Когерентное и диффузное рассеяние рентгеновских лучей на планарных гетероструктурах

СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТФизический факультетНа правах рукописиКАЗАКОВ Дмитрий ВитальевичКОГЕРЕНТНОЕ И ДИФФУЗНОЕ РАССЕЯНИЕРЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ НА ПЛАНАРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСыктывкар 2007Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультетаСыктывкарского государственного университетаНаучный руководительдоктор физико-математических наук, профессор В. И. ПунеговОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,А. А. Ломовкандидат физико-математических наук,К.

Д. Щербачев;Ведущая организацияИнститут проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН200года вчасов на заседанииЗащита состоится “ “диссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственном университетеим. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ,.физический факультет, аудиторияС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим.

М. В. Ломоносова.Автореферат разослан “”Ученый секретарьдиссертационного совета К 501.001.02кандидат физико-математических наук200года.И. А. НиканороваАктуальность темыРазвитие современных полупроводниковых технологий ставит новые задачи перед современной физикой. Полупроводниковые приборы, размеры которых порядкананометров, требуют строгого анализа их атомно-кристаллической структуры. Физические свойства и дальнейшее применение приборов определяются качеством кристаллической структуры материалов и характером распределенных в их объеме дефектов.

Наиболее эффективным, неразрушающим и экспрессным способом исследования кристаллических гетероструктур, включая наноразмерные слои (квантовыеямы), является метод высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии в различных режимах съемки. Стремительное развитие методов высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и вступление в строй новых источников синхротронногоизлучения сопровождается активным развитием теорий дифракции рентгеновскихлучей на наноструктурах различной степени гетерогенности и упорядоченности. Поскольку самые передовые технологии не позволяют создавать структуры с идеальнойкристаллической решеткой, анализ дифракционной картинки требует учета когерентного и диффузного рассеяния.

Когерентный канал рассеяния определяется состоянием«средней» (напряженной) кристаллической решетки. Формирование диффузного полярассеяния происходит в результате взаимодействия рентгеновского излучения с дефектами кристаллической решетки, которые всегда присутствуют в реальных кристаллах.

Непосредственное взаимодействие рентгеновского излучения с веществомсопровождается различного рода вторичными процессами, при этом за выход вторичных процессов отвечают как когерентная, так и диффузная составляющие рентгеновского поля. Следовательно, угловое распределение коэффициента дифракционногоотражения и выход вторичных процессов содержат важную информацию о структурных характеристиках кристаллических нанобъектов.Цель работыЦель работы состоит в разработке общей теории дифракции на планарных многослойных системах с учетом когерентного и диффузного рассеяния, а именно:1.

Развитие статистической динамической теории выхода вторичных процессовв условиях когерентного и диффузного рассеяния рентгеновских лучей от многослойной среды. Сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальнымиизмерениями рентгеновской дифракции и выхода вторичных процессов от кристаллаInP, имплантированного ионами Fe+2. Развитие статистической теории дифракции от многослойных кристалловприменительно к методу высокоразрешающей трехкристальной схемы рентгеновскойдифракции. Использование разработанной теории для получения информации оструктурныххарактеристикахпланарныхмногослойныхсистемInGaN/GaN/AlN/Al2O3 и InP/InGaAsP/InP с квантовыми ямами.3. Построение кинематической теории дифракции от полупроводниковыхсверхрешеток сложного композиционного состава. Исследование когерентного идиффузного рассеяния от таких модулированных структур.

Использование результатов теории для сравнения с экспериментальными измерениями с целью полученияинформации о структурных характеристиках сверхрешеток сложного композиционного состава.Научная новизнаОсновные, существенно новые результаты диссертационной работы состоят вследующем:1. В рамках статистической теории получены выражения для углового распре-деления выхода вторичных процессов из градиентного (многослойного) кристалла,содержащего статистически распределенные дефекты. Показано, что кривые выходавторичных процессов чувствительны к наличию хаотически распределенных дефектов и малых искажений кристаллической решетки в тонких приповерхностных слояхградиентного кристалла. По экспериментальным данным двух-, трехкристальной дифрактометрии и выхода фотоэлектронов получены характеристики кристалла InP,имплантированного ионами Fe+.2.

В рамках статистического подхода впервые рассмотрена дифракция рентгеновских лучей на наноразмерных гетероструктурах с учетом когерентного и диффузного рассеяния. Получены аналитические выражения для угловых распределенийкогерентной и диффузной компонент рассеянной интенсивности рентгеновского излучения вблизи узла обратной решетки. Показано влияние напряжений и дефектов наугловые зависимости рассеянной интенсивности. Теория использована для исследования гетероструктур InGaN/GaN/AlN/Al2O3 и InP/InGaAsP/InP с ультратонкимислоями.

Сравнение экспериментальных данных и теоретических расчетов позволилополучить информацию о структуре многослойных систем.3. В рамках статистического подхода впервые получены выражения для угловых распределений когерентной и диффузной компонент интенсивности рассеяниярентгеновских лучей в обратном пространстве от сверхрешетки со сложным композиционным составом. Изучено влияние структурных параметров сверхрешетки на угловые зависимости интенсивности рассеяния.

Показана связь полученных выражений срешениями для двухкомпонентной сверхрешетки. Установлено, что дополнительнаяструктурная модуляция сверхрешетки приводит к изменению углового распределениякогерентной интенсивности рассеяния. Сравнением экспериментальных данных срезультатами численного моделирования угловых распределений интенсивности рассеяния рентгеновских лучей вблизи узла обратной решетки вычислены структурныепараметры сверхрешетки InSb/InGaSb/InSb/InAs.Научная и практическая значимостьПолученные результаты дают возможность развития теоретических и экспериментальных методов исследований структурного совершенства материалов современной микро-, нано- и оптоэлектроники.

Для практических целей могут быть использованы:• выражения для углового распределения выхода вторичных процессов в условиях динамической дифракции рентгеновских лучей для определения структурныхпараметров градиентных кристаллов;• аналитические выражения для углового распределения когерентной и диффузной составляющих рассеянной интенсивности рентгеновского излучения от гетероструктур с деформациями решетки и хаотически распределенными дефектами; решениядля углового распределения когерентной и диффузной составляющих интенсивностирассеяния рентгеновских лучей от сверхрешеток сложного композиционного составадля изучения их структурных характеристик.Защищаемые положения1.

Общие выражения для интенсивности когерентной и диффузной компонентвыхода вторичных процессов от градиентной кристаллической структуры с произвольным законом изменения межплоскостного расстояния.2. Аналитическое решение для углового распределения когерентной и диффузной составляющих интенсивности от гетероструктур применительно к трехосевойдифракции.3.

Аналитические выражения для углового распределения когерентной и диффузной составляющих интенсивности рассеяния рентгеновских лучей от сверхрешеток сложного композиционного состава.Апробация работыРезультаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: «Нелинейные проблемы механики и физики деформируемого тела»(Санкт-Петербург, 2004), РСНЭ-2003 (Москва, 2003), второй научный семинар с международным участием «Современные методы анализа дифракционных данных (топография, дифрактометрия, электронная микроскопия)» (Великий Новгород, 2004), третий международный научный семинар «Современные методы анализа дифракционных данных (топография, дифрактометрия, электронная микроскопия)» (ВеликийНовгород, 2006), «Рентгеновская оптика – 2004» (Нижний Новгород, 2004), РСНЭ2005 (Москва, 2005), ВНКСФ-10 (Москва, 2004).