Диссертация (1149651), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Так, в работе [27] рассматривалось взаимодействиепучка ионов Ga+ с энергией 2 кэВ и 30 кэВ с кристаллическим кремнием. Нарис. 2 показаны результаты моделирования. Такое моделирование позволяетописать процесс травления образца, формирование протравленных углублений,дефектообразование и формирование вторичного каскада.Рис. 2: Моделирование взаимодействия ионов Ga+ с энергией 30 кэВ (слева) и2 кэВ (справа) методом молекулярной динамики (иллюстрация из [27]). Кругами показаны положения атомов решетки, цвет круга обозначает расстояние, накоторое сместился атом после облучения ионами.Следует отметить, что несмотря на свою наглядность, моделирование методами молекулярной динамики имеет ограниченную область применимости.Для моделирования падения ионов более высоких энергий и меньших масс (когда отношение глубины проникновения ионов к постоянной решетки велико), а21также для случаев, когда процессы травления и изменения геометрии образцане важны (например, при малых дозах облучения ионами при имплантации), более применимым является моделирование методом Монте-Карло.
В этом случаеиз рассмотрения исключаются кристаллические свойства вещества, и образецсчитается непрерывной средой с заданной плотностью и элементным составом,а движение ионов рассматривается как набор случайных парных соударений сатомами вещества, и прямолинейным движением между соударениями. Наиболее популярным и общепризнанным программным продуктом для моделирования рассеяния ионов в веществе методом Монте-Карло является SRIM [28, 29].Для ряда задач, таких как, например, имплантация примесей в полупроводниковые структуры, наибольший интерес представляет профиль распределения легирующей примеси по глубине.
Для регистрации такого профиляможет быть использован послойный анализ методом вторичной ионной массспектрометрии. Такая методика была использована в работе [30] для анализаглубины проникновения ионов Si в GaAs при облучении сфокусированным инесфокусированным пучком 160 кэВ Si. Авторы отмечали существенно большую глубину проникновения ионов при использовании сфокусированного пучка.В настоящей работе предполагается изучение дефектообразования поддействием ионов, поэтому важным вопросом является соответствие результатов моделирования методом Монте-Карло с экспериментально наблюдаемымпрофилем распределения дефектов по глубине.В работе [31] для детектирования этого профиля использовалась комбинация дифференциального отражения и непрерывного послойного химическоготравления образца.
Полученная в результате профилирования зависимость дефектности облученного ионами 90 кэВ и 260 кэВ Si образца GaAs от глубиныс высокой точностью совпадает с моделированием SRIM на небольших глубинах, где плотность дефектов максимальна, но расходится с предсказаниямимоделирования на больших глубинах.
Имплантация ионами выполнялась придвух ориентациях пучка ионов относительно кристаллографических осей GaAs:вдоль оси (110) и при ”случайной” ориентации. При облучении вдоль оси, глубины дефектообразования превышали предсказываемые моделированием SRIM22более чем на порядок, что объясняется отсутствием учета явления каналирования ионов в моделировании. Но при ”случайном” направлении облучения превышение экспериментальной плотности дефектов над модельной сохранялось,что объяснялось авторами как следствие случайного удовлетворения условиямканалирования рассеянным ионом.В рамках настоящей работы определенный интерес представляет такжепереход от дефектообразования и аморфизации к травлению по мере роста дозыоблучения образца ионами.При облучении GaAs ионами 30 кэВ Ga+ травление образца происходитпри поверхностных дозах облучения > 1016 1/см2 .
Травление сопровождаетсяформированием нанокапель металлического Ga. В работе [32] изучалась зависимость диаметра капель от дозы облучения ионами (рис. 3).При облучении твердых тел ионами He+ существенную роль играет диффузия имплантированных атомов гелия. Такая диффузия может привести кобразованию наполненных газом полостей, увеличению напряжения в кристаллической решетке, и, в ряде случаев, к растрескиванию поверхности с формированием протяженных отслоившихся фрагментов.В работе [33] с помощью просвечивающей электронной микроскопии изучались срезы образцов кристаллического кремния, облученных ионами He+20 кэВ.
При облучении образцов поверхностной дозой 2.5 · 1017 1/см2 при комнатной температуре в кристаллическом кремнии на глубине порядка 100 нмвозник слой аморфного кремния толщиной 115 нм. В этом слое наблюдаласьбольшая плотность пузырьков гелия со средним диаметром 5 нм. Отжиг облученного образца при температуре 923 К привел к дальнейшей диффузии гелия,и объединении мелких пузырьков в более крупные с диаметром до сотен нанометров (рис. 4).Образование пузырьков наблюдаются и при облучении ионами гелия ипоследующем отжиге GaAs. В работе [34] показано, что при облучении GaAsионами 10 кэВ He+ отслаивание возникает при поверхностных дозах облучения> 1016 1/см2 . Аналогичный эффект возникает и при облучении GaAs ионамиH+ .
На рис. 5 показаны снимки образца после облучения ионами 10 кэВ H+ споверхностной дозой 4 · 1016 1/см2 и отжига в течении 30 с при температуре23Рис. 3: (a) Зависимость диаметра галлиевых капель (нм) от поверхностнойдозы облучения ионами Ga+ (1/см2 ) подложки GaAs. (b – d) Электронномикроскопические снимки областей с различными дозами облучения ионами.Дозы обозначены стрелками на (a) (иллюстрация из [32]).400◦ C.
На снимке видны протяженные отслоившиеся участки.1.3Ионно-индуцированное перемешиваниеквантовых ямПодробно изученным методом модификации структур с квантовыми ямамиявляется ионно-индуцированное перемешивание (интердиффузия, intermixing).При облучении эпитаксиального образца пучком ионов или какого-либо другоговысокоэнергетического излучения в образце возникают радиационные дефек-24Рис. 4: Полученный на просвечивающем электронном микроскопе снимок среза кристаллического кремния, облученного ионами 20 кэВ He+ с поверхностнойдозой 2.5 · 1017 1/см2 , и отожженного при температуре 923 К.
Темная областьвнизу — кристаллический кремний. В приповерхностной области видны гелиевые пузырьки (иллюстрация из [33]).ты, первичным из которых является пара Френкеля (вакансия и межузельныйатом). Выбивание атомов из их положений в кристаллической решетке и дальнейшая диффузия приводят к размытию гетерограниц и состава квантовой ямыи барьеров. Наиболее распространенным методом контроля таких измененийструктуры квантовой ямы является спектроскопия фотолюминесценции принизкой температуре и энергии возбуждения выше барьера квантовой ямы.
Изменение структуры ямы приводит к изменению квантующего потенциала, что, всвою очередь, проявляется в спектральном сдвиге положения линии экситоннойфотолюминесценции. Возникающие при облучении дефекты могут выступать вкачестве центров безызлучательной рекомбинации, что проявляется в ослаблении интенсивности сигнала фотолюминесценции от облученного образца. Дляуменьшения плотности таких точечных дефектов обычно используется быстрый термический отжиг (rapid thermal annealing, RTA).25Рис. 5: Электронно-микроскопические снимки образца GaAs после облученияионами водорода и отжига, вид сверху (a) и с торца (b) (иллюстрация из [34]).В работе [35] рассматривалось, в том числе, воздействие облучения ионами 6 кэВ Ga+ с относительно малой дозой на оптические свойства квантовыхям.
Сравнение спектров низкотемпературной фотолюминесценции для облученных и необлученных образцов (рис. 6) показывает, что облучение приводит, впервую очередь, к формированию в образце дефектов, приводящих к безызлучательной рекомбинации, и, следовательно, ослаблению сигнала фотолюминесценции.При перемешивании структур с квантовыми ямами с помощью ионногооблучения при больших дозах возникает эффект насыщения дефектами, когдадальнейший рост дозы не приводит к увеличению сдвига экситонных линийв спектре фотолюминесценции. Для преодоления этого эффекта в работе [36]был предложен метод перемешивания, заключающийся в разбиении дозы облу-26Рис. 6: Схема структуры и расстояние от квантовых ям до поверхности образца (нм) (слева). Спектры фотолюминесценции (в координатах интенсивность/длина волны (нм)) при 4.2 K для исходной структуры (a), и структур,облученных ионами 6 кэВ Ga+ с поверхностной дозой 1011 1/см2 (b) и 1012 1/см2(c) (иллюстрация из [35]).чения на несколько циклов облучения/отжига.
В работе изучалось воздействиеионов 32 кэВ As+ на тонкие квантовые ямы GaAs/AlGaAs. На рис. 7 показаназависимость сдвига спектрального положения экситонного резонанса от дозыоблучения для различного разбиения дозы на циклы облучения и отжига. Видно, что при одной и той же суммарной дозе облучения сдвиг больше в случаеразбиения этой дозы на большое число циклов.Облучение тяжелыми ионами помимо перемешивания образца приводиттакже к его повреждению и формированию в нем дефектов, которые не поддаются отжигу. Остающиеся после отжига дефекты приводят к безызлучательнойрекомбинации и существенному ослаблению сигнала фотолюминесценции.
Альтернативой облучению тяжелыми ионами является облучение более легкимизаряженными частицами. В работе [37] исследовалось перемешивание квантовых ям при протонном облучении и последующем быстрым термическом отжиге. Квантовые ямы GaAs различной толщины, помещенные между барьерамиAl0.54 Ga0.46 As облучались различными дозами 40 кэВ протонным пучком. Нарис.
8 показана схема образца, моделирование плотности индуцированных дефектов в образце, а также пример спектра низкотемпературной фотолюминесценции от облученного с поверхностной дозой 5 · 1015 1/см2 и необлученного27Рис. 7: Зависимость сдвига спектрального положения линии фотолюминесценции (мэВ) от дозы облучения ионами (1/см2 ) для 1, 2, 3 и 4 циклов облучения/отжига (иллюстрация из [36]).образцов, отожженых в течение 30 сек при температуре 900◦ C.Перемешивание приводит к увеличению процентного содержания Al вквантовой яме GaAs и, соответственно, сдвигу спектрального положения экситонных особенностей в спектрах фотолюминесценции в коротковолновую сторону.
В работе наблюдался такой сдвиг вплоть до 200 мэВ без существенногоослабления интенсивности фотолюминесценции. Такое поведение объясняетсятем, что при протонном облучении в отличие от облучения тяжелыми ионамине происходит насыщения дефектами даже при больших дозах облучения. Поэтой же причине желаемое перемешивание может быть выполнено за один циклоблучения и отжига, без разбиения большой дозы на циклы.В работе [38] исследовалось облучение структур с InGaAs/GaAs квантовыми ямами и квантовыми точками электронами с энергией > 1 мэВ и гаммалучами. Облучение приводит к ослаблению сигнала фотолюминесценции, но,тем не менее, при небольших дозах из сигнала представляется возможным извлечь сдвиг спектрального положения резонансов в длинноволновую сторону28Рис. 8: Схема образца с квантовыми ямами и моделирование распределенияплотности дефектов (усл.ед.) от глубины (мкм) (слева).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
