Введение к работе
Актуальность работы
r'JkuMf\yTfcft№e время одним из путей развития твёрдотельной полупроводниковой электроники является использование сверхтвёрдых материалов (алмаз и кубический нитрид бора) в качестве рабочего вещества. Высокая прочность межатомных связей, обусловившая наивысшую твёрдость этих веществ, оказывается также важным параметром при использовании их и как полупроводниковых материалов. История привлечения полупроводниковых веществ в электронной технологии характеризуется переходом ко всё более "прочным" кристаллам, состоящим из всё более лёгких атомов: Sn »
Ge 7 81 4 С (полупроводники типа А4 } и GaAa, InP -> A1N, АЇР + ВИ
З 5 (полупроводники типа А В ). Термин "прочность" здесь использован
в широком смысле слова как устойчивость к различным внеоним
воздействиям (механическим, химическим, радиационным, термическим
и т.д.). Эта тенденция не случайна и отражает ту закономерность,
что с уменьшением атомного номера сила межатомного взаимодействия
в полярной и ковалентной электронной связи возрастает, а
межатомное расстояние уменьшается. Это прямо либо опосредованно
приводит к увеличению механической прочности, теплопроводности,
энергии запрещённой зоны, температуры Дебая, химической
инертности, уменьшению энгармонизма решёточных колебаний, т.е. к
улучшению тех параметров материала, которые определяют его
качество как полупроводника. Поскольку алмаз и кубический нитрид
4 3 S бора стоят последними в ряду полупроводников А и А В , то можно
ожидать, что они являются теми материалами, на которых будут
достигнуты рекордные параметры твёрдотельных электронных приборов1
традиционной структуры.
По мере возрастания "прочности" полупроводникового
материала, технология его выращивания и обработки становится всё
более сложной и труднореализуемой, поскольку возрастающая
стойкость материала оказывается также серьёзным препятствием и
при попытке целенаправленного изменения его структуры. В
результате многие традиционные методы выращивания, легирования,
химической и механической обработки оказываются неприменимыми для
сверхпрочных полупроводниковых материалов. Алмаз и кубический
нитрид бора, например, может быть выращен как высокосовершештй
монокристалл лишь с использованием слохного термобарического оборудования. Примесное легирование - главная технологическая задача - для этих веществ как правило вообще не осуществима методом диффузии при температурах менее 1600С. Чтобы преодолеть сопротивление прочной кристаллической решётки при внедрении в неё примесных атомов, требуется применение сильно неравновесных методов, наиболее распространённым из которых является ионная имплантации. Фактически ионная имплантация сегодня оказалась единственным способом создания полупроводниковой структуры на сверхтвёрдом полупроводнике. Применительно к сверхтвёрдым полупроводникам физика ионной имплантации является в значительной степени неисследованной областью и это выступает одним из основных препятствий на пути развития электроники на этих материалах. Важным вопросом здесь является также вопрос о методах исследования ионно-имплантированных алмаза и кубического нитрида бора, поскольку многие методы, широко использующиеся для традиционных полупроводников, оказываются либо трудноприменимыми, либо неэффективными. Наиболее подходящими здесь оказались люминесцентные методы исследования. Фото- и катодолюминесценция являются бесконтактными методами, они имеют высокое пространственное разрешение, обладают наивысшей чувствительностью по концентрации и, что представляется наиболее важным при изучении ионно-имплантированных полупроводников, позволяют селективно исследовать различные типы примесных и собственных дефектов.
К началу проведения настоящих исследований (1977 год) имелись лишь весьма ограниченные сведения о структуре ионно-имплантированного алмаза. Оптические методы и, в частности, люминесценция, в таких исследованиях не применялись, хотя уже тогда алмаз считался перспективным оптоэлектронным материалом. Что же касалось кубического нитрида бора, то было известно лишь несколько эпизодических работ по исследованию его исходной структуры. Ионная имплантация в кубический нитрид бора не изучалась вообще.
Исходя из вышесказанного следует цель настоящей работы -изучение люминесцентной активности ионно-имплантированных слоев. а также их структуры в алмазе и кубическом нитриде бора.
Для достижения этой цели решались следующие научные задачи:
-
Установление области применимости и степени информативности метода люминесценции при изучении ионно-имплантированных сверхпрочных полупроводников.
-
Выявление люминесцентно активных центров в ионно-имплантировашюм алмазе и кубическом нитриде бора.
-
Установление влияния структуры дефектов и окружающей их кристаллической решётки на спектральные параметры связанных с ними центров люминесценции.
-
Исследование пространственной структуры ионно-имплантированных слоев алмаза и кубического нитрида бора.
-
Исследование изменения примесно-дефектной структуры ионно-облучённых алмаза и кубического нитрида бора при отжиге.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
впервые обнаружены и исследованы оптические центры Мессбауэровского типа в кубическом нитриде бора, а также в ионно-имплантированных алмазе и кубическом нитриде бора;
впервые получена информация о пространственном распределении оптически активных примесей и дефектов в ионно-имплантированных алмазе и кубическом нитриде бора и о её трансформации при отжиге;
установлен критерий высокоэнергетичной ионной имплантации в алмаз и кубический нитрид бора и впервые получены данные о характере взаимодействия высокоэнергетичных ионов со сверхтвёрдыми полупроводниками, а также о создаваемой при этом дефектно-примесной структуре.
Положения, выносимые на защиту
-
В кубическом нитриде бора существуют оптические центры собственной и примесной природы Мессбауэровского типа, электрон-колебательные параметры которых подобны тем, которые имеют место для оптических центров Мессбауэровского типа в алмазе.
-
В оптических центрах Иессбауэровского типа в сверхтвёрдых полупроводниках величина изменения энергии электронного перехода и электрон-фононного взаимодействия при деформации
решётки либо при изменении температуры определяется наличием вакансии и/или меадоузельных атомов в составе соответствующих дефектов. Эти изменения для центров вакансионного типа в среднем в Несколько раз.больше по сравнению с их изменением для центров кехдоузельного типа. 3. Примесно-дефектная структура в сверхтвёрдых полупроводниках, образующаяся в ходе ионного облучения претерпевает качественные изменения, когда скорость ионов становится сравнимой и больше скорости электронов на глубоких оболочках атомов мишени. Эти изменения проявляются как появление пространственной неоднородности в распределении дефектов разных типов и образовании треков, порождающих локальные областии высокого давления, ускоряющих атомную миграцию и стимулирующих глубокое проникновение имплантируемых ионов.
Научно-практическая значимость работы заключается в следующем:
показана высокая информативность люминесценции как метода комплексной диагностики сверхтвёрдых полупроводников как исходного материала, так и ионно-имплантированных структур;
показано, что алмаз и кубический нитрид бора, а также иоино-имплантированные слои на этих материалах, являются термостабильными эффективными оптоэлектронными материалами в видимом диапазоне спектра;
показано, что высокоэнергетичная ионная имплантация в сверхтвёрдые полупроводники является физической . основой разработки принципиально новых технологий управления примесно-дефектным составом, а также создания трехмерных и термостабильных структур, которые не могут быть реализованы известными способами.
Совокупность результатов, представленных в работе, решает существенную часть проблемы Физики ионно-имплантироваиных полупроводников и стимулирует её дальнейшее развитие как в области фундаментальных исследований, так и по пути разработки новых ионно-лучевых технологий в полупроводниках и, в частности, в алмазе. Эти результаты носят, в основном, фундаментальный характер и могут рассматриваться как существенный вклад в радиационную физику тверды" тел и физику люминесценции твёрдых тел.
Помимо этого, результаты, полученные по высокоэнергетичной ионной имплантации в алмаз и кубический нитрид бора, можно выделить в отдельную их совокупность. На основании этих результатов предложены новые модели и развиты новые представления, качественно отличающиеся от тех, которые были развиты к настоящему времени в Физике ионной имплантации в полупроводники. Обнаружены новые -физические эффекты высокоэнергетичного ионного облучения (области высокого давления, стимулированная атомная миграция, каналирование ионов по трекам, изменение энергии связи дефектов с решёткой), для проявления которых принципиальной является кристаллическая матрица сверхтвёрдого полупроводника с сильными межатомными связями. Эти эффекты могут явиться Физической основой будущих принципиально новых ноино-лучевых технологий сверхтвёрдых полупроводников. Исходя из этого, можно считать, что эти результаты задают новое научное направление в радиационной Физике твёрдых тел: высоко-энергетичная ионная имплантация в сверхтвёрдые полупроводники.
'Апробация работы: основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, семинарах и совещаниях, 12 из которых имели уровень международных, 15 - всесоюзных и 6 -республиканских.
Помимо этого, материалы работы докладывались на научных
семинарах в Белгосуниверситете, Физическом институте АН СССР,
Дортмундском университете (ФРГ), Хагенском университете (ФРГ),
Берлинском институте им. Хана и Иайтнера (ФРГ), Йенском
университете (ГДР).
По материалам, вошедшим в настоящую диссертацию, опубликовано
05 работ, и число которых входят 40 статей в международных и
Всесоюзных научных журналах, тематических сборниках и препринтах,
40 материалов (тезисов) конференций и 5 изобретений. Основные
результаты представлены в 60 работах, вошедших в список
цитируемых работ. ,
Структура работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объём работы составляет 367 страниц в том числе 107 рисунков.
