – С.240.

АНОТАЦІЯ

ПОЛІТАНСЬКИЙ Р.Л. “Структурні та оптичні властивості гетероепітаксійних та багатокомпонентних тонких плівок, модифікованих активними обробками”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. – Чернівецький національний університет. Чернівці, 2001 р.

В дисертації досліджено властивості тонких багатокомпонентних плівок: епітаксійних плівок SiGe, Si-Ge-С, отриманих методом плазмохімічного осадження; структур, сформованих імплантацією іонів Ge+ в кремній з подальшим постімплантаційним відпалом; шарів Cd-Hg-Se, отриманих методом лазерного розпилення в умовах високого статичного вакууму, та вплив на них різних видів обробок. Показано, що введення вуглецю в процесі йонної імплантації більш ефективно впливає на рівень механічних напружень в епітаксійних структурах Si-Ge, ніж легування під час плазмохімічного осадження. Методом високороздільної двокристальної рентгенівської дифрактометрії вперше виявлено аморфізований шар на границі розділу епітаксійна плівка Si-Ge, отримана методом плазмохімічного осадження – підкладка Si. Досліджено вплив температури підкладки на структуру плівок Cd-Hg-Se, виготовлених методом лазерного розпилення. На основі даних про температурну залежність коефіцієнту Хола запропоновано модель, яка пояснює структурні зміни в плівках.

Ключові слова: епітаксійні Si-Ge плівки, тонкі плівки Cd-Hg-Se, йонна імплантація, лазерне розпилювання, високороздільна рентгенівська дифрактометрія.

ABSTRACT

politanskii R.L. “Structural and optical properties of heteroepitaxial and composite thin films modified by treatments of different types”. - Typescript. Candidate Phys.-Math. Sciences Thesis (speciality 01.04.07 - solid state physics). Chernivtsy national univercity, Chernivtsy, 2001.

In the work properties of Si-Ge-С epi-layers, prepared by chemical vapour deposition and Ge+ ion implantation, and thin films Cd-Hg-Se, prepared by lazer sputtering in ultra-high vacuum, as well as mechanisms of the film modification under action of different treatments were studied. For the first time difference in raman spectra was revealed for patterns, prepared by Ge+ ion implantation under 600 °C and room temperature. For the first time an amorphous layer have been detected in SiGe epi-layers by means of high-resolution x-ray diffractometry (for films, prepared by CVD). It is based on conception of ultrasound induced diffusion of point imperfection and their interaction. The influence of substrate temperature on Cd-Hg-Se thin films structure has been examined. The mechanism , based on Hall factor dependence from temperature, has been developed for explaining of structure changes in Cd0.25Hg0.75Se. Practical application of the results obtained have been demonstrated. Naimly, on the assumption of redusing misfit stresses in SiGe epi-layers the preferance of ion carbon implantation was established befor doping of carbon during CVD .

Key words: SiGe epi-layers, Cd-Hg-Se thin films, ion implantation, lazer sputtering, high-resolution x-ray diffractometry, raman spectoscopy.

АННОТАЦИЯ

Политанский Р.Л. “Структурные и оптические свойства гетероэпитаксиальных и многокомпонентных тонких пленок, модифицированных активными обработками”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. – Черновицкий национальный университет, Черновцы, 2001 г.

В диссертации исследованы свойства тонких многокомпонентных пленок: эпитаксиальных слоев Si-Ge-С, изготовленных методом плазмохимического осаждения, а также методом имплантации ионов Ge+ в кремниевую пластину, и слоев Cd-Hg-Se, изготовленных методом лазерного распыления в условиях высокого статического вакуума, рассматривалось также влияние на них различных видов обработок. Используя связь между величиной относительного искажения периода решетки и частотного сдвига основных мод в спектрах КРС для эпитаксиальных слоев Si-Ge с концентрацией германия x, находящейся в области 0<x<0,3, удалось определить, что примесь углерода, введенная в эпитаксиальные слои Si-Ge при помощи ионной имплантации приводит к компенсации уровня деформации периода решетки на 15%. В то же время примесь углерода, введенная в процессе плазмохимического осаждения уменьшает уровень относительной деформации периода решетки на 10%. Обнаружено отличие спектров комбинационного рассеяния света для образцов, образованных с помощью имплантации ионов Ge+ при температуре 600 оС и при комнатной температуре. В спектрах образцов, имплантированных при 600 °С, обнаружена полоса, соответствующая аморфному кремнию, а в образцах, имплантированных при комнатной температуре, такой полосы не обнаружено, что объясняется аннигиляцией дефектов во время проведения процесса имплантации при высокой температуре. Методом высокоразрешающей двухкристальной рентгеновской диффрактометрии были получены кривые качания для тонких эпитаксиальных слоев Si-Ge. Сравнение кривых качания, полученных из эксперимента и с использованием методов численного решения уравнений Топена в приближении линейно искаженного тонкого слоя на полубесконечном идеальном кристалле, впервые обнаружен аморфизированный слой на границе раздела в эпитаксиальных слоях Si-Ge, изготовленных методом плазмохимического осаждения толщиной 4 нм (параметр разупорядочения слоя – L=0,7, где L – статический фактор Дебая-Валлера). С помощью дифрактограмм быстрых электронов исследовано влияние температуры подложки на структуру пленок Cd-Hg-Se, изготовленных методом лазерного распыления в условиях высокого статического вакуума. На основании данных о температурной зависимости коэффициента Холла предложена модель, которая объясняет такие структурные изменения. Продемонстрирована практическая значимость полученных результатов: показано, что введение углерода в процессе ионной имплантации более эффективно влияет на снижение механических напряжений в эпитаксиальных пленках Si-Ge, чем легирование во время плазмохимического осаждения.

Ключевые слова: эпитаксиальные пленки Si-Ge, тонкие пленки Cd-Hg-Se, ионная имплантация, лазерное распыление, высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия.