Автореферат докторской диссертации (1097791), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Там же указываются энергетические границыформирования той или иной структурной фазы, а также глубины проникновения света ( l =488 нм) в аморфный и кристаллический кремний. Видно, что для более медленных ионов сэнергией Е = 50 кэВ критическое значение потерь энергии достигается уже на поверхности.Следовательно, от самой поверхности слой имеет аморфную структуру, и существует лишьодна граница раздела аморфной и кристаллической фаз. Глубина проникновения светадостаточна для зондирования не только аморфного слоя, но и нижележащего кристалла.Действительно, в спектре КР мы наблюдали (рис. 4-а) широкие аморфные полосы отприповерхностного слоя и узкий кристаллический пик от подложки.Для более быстрых ионов фосфора с энергией Е = 150 кэВ уровень энергетическихпотерь остается ниже критического вплоть до глубины 0.2 мкм, что обусловливает малоеразупорядочение в приповерхностной области.
Свет, проникая на глубину 0,1 мкм, зондируетименно эту область и не затрагивает максимально разупорядоченный слой, находящийся наглубине 0.2 – 0.3 мкм. Поэтому в спектре (рис. 4-b) отсутствуют полосы, соответствующиеаморфной фазе.В § 3.4 исследован вопрос приводит ли увеличение дозы имплантации свыше пороговойдозы аморфизации к дальнейшим изменениям структуры аморфизованного слоя, и можно липолучить информацию о таких изменениях из спектра КР.
Исследования такого рода непроводились для имплантированных образцов. Их проведение осложнено тем, что прибольших дозах имплантации наблюдается явление "самоотжига", то есть восстановлениекристаллической структуры в аморфном слое под действием тепла, выделяемого в процессе14имплантации. Для предотвращения "самоотжига" должны предприниматься специальныемеры: уменьшенние плотности ионного тока, термостатирование образца. Причем, чем меньшемасса имплантируемого иона, тем более существенную роль играет "самоотжиг".
Мыисследовали [8], серию образцов кремния, имплантированных тяжелыми (по сравнению скремнием) ионами сурьмы (М=121) с энергией Е=50 кэВ с превышающими порог аморфизациидозами от 6·1013 до 4·1016 см-2.Установлено,чторостдозыимплантацииприводиткперераспределениюинтенсивности полос в аморфном спектре: при неизменной интенсивности LA-пикаинтенсивность ТО-пика падает, а ТА-пика - возрастает.
Причем, соотношение интенсивностейТА-ТО пиков однозначно соответствует дозе имплантации. Одновременно с этим происходитуширение ТО-пика от 80 см-1 (D=6·1015 см-2) до 120 см-1 (D=4·1016 см-1), которое можнообъяснить увеличением среднеквадратичного значения угла отклонения тетраэдрическихсвязей Δθrms от значения, соответствующего идеальной тетраэдрической координации.Основываясь на полученной Биеманом [Beeman D., Tsu R., Thorpe M.F. Structural informationfrom the Raman spectrum of amorphous silicon. // Phys.Rev.B. 1985. V.32, N.2. P.
874-878.]зависимости между шириной ТО-пика и величиной Δθrms,Г=TOГ0 + =Г q 5 + 16· Dq rms(1)мы оценили Δθrms в образцах исследованной нами серии, и получили, что приувеличении дозы имплантации от 6·1013 см-2 до 4·1016 см-2 Δθrms возрастает от 8 до 11 градусов[8]. Таким образом, при превышении предела аморфизации разупорядочение кристаллическойрешетки кремния продолжает расти с ростом дозы. Однако, параметром, характеризующимстепень разупорядочения в этом случае является не корреляционная длина, а величинафлуктуации угла тетраэдрических связей.Аналогичные изменения наблюдались нами в спектрах КР аморфных пленок кремнияпри их осаждении на пластины Si с ориентацией (100), покрытые окислом SiО2 разложениеммоносилана при низком давлении [10] и в процессе кристаллизации аморфных пленокгидрогенизированного кремния a-Si:Н при отжиге непрерывным аргоновым лазером [12].Результаты этих исследований приведены в § 3.7.В § 3.5 КР и измерения отражательной способности с временным разрешением былииспользованы нами для контроля кинетики процесса восстановления кристалличности ваморфизованном, в результате имплантации ионов P+ кремнии, при облучении импульсамирубинового лазера с различной плотностью энергии W [9, 11].
Особое внимание уделялосьвыявлению структурных изменений до, и сразу после порога кристаллизации.15На рис. 6 показаны спектры комбинационного рассеяния кремния до и послеимплантации ионами P+ с постепенным увеличением дозы от 1013 см-2 до 2×1015 см-2.Ниже дозы 6×1013 см-2 спектр КР имплантированного кремния (рис. 6-b) похож на спектрнеимплантированного эталонного с-Si (Рис. 6-a) с уменьшенной силой осцилляторовдвухфононных мод. (На рисунке однофононный спектр обрезан, чтобы показать особенностиизменения двухфононного спектра).
При дозе 6×1013см-2 (рис. 6-c) появляется широкая полосаоколо 160 cm-1, соответствующая плотности фононных состояний в области акустическойветви (ТА). TA-полоса в спектре наблюдается одновременно с остаточными линиямидвухфононного рассеяния и асимметричной линией 520.5 см. Асимметрия проявляется в виде“хвоста” в низкочастотной области от максимума.
Такой спектр КР соответствуетпромежуточному этапу структуры между кристаллическим и аморфным состояниями аморфной матрице с встроенными нанокристаллами.Резкий переход от кристаллической к аморфной фазе наблюдается, когда доза увеличиваетсядо 3×1014 см-2 (рис. 6-d). Двухфононное рассеяние исчезает. В спектре доминируют широкиелинии (160, 300, 470 см-1), соответствующие максимумам плотности фононных состояний вкремнии (ТА, LA, ТО). Слабая узкая линия с параметрами, равными параметрам с-Si,обусловлена рассеянием от подложки. При дозе 6×1014 см-2 (рпис. 6-e) и больших, нет никакихспектроскопических свидетельств о наличии каких-либо структурных фаз отличающихся отаморфной.
Мы наблюдали аналогичные, но обратные структурных превращения, когдакремний, аморфизованный имплантацией ионов Р+, подвергался лазерному облучению длявосстановления его кристалличности с постепенным увеличением плотности энергиилазерного импульса (рис. 7). Начиная со значения W = 0.4 Дж/см2, спектры демонстрируютсуперпозицию широких линий а-Si и спектральной особенности около 520 см-1.
Болеедетальный анализ этой линии показал, что это дублет. Его первая составляющая имеетпараметры, соответствующие с-Si, и обусловлена рассеянием от подложки. Вторая линия,уширенная на 7 см-1 и сдвинутая в низкочастотную область на 6 см-1 по отношению к с-Si,указывает на наличие нанокристаллической фазы. Размеры нанокристаллов, полученные из КРсогласно модели локализации фононов, были около 5 нм. При повышении плотности энергииэта линия сужалась и приближалась по частоте к линии с-Si, что отражало увеличениеразмеров нанокристаллов. Одновременно с возрастанием интенсивности дублета, амплитудашироких полос а-Si уменьшалась. Это означает, что объемная доля кристаллической фракции всмешанной структуре увеличивается.
При W = 1.5-2.2 Дж/см2 а-Si полосы окончательноисчезают и спектр КР соответствует спектру с-Si, что свидетельствует о восстановлениимонокристаллической структуры. Таким образом, для процесса рекристаллизации мы выявилипороговое значение плотности энергии лазерного излучения, ниже которого нет видимых16изменений молекулярной структуры. Выше этого уровня, первоначально аморфная структуратрансформируется в смешанную аморфно-нанокристаллическую фазу, и, наконец (прибольшей плотности мощности), в кристаллический кремний.Рис. 6. Спектры КР кремния, до (а) и послеимплантации ионам фосфора (Е = 70 кэВ) взависимости от дозы D = 1 1013 см-2 (b), 6 1013см-2 (с), 3 1014см-2 (d), 6 1014 см -2 (e).Рис.
7. Спектры КР Si:P+- (D = 2 1015 см-2, Е =70 кэВ) до (а) и после облучения одиночнымиимпульсами рубинового лазера (Т = 70 нс) сплотностью энергии W = 0.4 Дж см-2 (b), 0.53Дж см-2 (с), 2.2 Дж см-2 (d).В четвертой главе рассматривается КР и структурное разупорядочение в арсенидегаллия при имплантации ионами Si+, Se+ [13, 14]. Ионы кремния с энергией 140 кэВимплантировали в полуизолирующий GaAs (n<1015 см-3) с ориентацией (100) в интервале доз1013 - 5×1014 см-2.В спектрах КР имплантированных образцов (рис. 8, 9) с увеличением дозы имплантациинаблюдалось уменьшение интенсивности LO компоненты, ее сдвиг в сторону низких частот иасимметричное уширение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
