Автореферат докторской диссертации (Оптическая спектроскопия колебательных и электронных состояний полупроводниковых наноструктур кремния и асенида галлия), страница 2

Установлена корреляция особенностей в спектрах КР с наличием различных типовразупорядоченных структур (монокристалл с точечными дефектами, аморфная матрицас микрокристаллами, полностью аморфная фаза) возникающих при имплантациикремния и арсенида галлия ионами P+, Se+, Sb+, As+, B+, Si+, Ga+ в широком диапазонедоз (1011 – 1015 см-2) и энергий (50 -150 кэВ).52. Установлены закономерности изменения спектров КР имплантированных кристалловкремния, подвергнутых тепловому и лазерному отжигу в процессе электрическойактивации имплантированной примеси.3.

Обнаружены изменения плотности фононных состояний в кремнии, имплантированномс дозами, существенно превышающими порог аморфизации, проявляющиеся в спектрахКР в виде перераспределения интенсивностей ТО-ТА компонент.4. Обнаружены особенности КР в ионно-имплантированных монокристаллах n-GaAs,подвергнутых термическому отжигу, вызванные рассеянием на связанных фононплазмонных модах.5. Получены аналитические выражения для продольной диэлектрической функцииЛинхарда-Мермина, позволяющие описать КР на связанных фонон-плазмонных модах сучетом затухания Ландау и непараболичности зоны проводимоси n-GaAs.6. Установлены особенности КР в тройных соединениях n-InxGa1-xAs, обусловленныерассеянием на связанных фонон-плазмонных модах.

Характерным для связанных мод втройных соединениях является наличие промежуточной ветви L0 (между L+ и L-),которая не наблюдается в двойных соединениях. Показано, что в n-InxGa1-xAs вдиапазоне концентраций свободных носителей n~1017-1019 см-3 низкочастотные СФПМпопадают в область затухания Ландау.7. Обнаружено расщепление линий в спектрах ФО двойных квантовых ям GaAs/AlGaAs стуннельно-прозрачным барьером AlAs.8. Установлено, что в гетероструктурах на основе GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами имодулированным легированием барьеров, при концентрации легирующей примеси вбарьерах, превышающей 2·1018 см-3, происходит изменение типов межзонныхпереходов.9. Обнаружено увеличение энергии межзонных переходов в дельта-легированныхгетероструктурах GaAs при фотовозбуждении дельта слоя.Защищаемые положения1.При имплантации кремния и арсенида галлия ионами P+, Se+, Sb+, As+, B+, Si+, Ga+ вшироком диапазоне доз (1011 – 1015 см-2) и энергий (50 -150 кэВ) наблюдаетсятрансформацияспектраКР,соответствующаяналичиюразличныхтиповразупорядоченных структур (монокристалл с точечными дефектами, аморфная матрица с6нанокристаллами, полностью аморфная фаза).

Установлены зависимости степениаморфизации имплантированного слоя от дозы и типа ионов.2.Особенности, наблюдаемые в спектрах КР имплантированных кристаллов кремния,подвергнутых тепловому и лазерному отжигу, свидетельствуют о восстановлениикристаллической структуры имплантированного слоя и электрической активациипримеси.

Установлены пороговые значения плотности мощности лазерного излучения,необходимые для рекристаллизации.3.Перераспределение интенсивностей ТО-ТА компонент в спектрах КР аморфного кремниявблизи порога кристаллизации свидетельствуют об изменении структуры аморфной фазы.Указанные изменения носят общий характер и наблюдаются в a-Si при имплантации сдозами, превышающими порог аморфизации, при импульсном и непрерывном лазерномотжиге, а также в пленках a-Si при химическом осаждении паров (chemical vapordeposition – CVD) с помощью плазмы тлеющего разряда.4.Обнаруженные особенности КР в ионно-имплантированных монокристаллах n-GaAs,подвергнутых термическому отжигу, обусловлены рассеянием на связанных фононплазмонных модах.5.СпектрыКРнасвязанныхфонон-плазмонныхмодахвn-GaAsмогутбытьаппроксимированы с помощью предложенных аналитических выражений для продольнойдиэлектрической функции Линхарда-Мермина, учитывающей затухание Ландау инепараболичность зоны проводимости.6.В спектрах ФО двойных квантовых ям GaAs/AlGaAs с туннельно-прозрачнымибарьерами AlAs (толщиной 0.5-1.8 нм) наблюдается расщепление линий, возрастающее суменьшением толщины барьера.Практическая ценность результатов работы1.

Методики, предложенные в диссертации, могут быть использованы для бесконтактногонеразрушающего контроля оптических (ширина запрещенной зоны, энергии межзонныхпереходов),электрофизических(величинаипространственноераспределениевстроенных электрических полей, концентрация свободных носителей) и структурных(степень аморфизации, величина механической деформации, радиус трека) параметровполупроводниковых наноструктур на основе кремния и арсенида галлия.2.

Разработана и реализована схема разностной спектроскопии КР для планарныхполупроводниковых структур, чувствительность которой к малым изменениям вспектре более, чем на порядок превосходит чувствительность традиционной методики7КР с последовательной регистрацией спектров. На основе этой схемы разработаныметодики неразрушающего контроля таких технологически важных параметровкремния как доза имплантации (вплоть до 1011 см-2), механические напряжения (начинаяс 107 Н/м2), концентрация свободных носителей (начиная с 1019 см-3).3.

Установлены зависимости степени аморфизации имплантированного слоя и егоструктуры от дозы и типа ионов при имплантации кремния и арсенида галлия ионамиP+, Se+, Sb+, As+, B+, Si+, Ga+ в широком диапазоне доз (1011 – 1015 см-2) и энергий (50 150 кэВ), а также тепловые режимы и пороговые значения плотности мощностилазерного излучения, необходимые для рекристаллизации.4. На основе полученных результатов и предложенной теории КР на связанных фононплазмонных модах, разработана методика определения концентрация и подвижностиносителей n-GaAs и тройных соединений на его основе.

Совместное использованиеметодов спектроскопии КР и ФО позволяет бесконтактно определять концентрациюносителей в легированных слоях n-GaAs в диапазоне 1017 – 1020 см-3.Апробация работы.Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующихконференциях: ХIII International Conference on Raman Spectroscopy 1992, Wurzburg, Germany ,International Conference on Laser Surface Processing, Limoges, France, September 8-12, 1997, VIIIInternational Conference Solid Surfaces Hague, Netherlands 1992, International Workshop onModulation Spectroscopy of Semiconductor Structures, Wroclaw, 2004; на 20th General ConferenceCondensed Matter Division EPS, Prague, 2004; 13th European Molecular Beam Epitaxy Workshop,Grindenwald, 2005; международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью2005», г.

Звенигород, 2005 и др.Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 работ из них 32 работыопубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных вперечень ВАК, таких как Оптика и спектроскопия, ЖТФ, ФТТ, ФТП, Известия РАН, и др.Имеются также публикации в зарубежных изданиях: Proc. SPIE., Semicond. Scie. Technol., J. ofMolecular Structure, J. of Electron Spectroscopy and Related Phenomena и др.Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации результаты получены авторомлично или при его непосредственном участии.

Автор осуществлял выбор направлений ипостановку задач исследований, а также проведение экспериментов и анализ полученныхрезультатов исследований.8Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав,заключения и списка цитируемой литературы, включающего 176 ссылок, из них 47 ссылок наработы автора.

Работа изложена на 310 страницах, содержит 114 рисунков и 10 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обсуждается объект исследования и актуальность работы, развитиепредставлений о трансформации спектров КР и ФО при локализации колебательных иэлектронных состояний в полупроводниковых наноструктурах кремния и арсенида галлия,сформулированы цели, задачи, научная новизна полученных результатов и защищаемыеположения, а также дана краткая аннотация содержания отдельных глав.В первой главе приведены основы теории резонансного комбинационного рассеяния вполупроводниках, а также обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных КРв неупорядоченных средах, КР на связанных фонон-плазмонных модах в полярныхполупроводниках A3B5 и тройных соединениях на их основе. В конце первой главырассмотрены основы теории модуляционной спектроскопии электро и фотоотраженияполупроводниковых структур, проведен обзор теоретических и экспериментальных работ,посвященных различным методикам анализа спектров фотоотражения.Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок и методик.

Дляувеличения чувствительности к малым изменениям в спектре КР, использовался методразностной спектроскопии КР (РСКР) [1, 2], позволяющий существенно улучшитьчувствительность за счет одновременной регистрации спектров от контрольного иисследуемого образцов в различные каналы регистрации с их последующим вычитанием.Поскольку в этом случае измерения спектра КР проводятся при практически одинаковыхусловиях (положении решетки монохроматора, интенсивности возбуждающего излучения),малые изменения в спектрах, обусловленные различиями в технологии приготовленияобразцов, могут быть выявлены при вычитании спектров первого и второго каналов. УстановкаРСКР была реализована на базе автоматизированного одноканального КР спектрометра, вкотором использовался двойной монохроматор ДФС-12 и аргоновый ионный лазер мощностью100 мВт.