Природа та структура парамагнітних дефектів у кристалах GaAs, SiC і кремнієвих матеріалах з наноструктурами

Домінуючою у спектрах ЕПР невідпалених зразків усіх трьох типів є майже симетрична лінія з g = 2.0005 0.0002, характерним для центрів Е'. На крилах спектра дефекту E' у зразках І та ІІ типу виразно спостерігаються лінії меншої інтенсивності (рис. 9), які можуть бути ідентифікованими відповідно до параметрів як центри Ge E' та Ge(2). Характерною особливістю лінії германієвого пероксидного радикала Ge PR є те, що вона не насичується зі збільшенням мікрохвильової потужності до 100 мВт та зростає майже вдвічі після відпалу зразка при 300 ОС (рис. 9b). Спостереження пов'язаних із германієм дефектів у спектрах ЕПР невідпалених імплантованих структур Si/SiO2/Ge+ вказує на те, що атоми Ge вбудовуються у значній кількості в матрицю замість атомів Si без термічної активації.

Було визначено, що концентрація дефектів має майже на порядок більше значення у зразках ІІІ типу порівняно зі зразками ІІ типу при майже вдвічі меншій повній дозі імплантованих іонів та близьких значеннях доз високоенергетичних іонів. Цей аспект якісно пояснено процесом динамічного відпалу дефектів при проведенні багатоступеневої імплантації з метою створення рівномірного профілю.

Кореляція при відпалі зразків для інтенсивностей спектрів ЕПР та смуг ФЛ з максимумами 1.94, 2.00 та 2.20 еВ вказує на те, що ці смуги мають дефектну природу. У той же час смуга ФЛ з максимумом 2.32 еВ, яка з'являється після відпалу при 900ОС, пов'язується з утворенням нанокристалітів Ge в SiO2.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено наукову проблему з'ясування природи та структури домішкових і власних парамагнітних дефектів у кристалах GaAs, SiC і кремнієвих матеріалах, в яких утворюються нанокристаліти. У проведених дослідженнях розроблена фізична основа для радіоспектроскопічного діагностування різноманітних структур на основі кремнію з нанокристалітами.

Виходячи з аналізу проведених досліджень можна сформулювати такі основні результати та висновки роботи:

1. Виявлено, що в умовах реєстрації ЕПР лінії спінового резонансу нейтральної акцепторної домішки марганцю, яка має структуру (Mn2++h), обумовлені електродипольними спіновими переходами. Це є першим надійним спостереженням електродипольних спінових переходів на мілкому акцепторі з інтенсивністю, яка значно перевищує типову інтенсивність ЕПР.

2. З'ясовано, що центру “мілкого” бору у 3C-SiC відповідає група точкової симетрії C3V, пониження симетрії від кубічної до тригональної зумовлене ефектом Яна-Теллера.

3. У температурному інтервалі 4 300 К визначені параметри спін-гамільтоніану спостережених вперше трьох основних дефектів Ку1, Ку2 та Ку3, які утворюються в результаті електронного опромінення кристалів 6H-SiC р-типу. Порівняння визначених експериментально параметрів надтонкої взаємодії із розрахованими з застосуванням методів теорії функціонала густини дозволило ідентифікувати ці дефекти як позитивно заряджену вакансію вуглецю у трьох кристалографічно нееквівалентних позиціях ґратки 6H-SiC.

4. За результатами розрахунків симетрії та параметрів надтонкої взаємодії для розщепленого у напрямку <100> вуглецевого міжвузля у кубічному SiC відомі центри Т5 та ЕІ3 було ідентифіковано відповідно як його позитивно заряджений та нейтральний зарядовий стан.

5. У поруватому кремнії вперше зареєстровано та описано спектри ПЕЯР на ядрах водню для центра Pb, що дозволило обґрунтувати розширену модель цього дефекту.

6. У широкому колі кремнієвих композитів, які було отримано методами вакуумного термічного розпилення SiO, імпульсного лазерного осадження кремнію та ерозії кристалічного Si іскровим розрядом, вперше спостережено та ідентифіковано парамагнітні дефекти. Установлено взаємозв'язок типу цих дефектів із технологічними умовами формування композитів.

7. Визначено природу парамагнітних дефектів у структурах Si/SiO2, імплантованих іонами Si+, Ge+ та C+. Вперше зареєстровано два нових дефекти, які пов'язано з надлишком атомів Si у матриці SiO2.

8. Виявлено, що при високодозовій імплантації іонів Ge+ у SiO2 з набором енергій, якою досягається рівномірний профіль розподілу атомів германію, створюється менша на порядок кількість дефектів ніж при імплантації з однією енергією, якою досягається гауссів профіль.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Семенов Ю.Г., Братусь В.Я. Магнитополевая анизотропия ангармони-ческого рамановского процесса спин-решеточной релаксации // УФЖ. 1988. Т. 33, №1. С. 92-97.

2. Родионов В.Н., Братусь В.Я., Косухин В.И. Термический отжиг исходных и имплантированных кристаллов кубического карбида кремния // Диэлектрики и полупроводники. Киев: Лыбидь, 1990. вып. 38. С. 58-61.

3. Баран Н.П., Братусь В.Я., Максименко В.М., Марков А.В., Семенов Ю.Г. Электродипольные спиновые переходы нейтрального акцептора MnGa0 в GaAs // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т. 55, вып. 2. С. 108-112.

4. Baran N.P., Bratus' V.Ya., Maksimenko V.M., Markov A.V., Semenov Yu.G. Electrodipole spin transitions of the neutral manganese acceptor MnOGa in gallium arsenide // Defects and diffusion forum. 1993. V.103-105. P. 39-44.

5. Баран Н.П., Братусь В.Я., Бугай А.А., Вихнин В.С., Климов А.А., Максименко В.М., Петренко Т.Л., Романенко В.В. ЭПР бора в кубическом SiC: проявление эффекта Яна-Теллера // ФТТ. 1993. Т. 35, вып. 11. С. 3135-3140.

6. Bratus' V.Ya., Baran N.P., Bugai A.A., Klimov A.A., Maksimenko V.M., Petrenko T.L., Romanenko V.V. Electronic structure of boron in silicon carbide // Defects and diffusion forum. 1993. V.103-105. P. 645-653.

7. Bratus' V.Ya., Baran N.P., Maksimenko V.M., Petrenko T.L., Romanenko V.V. Boron in cubic silicon carbide: dynamic effects in ESR // Materials Science Forum. 1994. V. 143-147. P. 81-86.

8. Bratus' V.Ya., Ishchenko S.S., Okulov S.M., Vorona I.P., von Bardeleben H.J., Schoisswohl M. EPR and ENDOR study of the Pb center in porous silicon // Physical Review B. 1994. V. 50, N. 20. P. 15449-15452.

9. Vorona I.P., Bratus' V.Ya., Ishchenko S.S., Okulov S.M., von Bardeleben H.J. Porous silicon: EPR and ENDOR investigation // Proceedings of the I International autumn school-conference “Solid state physics: fundumentals & applications” (SSPFA'94). Uzhorod, 1994. P. R28-R29.

10. Bratus' V.Ya., Ishchenko S.S., Okulov S.M., Vorona I.P., von Bardeleben H.J. Structure of the Pb center: ENDOR investigation // Materials Science Forum. 1995. V. 196-201. P. 529-534.

11. Schoisswohl M., von Bardeleben H.J., Bratus' V., Munder H. Defects in luminescent and non-luminescent porous Si // Thin Solid Films. 1995. V. 255, N. 1-2. P. 163-166.

12. Valakh M.Ya., Yukhimchuk V.A., Bratus' V.Ya., Nasarov A.N., Hemment P.L.F., Komoda T. Optical diagnostics of light-emitting Si clusters in SiO2 formed by ion implantation // Proceedings of SPIE. 1998. V. 3359. P. 284-288.

13. Bratus' V.Ya., Valakh M.Ya., Vorona I.P., Petrenko T.T., Yukhimchuk V.A., Hemment P.L.F., Komoda T. Photoluminescence and paramagnetic defects in silicon-implanted silicon dioxide layers // Journal of Luminescence. 1999. V. 80, N. 1-4. P. 269-273.

14. Valakh M.Ya., Yukhimchuk V.A., Bratus' V.Ya., Konchits A.A., Hemment P.L.F., Komoda T. Optical and electron paramagnetic resonance study of light-emitting Si+ ion implanted silicon dioxide layers // Journal of Applied Physics. 1999. V. 85, N. 1. P. 168-173.

15. Yukhimchuk V.A., Valakh M.Ya., Bratus' V.Ya., Petrenko T.T., Vorona I.P., Komoda T., Hemment P.L.F. Silicon and germanium dots in silicon dioxide layers: optical and EPR investigations // Physics of Semiconductors (Proceedings of ICPS-24), ed. D. Gershoni. Singapore, World Scientific, 1999. Art.VIIB48. P. 1-4 (published on CD).

16. Kalinina E.V., Zubrilov A.S., Kuznetsov N.I., Nikitina I.P., Tregubova A.S., Shcheglov M.P., Bratus' V.Ya. Structural, electrical and optical properties of bulk 4H and 6H p-type SiC // Materials Science Forum. 2000. V. 338-342. P. 497-500.

17. Kalinina E., Kossov V., Shchukarev A., Bratus' V., Pensl G., Rendakova S., Dmitriev V., Hallen A. Material quality improvements for high voltage 4H-SiC diodes // Materials Science and Engineering B. 2001. V. 80, N. 1-3. P. 337-341.

18. Братусь В.Я., Юхимчук В.А., Бережинский Л.И., Валах М.Я., Ворона И.П., Индутный И.З., Петренко Т.Т., Шепелявый П.Е., Янчук И.Б. Структурные превращения и образование нанокристаллитов кремния в пленках SiOx // ФТП. 2001. Т. 35, вып. 7. С.854-860.

19. Валах М.Я., Братусь В.Я., Индутный И.З., Юхимчук В.А., Янчук И.Б. Формирование нанокристаллитов Si в пленках SiOx: оптические и ЭПР исследования // Материалы совещания “Нанофотоника”. Нижний Новгород, Россия, 2001. С. 15-18.

20. Родіонов В.М., Братусь В.Я. Вплив домішки азоту на процеси випромінювальної та безвипромінювальної рекомбінації в кубічному карбіді кремнію // УФЖ. 2001. T. 46, №9 C. 979-984.

21. Валах М.Я., Юхимчук В.О., Братусь В.Я., Гулє Є.Г. Оптичні властивості SiO2-плівок, імплантованих іонами кремнію та вуглецю // УФЖ. 2001. Т. 46, №10. С. 1065-1069.

22. Bratus' V.Ya., Makeeva I.N., Okulov S.M., Petrenko T.L., Petrenko T.T., von Bardeleben H.J. EPR study of carbon vacancy-related defects in electron-irradiated 6H-SiC // Materials Science Forum. 2001. V. 353-356. P. 517-520.

23. Bratus' V.Ya., Makeeva I.M., Okulov S.M., Petrenko T.L., Petrenko T.T., von Bardeleben H.J. Positively charged carbon vacancy in 6H-SiC: EPR study // Physica B 2001. V. 308-310. P. 621-624.

24. Bratus' V.Ya., Petrenko T.T., von Bardeleben H.J., Kalinina E.V., Hallen A. Vacancy-related defects in ion-beam and electron irradiated 6H-SiC // Applied Surface Science. 2001. V. 184, N. 1-4. P. 229-236.

25. Petrenko T.T., Petrenko T.L., Bratus' V.Ya., Monge J.L. Calculation of hyperfine parameters of positively charged carbon vacancy in SiC // Physica B. 2001. V. 308-310. P. 637-640.

26. Petrenko T.T., Petrenko T.L., Bratus' V.Ya., Monge J.L. Symmetry, spin state and hyperfine parameters of vacancies in cubic SiC // Applied Surface Science. 2001. V. 184, N. 1-4. P. 273-277.

27. Petrenko T.T., Petrenko T.L., Bratus' V.Ya. The carbon <100> split interstitial in SiC // Journal of Physics: Condensed Matter. 2002. V. 14, N. 47. P. 12433-12440.

28. Братусь В.Я., Родіонов В.М. Вплив термообробок на рекомбінаційні властивості кубічного карбіду кремнію // УФЖ. 2002. Т. 47, №6. С. 588-591.

29. Bratus' V.Ya. Paramagnetic defects in silicon structures with nanocrystallites // Журнал фізичних досліджень. 2003. Т. 7, №.4. С. 413-418.

30. Братусь В.Я., Окулов С.М., Каганович Э.Б., Кизяк И.М., Манойлов Э.Г. Исследования методом электронного парамагнитного резонанса пленок нанокристаллического кремния, полученных импульсным лазерным осаждением // ФТП. 2004. Т. 38, вып. 5. С. 621-625.

31. Bratus' V.Ya., Petrenko T.T., Okulov S.M., Petrenko T.L. Positively charged carbon vacancy in three inequivalent lattice sites of 6H-SiC: combined EPR and density functional theory study // Physical Review B. 2005. V. 71, N. 12 125202 (22 pp.).

32. Братусь В.Я., Валах М.Я., Гулє Є.Г., Окулов С.М., Юхимчук. ЕПР та оптичні дослідження плівок SiO2, імплантованих іонами германію // УФЖ. 2005. Т. 50, №6. С. 610-617.

АНОТАЦІЯ

Братусь В.Я. Природа та структура парамагнітних дефектів у кристалах GaAs, SiC і кремнієвих матеріалах з наноструктурами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2006.

Дисертацію присвячено вирішенню проблеми з'ясування природи та структури домішкових і власних парамагнітних дефектів у кристалах GaAs, SiC і кремнієвих матеріалах, в яких утворюються нанокристаліти. З'ясовано, що резонансне спінове поглинання центрів Mn у нейтральному стані має електродипольну природу. Визначено симетрію та параметри надтонкої взаємодії для мілкої домішки бору у 3C-SiC. Розглянуто модель центра BSi, у рамках якої пояснено параметри спектру ЕПР та його температурні зміни. Визначено параметри спін-гамільтоніана трьох основних дефектів Ку1, Ку2 і Ку3, утворених опроміненням електронами кристалів 6H-SiC p-типу. Порівняння експериментальних та розрахованих із перших принципів параметрів надтонкої взаємодії дозволило ідентифікувати ці дефекти як позитивно заряджену вакансію вуглецю у трьох нееквівалентних положеннях ґратки 6H-SiC, а центри Т5 та ЕІ3 відповідно як позитивний та нейтральний зарядові стани розщепленого у напрямку <100> вуглецевого міжвузля. Обґрунтовано модель дефекту Pb на інтерфейсі Si/SiO2. Спостережено та ідентифіковано парамагнітні дефекти у широкому колі кремнієвих матеріалів, отриманих різними способами розпилення та імплантацією іонів у структури Si/SiO2.

Ключові слова: дефект, GaAs, SiC, SiO2, SiOx, наноструктура, електронна структура, ЕПР, ПЕЯР, імплантація, нанокристаліт.

ABSTRACT

Bratus' V.Ya. Nature and structure of paramagnetic defects in GaAs, SiC and silicon-based materials with nanostructures. - Manuscript.

Dissertation for a doctor of sciences degree of physics-mathematical sciences by specialty 01.04.10 - physics of semiconductors and insulators. Lashkaryov V.E. Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2006.

The thesis deals with a solution of a problem to understand nature and structure of extrinsic and intrinsic paramagnetic defects in in GaAs, SiC and silicon-based materials with nanostructures. It has been clarified that resonant spin absorption of neutral Mn acceptor has electric-dipole nature. Symmetry and hyperfine parameters have been defined for shallow boron center in 3C-SiC. A model of BSi has been examined, it explains the EPR spectrum parameters and temperature behavior. The spin-Hamiltonian parameters of three dominant defects Ky1, Ky2 and Ky3 have been determined in electron-irradiated p-type 6H-SiC crystals. A comparison of hyperfine parameters obtained from experiment and first-principal calculations allows to identify the defects as a positively charged carbon vacancy in three inequivalent positions of 6H-SiC lattice. The T5 and EI3 centers have been identified as positive and neutral charge state of the carbon <100> split interstitial in SiC respectively. A model for the Pb defect at Si/SiO2 interface has been proved. Paramagnetic defects have been revealed and identified in a lot of silicon materials formed with various evaporation techniques and ion implantation of Si/SiO2 structures.

Keywords: defect, GaAs, SiC, SiO2, SiOx, nanostructure, electronic structure, EPR, ENDOR, implantation, nanocrystallite.

АННОТАЦИЯ

Братусь В.Я. Природа и структура парамагнитних дефектов в кристаллах GaAs, SiC и кремниевих материалах з наноструктурами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена решению проблемы выяснения природы и структуры примесных и собственных парамагнитных дефектов в кристаллах GaAs, SiC и кремниевых материалах, в которых создаются нанокристаллиты. Обнаружено, что при регистрации ЭПР линии спинового резонанса нейтрального акцептора Mn, который имеет структуру (Mn2++h), обусловлены электродипольными спиновыми переходами (ЭДСП). Количественная оценка вероятностей ЭДСП показала, что феноменологическая электрополевая константа для этого случая значительно превышает известные значения для примесей в Si. В кристаллах кубического SiC определено симметрию и параметры сверхтонкого взаимодействия (СТВ) для примеси мелкого бора. Выяснено, что понижение симметрии центра от кубической до тригональной обусловлено эффектом Яна-Теллера. Рассмотрена модель электронной структуры центра BSi, в рамках которой дано объяснение параметрам спектра ЭПР и его температурным трансформациям. В интервале температур 4.2 300 К определены параметры спин-гамильтониана трех основных дефектов Ку1, Ку2 и Ку3, которые образуются при электронном облучении кристаллов 6H-SiC p-типа. Обнаружено, что центры Ку1 и Ку2 при низких температурах имеют симметрию CS, а выше 100 К становятся аксиальными вследствие процессов переориентации. Центр Ку3 имеет аксиальную симметрию во всем диапазоне 15 300 К наблюдения. Сравнение экспериментальных и рассчитанных из первых принципов параметров СТВ позволило однозначно идентифицировать эти дефекты как положительно заряженную вакансию углерода в трех неэквивалентных положениях решетки 6H-SiC. Расчеты параметров СТВ для центра Т5 и расщепления в нулевом поле для центра ЕI3 позволили отнести их к положительно заряженному и нейтральному состояниям расщепленного в направлении <100> углеродного междоузлия. В образцах пористого кремния с высокой концентрацией дефектов Pb удалось наблюдать спектры ДЭЯР. Анализ угловых зависимостей спектров позволил получить дополнительное обоснование расширенной модели дефекта Pb. Детальное исследование ЭПР структур на основе кремния, получаемых методами вакуумного термического распыления SiO, импульсного лазерного осаждения кремния и эрозией Si искровым разрядом позволило обнаружить и идентифицировать в них парамагнитные дефекты типа оборванных связей. По трансформациям спектров ЭПР в процессе термических отжигов структур были сделаны выводы о происходящих в них структурных преобразованиях. В структурах Si/SiO2, имплантированных ионами Si+, C+ и Ge+, определена природа парамагнитных дефектов и сделаны выводы о дефектной природе некоторых полос фотолюминесценции. Обнаружено, что при высокодозовой имплантации ионов Ge+ в SiO2 с набором энергий, при которой достигается равномерный профиль распределения атомов германия, количество образованных дефектов на порядок меньше чем при имплантации с одной энергией, при которой имеет место гауссов профиль.

Ключевые слова: дефект, GaAs, SiC, SiO2, SiOx, наноструктура, электронная структура, ЭПР, ДЭЯР, имплантация, нанокристаллит.

Размещено на Allbest.ru