Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 11
1.1. Кремний как материал оптоэлектроники 11
1.2. Свойства квантовых точек 12
1.3. Пути улучшения светоизлучающих свойств кремния 14
1.4. Свойства аморфного кремния 18
1.5. Система нанокристаллов кремния в матрице a-S'i, полученная без применения ионного облучения 23
1.6. Система нанокристаллов кремния в матрице a-S'i, полученная с помощью ионного облучения 25
1.7. Кинетика накопления дефектов при ионном облучении 29
1.8. Модели аморфизации 37
1.9. Формулировка задач исследований 44
ГЛАВА 2. Исследование закономерностей влияния условий ионного облучения на свойства системы я-Si/nc-Si при дозах, близких к дозе аморфизации (область «малых» доз) 46
2.1. Методика эксперимента 46
2.2. Фотолюминесцентные свойства системы a-Si/nc-Si, полученной путем облучения Si ионами Аг+ и Ne+ 49
2.3. Немонотонность дозовой зависимости концентрации VV-центров 53
2.4. Оптические свойства я-Si/nc-Si и a-Si, полученных ионным обучением в области «малых» доз. Модель люминесценции 57
2.5. Выводы 65
ГЛАВА 3. Компьютерный расчет (моделирование) процесса эволюции наноструктуры Si при ионном облучении в области «малых» доз 66
3.1. Введение 66
3.2. Алгоритм расчета кинетики формирования нанокомпозитной системы «-Si:nc-Si 66
3.2. Результаты моделирования и их обсуждение 71
3.3. Выводы 77
ГЛАВА 4. «Механическая» модель формирования нанокристаллов кремния в области «больших» доз 78
4.1. Введение 78
4.2. Люминесцентные свойства и структура кремния при «больших» дозах 79
4.3. Формулировка модели и теоретические оценки 82
4.4. Выводы 95
Общие выводы 96
Заключение 97
Благодарности 98
Список литературы
- Пути улучшения светоизлучающих свойств кремния
- Фотолюминесцентные свойства системы a-Si/nc-Si, полученной путем облучения Si ионами Аг+ и Ne+
- Алгоритм расчета кинетики формирования нанокомпозитной системы «-Si:nc-Si
- Люминесцентные свойства и структура кремния при «больших» дозах
Введение к работе
Актуальность темы
Кремний - наиболее распространенный элемент земной коры, сыграл выдающуюся роль в полупроводниковой электронике. Сама природа позаботилась о том, чтобы обеспечить этому материалу лидерство: практически неограниченные сырьевые ресурсы, физико-химические свойства, облегчающие глубокую очистку от примесей и дефектов, близкие к идеальным для планарной технологии свойства термического окисла и др. По оценкам специалистов, ведущее положение кремния в микроэлектронике сохранится и в обозримом будущем. Однако в последнее время лидерству кремния был брошен серьезный вызов в связи с новым этапом в развитии информационных технологий. Непрерывное повышение требований к быстродействию интегральных схем, развитие систем волоконной оптики в коммуникационных сетях и другие факторы выдвинули на первый план оптоэлектронику, как альтернативу традиционной микроэлектронике. Действительно, возможности дальнейшего повышения быстродействия могут быть достигнуты только путем замены электрических связей между активными элементами на оптические. Кроме того, развитие волоконной оптики потребовало разработки комплекса новых светоизлучающих и фотоэлектронных устройств.
Актуальность работы продиктована необходимостью разработки физических основ формирования созданных на основе кремния материалов, обладающих свойствами, которые обеспечили бы применение этого непрямозонного полупроводника для задач оптоэлектроники. Создание излучателей света на основе кремния имеет исключительно важное значение, так'как это в конечном итоге позволило бы инкорпорировать в монолитные интегральные схемы устройства, генерирующие и преобразующие не только электрические, но и оптические сигналы.
5 Главная проблема, возникающая на пути оптоэлектронных применений кремния, состоит в низкой эффективности собственной люминесценции, обусловленной, в первую очередь, непрямозонностью энергетической структуры этого полупроводника.
' Среди различных подходов к решению проблемы важное место занимает наноструктурирование путем создания нанокристаллов Si (квантовых точек), погруженных в широкозонную матрицу SiC>2 (система SiC^inc-Si). Однако, диэлектрический характер матрицы SiCb затрудняет функционирование в устройствах с токопереносом, например, в светодиодах.
В НИФТИ ННГУ был предложен один из способов наноструктури-рования, который заключается в облучении поверхности кремния ионами инертных газов. Идея основана на том, что в области доз облучения, близких к дозе аморфизации, внутри аморфного слоя сохраняются наноразмер-ныё кристаллические области, способные выполнять роль квантовых точек. Было экспериментально установлено, что такая система я-Si/nc-Si об-ладает фотолюминесценцией в красном и ближнем ИК диапазоне, и при этом спектр фотолюминесценции оказался близким к спектру системы Si02:nc-Sl. Было обнаружено, что аналогичный спектр фотолюминесценции наблюдается также в случае облучения кремния ионами инертных газов при дозах, намного превышающих дозу аморфизации. Однако, закономерности формирования данных систем, механизмы люминесценции и её особенности в зависимости от условий облучения оставались мало изученными.
Исследование светоизлучающих свойств ионно-облученного кремния важно не только само по себе, но и для расширения фундаментальных знаний о свойствах нового, более широкого класса материалов - композитных аморфно-нанокристаллических полупроводников. Это способствовало бы поискам путей применения материалов такого типа в качестве функциональных элементов наноэлектронных устройств различного назначения.
Цель и основные задачи работы
Цель работы - разработка физических основ создания светоизлучающих в красном и ближнем ИК-диапазоне наноструктур в кремнии при облучении ионами электрически неактивных элементов.
Основные задачи работы:
1. Детальное исследование люминесцентных свойств кремния, нанострук-
турированного облучением ионами инертных газов при дозах, близких к
дозе аморфизации («малые» дозы), изучение связанных с процессом
формирования и эволюции наноструктур особенностей дозовых зависи-
*
мостей концентрации парамагнитных центров.
Компьютерное моделирование процесса формирования и эволюции системы нанокристаллов в ионно-облученном «малыми» дозами кремнии с учетом вторичных процессов.
Исследование оптических свойств кремния, облученного «малыми» дозами ионов инертных газов, и уточнение модели фотолюминесценции аморфного слоя, содержащей нанокристаллы Si.
Разработка модели формирования светоизлучающих нанокристаллов кремния для «больших» доз ионного облучения.
Научная новизна работы
Впервые установлена зависимость фотолюминесценции слоев аморфи-зованного кремния, содержащих нанокристаллические включения, при облучении ионами средних масс - Аг+ и Ne+ в области «малых» доз, от дозы, температуры отжига и температуры измерения.
Предложен и реализован модифицированный алгоритм компьютерного расчета процесса формирования слоев, состоящих из нанокристаллов Si в аморфной кремниевой матрице, с учетом вторичных процессов при ионном облучении.
Впервые установлена немонотонность дозовой зависимости концентрации ЭПР-центров, обусловленная формированием наносистемы a-Si:nc-Si и коррелирующая с дозовой зависимостью фотолюминесценции в красной и ближней РЖ-области спектра.
На основе исследования оптических свойств ионно-облученного кремния предложен уточненный механизм фотолюминесценции аморфизо-ванного слоя, содержащего нанокристаллы кремния.
Предложена и обоснована количественными оценками «механическая» модель формирования нанокристаллов кремния при ионном облучении для доз, существенно превышающих дозу аморфизации.
Практическая ценность
Разработанный алгоритм расчета формирования аморфизованных слоев с нанокристаллами кремния позволяет прогнозировать диапазон доз ионного облучения, в котором имеет место максимальная интенсивность фотолюминесценции, а также может быть использован для решения других задач, в которых применяется способ наноструктурирования путем частичной аморфизации полупроводников ионными пучками (полупроводниковые газовые датчики, каталитические системы и др.).
Показана возможность оптимизации люминесцентных свойств слоев аморфизовашюго кремния, содержащих нанокристаллические включения, путем вариации дозы имплантации Si.
Установленная связь между фотолюминесцентными, парамагнитными свойствами и наноструктурированием может быть использована как средство диагностики и мониторирования процесса формирования наноструктур при ионном облучении.
Подход к процессу наноструктурирования, предложенный для области «больших» доз, может быть использован не только в случае ионного облучения, но и при других способах обработки материалов, при которых формируются неоднородные в наномасштабе области, например,
8 при импульсном лазерном (электронном) облучении структур с наноли-тографическим рисунком или шероховатых поверхностей.
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментально найденный немонотонный характер дозовой зависимости интенсивности фотолюминесценции Si и согласие с результатами расчетов эволюции структуры облученного слоя, выполненных с использованием предложенного в работе алгоритма, подтверждают, что фотолюминесценция при дозах, близких к дозе аморфизации, обусловлена процессом наноструктурирования.
Процесс наноструктурирования при дозах, близких к дозе аморфизации, является причиной немонотонной дозовой зависимости концентрации парамагнитных центров.
«Механическая» модель фрагментации кремния при «больших» дозах позволяет объяснить формирование нанокристаллов, с которыми связанны люминесцентные свойства.
Личный вклад автора
Основные эксперименты и расчеты были спланированы автором совместно с научным руководителем. Самостоятельно выполнялись подготовка образцов, исследования ЭПР и люминесцентных свойств, обработка и анализ результатов, а также разработка и реализация алгоритма компьютерного расчета иошю-лучевого формирования слоев, состоящих из нанокристаллов Si в аморфной матрице. Ионная имплантация производилась вед. инж. НИФТИ В.К. Васильевым. В расчетах принимали участие Е.В.Волкова и Е.СДСоваленко. Экспериментальные данные, используемые при разработке модели формирования нанокристаллов в области «больших» доз предоставлены д.ф.-м.н. А.А. Ежевским.
9 Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы опубликованы [А1-А26] и докладывались на следующих конференциях и семинарах: V Международная конференция «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (02Т5) (Ульяновск, 2003), V Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом (ВИТТ-2003)» (Минск, Белоруссия, 2003), Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто - и наноэлектронике (С-Петербург, 2003, 2005), Десятая ежегодная международная научно-технической конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2004), Нижегородская сессия молодых ученых (Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007), Всероссийское совещание «Нанофотоника-2004» (Н.Новгород, 2004), Международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2004, 2005, 2007), IV Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С. Петербург, 2004), MRS Spring Meeting 2004 (San-Francisco, CA, USA, 2004), European Microelectronics and Packaging Symposium EMPS-2004 (Prague, Czech Republic, 2004), Межрегиональная научная школа для студентов и аспирантов «Материалы нано-, микро- и оптоэлек-троники: физические свойства и применение» (Саранск, 2004, 2005), Всероссийский семинар (Н.Новгород, 2004), 12-й Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, Зеленоград, 2005), Международная научная конференция «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005), Международная научная конференция «Тонкие пленки и наноструктуры» (Москва, 2005), Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы» (Москва, Зеленоград, 2005), Всероссийская конференция «Физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2006).
10 Ряд докладов отмечен дипломами: диплом лауреата 12-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2005" (Москва, Зеленоград, 2005), диплом 1-ой Всероссийской конференции «Физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 4 статьи и 18 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, «Общих выводов» и «Заключения». Объем диссертации составляет 116 страниц, включая 95 страниц печатного текста, 3 таблицы, 31 рисунок, список литературы, который содержит 156 наименований и список публикаций по теме диссертации.
Пути улучшения светоизлучающих свойств кремния
Исследования светоизлучающих свойств кремния проводились в основном по трем направлениям. Каждое из них ориентируется на определенный диапазон длин волн (Л), для которых необходимо получить приемлемые люминесцентные свойства. Для всех трех направлений важную роль играет создание нанокструктур, но их функции в этих случаях различны.
Первый диапазон (Я = 1,3-1,6 мкм), соответствует окну прозрачности кварцевого оптоволокна. Люминесценция в этом диапазоне получена путем легирования кремния эрбием [5-7]. В течение последних лет выполнен большой цикл исследований в данном направлении. Интерес к этому направлению был вызван успешным использованием легирования эрбием оптических волокон для создания усилителей [8]. Энергетический спектр ионов Ег3+, встроенных в матрицу кристаллического кремния или БіОг, ответственен за люминесценцию в районе 1,54 мкм (излучательный переход 13/2- 15/2 в электронной оболочке иона), которая осуществляется посредством передачи энергии от возбужденных в окружающей матрице электронно-дырочных пар. Легирование кремния чаще всего производится путем ионной имплантации эрбия [9J или в процессе эпитаксии [10]. На данный момент детально изучены структура эрбиевых центров, процессы возбуждения и девозбуждения люминесценции [9, 10, 11], и получена электролюминесценция (ЭЛ) при комнатной температуре [12, 13]. Успехи, достигнутые в области легирования кремния эрбием, послужили основой для развития нового перспективного направления. Большая ширина запрещенной зоны (по сравнению с массивным Si), большое сечение поглощения могут сделать НК Si весьма эффективными сенсибилизаторами эрбиевых излучательных центров. Действительно, перенос энергии возбужденных в НК Si электронно-дырочных пар к ионам Ег (рис. 1а), сопровождающийся ослаблением люминесценции в диапазоне 600-1000 нм и соответствующим усилением люминесценции Ег+ в районе 1,54 мкм, наблюдается экспериментально [14-17] и обоснован теоретически [18]. Подробно изучено влияние плотности, размера и структуры НК Si на эффективность данного взаимодействия. Показано оптическое усиление люминесценции на 1,54 мкм при встраивании слоев Si02:nc-Si:Er как в вертикальные оптические микрорезонаторы [19], так и в, планарные волноводные структуры [20] (последние могут использоваться в качестве компактных усилителей с оптической накачкой в широком диапазоне спектра в оптоволоконных системах) (рис. 16).
Кроме того, разработаны методы синтеза на поверхности кремния полупроводниковых соединений (например, FeSi2 [22]) и способы эпитак-сиального выращивания на Si островков ("кластеров") германия [23], излучающих в указанном диапазоне. Установлено, что дислокации в кремнии также обладают способностью люминесцировать в данной области спектра [24]. 2. Второй диапазон длин волн соответствует близкраевому излучению Si ( 1,1 эВ). Предприняты успешные попытки улучшить люминесцентные свойства кремния путем снижения скорости безызлучательной рекомбинации. Это достигается либо путем создания с помощью ионной имплантации бора особых наноструктур (с дислокационными петлями [25]), в которых имеет место пространственное разделение областей безызлучательной рекомбинации, с одной стороны, и электронных потоков, возбуждающих электролюминесценцию, с другой - так называемый пространственный конфаймент, либо другими способами [26].
Третий диапазон длин волн относится к видимой и ближней ИК областям спектра (Л 1 мкм). Для этого диапазона используются свойства квантовых точек. Для реализации этой идеи необходимо сформировать НК Si, разделенные достаточно высокими потенциальными барьерами и имеющими малую концентрацию дефектов внутри и на поверхности. На практике это обычно достигается разными способами, при которых НК оказываются внедренными в матрицу диоксида кремния 57( (ионная имплантация Si+ в SiC 2 с последующим отжигом, выращивание пористого кремния, совместное осаждение Si и /( золь-гельный метод и др.). Типичные размеры НК 2-5 нм, такого же порядка (или несколько больше) обычно и толщины барьерных областей. Размерное квантование в КТ (см. п. 1.2) приводит к увеличению эффективной ширины запрещенной зоны и позволяет сместить спектр ФЛ Si в более коротковолновую область по сравнению с массивным кремнием. Но главное, что при этом возрастает интенсивность ФЛ. Первоначально идея улучшения люминесцентных свойств кремния за счет наноструктурирования (создание квантовых точек) состояла в возрастании вероятности квазипереходов за счет использования соотношения неопределенности, согласно которому уменьшение размеров кристаллов приводит к возрастанию неопределенности импульса.
Фотолюминесцентные свойства системы a-Si/nc-Si, полученной путем облучения Si ионами Аг+ и Ne+
Из приведенного обзора следует, что накопленные к началу работы над диссертацией (2003 г.) результаты создали предпосылки для детального изучения процесса формирования светоизлучающей системы a-Si:nc-Si методом ионного облучения и исследования её свойств. Однако остались не решенными следующие вопросы.
1) Не было разработано корректных моделей процесса эволюции структу ры облученного слоя, которые позволили бы прогнозировать концентра цию нанокристаллических включений внутри аморфизованной матрицы (и тем самым прогнозировать дозовую зависимость интенсивности фотолю минесценции) с учетом вторичных процессов, которые играют важную роль для ионов малых и средних энергий.
2) Отсутствовали экспериментальные данные, которые, помимо результатов по фотолюминесценции, демонстрировали бы эволюцию наноструктуры облученных слоев. Такие данные важны для подтверждения модели фотолюминесценции системы fl-Si:nc-Si и интерпретации люминесцентных свойств системы.
3) Отсутствовали прямые данные по оптическим свойствам и зонной структуре аморфизованных слоев для конкретных условий, при которых формируется светоизлучающая система #-Si:nc-Si, что не позволяло доста-точно корректно описать механизмы фотолюминесценции этой системы.
4) Не были детально изучены закономерности фотолюминесценции светоизлучающей системы a-Si:nc-Si для ионов средних масс.
5) Экспериментально было обнаружено существование фотолюминесценции, аналогичной той, что имеет место в области переходных к аморфиза-ции доз, так же для доз, на порядок и более превосходящих дозу аморфи-зации. Однако оставался не ясным механизм формирования светоизлу-чающих нанокристаллов Si при «больших» дозах, когда механизм, связанный с неполной аморфизацией (область переходных доз), не может иметь место. Ввиду указанной аналогии люминесцентных свойств при «малых» и «больших» дозах ясно, что природа излучающих центров и в том и в другом случае должна быть единой, т.е. связанной с наличием нанокристаллов. В таком случае возникла необходимость создания соответствующей модели формирования нанокристаллов в области «больших» доз.
Исходя из этого, были сформулированы следующие задачи настоящей работы:
1. Детальное исследование люминесцентных свойств кремния, нанострук-турированного облучением ионами инертных газов при дозах, близких к дозе аморфизации («малые» дозы), изучение связанных с процессом формирования и эволюции наноструктур особенностей дозовых зависимостей концентрации парамагнитных центров.
2. Компьютерное моделирование процесса формирования и эволюции системы нанокристаллов в ионно-облученном «малыми» дозами кремнии с учетом вторичных процессов.
3. Исследование оптических свойств кремния, облученного «малыми» до-зами ионов инертных газов, и уточнение модели фотолюминесценции аморфного слоя, содержащей нанокристаллы Si.
4. Разработка модели формирования светоизлучающих нанокристаллов кремния для «больших» доз ионного облучения.
Первая серия образцов. Для исследования фотолюминесценции и ЭПР в качестве исходного материала использовались образцы Si (100) и Si (111) с удельным сопротивлением 0,1 Ом-см и 2000 Ом-см (высокоомный кремний применялся для исследований методом ЭПР). Пластины подвергались стандартной химико-механической обработке с последующим стравливанием нарушенного слоя ( 20 мкм). Облучение проводилось ионами Аг+ - с энергией 150 кэВ, дозами 4-Ю13 - 5-Ю15 см"2, ионами Ne+ - с энергией 150 кэВ, дозами 5-Ю14 - 5-Ю16 см"2 и ионами Ge+ - с энергией 80 кэВ, дозами 2-Ю13 - 5-Ю14 см"2. Плотность ионного тока, как правило, со-ставляла 3 мкА/см , при этом нагрев за счет энергии пучка был незначительным. Образцы, предназначенные для исследования фотолюминесценции (ФЛ), после облучения отжигались при температуре Т = 200, 250, 300 и 350С (0,5 часа) в атмосфере азота. Точность поддержания температуры составляла ± 10С.
Вторая серия образцов. Для исследования спектров оптического пропускания аморфизованного ионным облучением кремния пленки Si толщиной 1 мкм наносились с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии на подложки сапфира. Облучение проводилось ионами неона с энергией 100 кэВ, дозами 1-Ю14 - 1-Ю16. Для уменьшения степени неоднородности дефектности по глубине в образцы дополнительно проводилась имплантация ионов Ne+ с энергией 50 кэВ, причем доза второй имплантации подби-ралась так, чтобы степень неоднородности концентрации вакансий (рас считанной по программе TRIM) была минимальной. (В дальнейшем под дозой облучения понимается доза первой имплантации, так как вторая имплантация слабо влияет на концентрацию в максимуме распределения дефектов).
Методы исследования экспериментальных образцов
Фотолюминесценция (ФЛ) всех образцов измерялась на спектроскопическом комплексе КСВУ-23 в диапазоне длин волн 600-1000 нм при возбуждении аргоновым лазером на длине волны X = 488 нм (мощность пучка составляла 0,025 Вт, а диаметр светового пятна - 1 мм). Оптическая схема включала механический прерыватель с частотой модуляции около 300 Гц, длиннофокусную линзу, фокусирующую лазерный пучок на образце, эллиптическое зеркало, собирающее излучение на входной щели монохроматора МДР-23, и фотоумножитель ФЭУ-62 в качестве приемника излучения. Перед входной щелью монохроматора устанавливался фильтр из цветного стекла КС-19, пропускающий свет с длинами волн 700 нм, и интерференционный фильтр для исключения возбуждения люминесценции цветного стекла при 700 нм, возбуждаемой лазерным излучением. В экспериментах использовалась дифракционная решетка (600 штрихов/мм) с рабочим диапазоном длин волн 700-2000 нм. Чувствительность всей схемы контролировалась с помощью регистрации излучения нагретого черного тела и была практически постоянной в диапазоне 730-950 нм. Абсолютная величина интенсивности ФЛ не измерялась, но она сопоставлялась с интенсивностью эталонных образцов, измеренных в тех же условиях. В качестве последних использовались образцы SiC nc-Si, изготовленные методом ионной имплантации [136, 137]. Как правило, в нашем случае интенсивность была более слабой (на 1-2 порядка величины).
Алгоритм расчета кинетики формирования нанокомпозитной системы «-Si:nc-Si
На первом этапе с использованием программы TRIM, основанной на методе Монте-Карло [145], создается библиотека распределений вакансий в каскадах смещенных атомов. В качестве исходных параметров мишени в случае облучения кремния фигурировали: энергия смещения Ed = 20 эВ и энергия поверхностной связи Es = 5 эВ. Расчеты проводились для ионов
Ne+ (M2 = 20.18, Z2 = 10), Ar+ (M2 = 39.94, Z2 = 18) с энергией 150 кэВ и ионами Ge+ (М2 = 72.5, Z2 = 32) с энергией 80 кэВ. Число ионов в каждом испытании составляло 300. Для улучшения статистики желательно использовать большее число, однако увеличение числа ионов приводит к увеличе-нию числа дефектов, поскольку на каждый ион приходится в среднем 700-800 вакансий, что существенно повышает необходимый объем памяти. В силу парности дефектов типа вакансий и междоузлий для рассмотрения процесса аморфизации достаточно учитывать накопление только вакансий в объеме кристалла. Рассматривалось нормальное падение ионов и анализировалось распределение созданных ими дефектов по глубине. Поскольку аморфизация в первую очередь происходит на глубине, соответствующей максимуму распределения вакансий, моделирование процесса нанокриста-лизации проводилось для выделенного слоя, залегающего на этой глубине, хотя алгоритм пригоден для любой глубины.
Координаты (х, у, z) вакансий каждого каскада смещения заносились в итоговую базу данных их распределения.
Выбор размера ячеек определялся из следующих соображений. Чем меньше ячейки, тем более подробной будет картина пространственного распределения дефектов, но при этом для сохранения нужной статистики применительно к каждой ячейке приходится увеличивать число испытаний, т.е. возрастает время расчета. Более важно физическое соображение: размер ячейки, очевидно, должен быть существенно меньше размеров типичных каскадов, но, в то же время, должен быть соизмерим с размерами области ближнего порядка д-Si, равным 1-2 нм [48]. Таким образом, раз-мер ячейки 2x2x2 нм , по-видимому, близок к оптимальному. Для проверки чувствительности результатов к размеру ячейки мы выполнили расчеты также с ячейкой 1x1x1 нм3, при этом результат остался в пределах согласия с экспериментом, с учетом допустимых вариаций других использованных параметров.
1) Средняя частота Г падения ионов на модельную площадь (200x200 нм ) рассчитывалась по заданной плотности ионного токау: ч где S - площадь облученной поверхности, q - заряд иона, падающего на мишень. Исходя из найденной частоты падения, методом Монте-Карло разыгрывалось время от предыдущего до следующего очередного падения иона lition (Ation - время динамического отжига без генерации новых вакансий): Ation = --\nu, где и - случайная величина, равномерно распределенная в интервале от 0 ДОІ.
2) Вторичные процессы («динамический» отжиг) учитывались в соответст вии с моделью [101], а именно, предполагалось, что в промежутках време ни между падениями очередного иона происходят: 1. захват вакансий ненасыщающимися ловушками, концентрация которых (Nt) есть заданная величина; 2. объединение вакансий в дивакансии. При этом учтено, что при реальных плотностях ионного тока характерные длительности вторичных процессов и значения At очень велики по сравнению с характерными временами (10"9 с) «горячей» стадии каскада [101].
Изменения концентраций вакансий (Ni) и дивакансии (N2) в промежутках между падениями ионов описываются уравнениями: ct dt 2 (8) где ki и kt - кинетические коэффициенты (см. главу 1, пункт 1.7). В данном алгоритме не учтена возможность образования более сложных, чем дивакансии, дефектов, а также в явном виде не приняты во внимание междоузельные атомы и их комплексы. Неявно, однако, междоузельные атомы учитываются тем, что вводился захват вакансий ненасыщающимися ловушками, который математически эквивалентен непрямой рекомбинации с междоузельными атомами. Согласно [146], именно непрямая рекомбинация доминирует в случае облучения кремния. Вакансии, внесенные каждым новым ионом, реагируют между собой и с ловушками, а также с вакансиями, накопленными до этого времени. Таким путем определяется полное количество вакансий и дивакансии в каждой ячейке при любой дозе ионов. После того, как суммарная концентрация вакансий в ячейке - свободных и связанных в дивакансии становится равной заданной пороговой величине (принятой равной 10 ат. % [130]), ячейка считается «аморфизованной», и слежение за ней прекращается. Таким путем рассчитываются, как функции дозы, доля аморфной фазы, средние размеры / еще не аморфизованных участков и количество (на 1 см2) таких участков, имеющих размеры, меньшие определенного значения.
Люминесцентные свойства и структура кремния при «больших» дозах
Видно, что за счет динамического давления фрагментация в слоях с толщинами порядка 1 мкм возможна. В этих оценках приняты определенные значения размеров блоков и расстояний между ними. Эти значения представляются вполне разумными: размеры блоков - порядка размеров НК, расстояния между ними - одного порядка с размерами блоков. Вариация этих величин в разумных пределах приводит к несколько другим толщинам наноструктурированных слоев, но все равно они порядка десятых долей мкм или 1 мкм, что вполне реалистично. Это не противоречат данным по глубинам проникновения СМА при ионном облучении [150].
В связи с тем, что НК расположены в менее нарушенном слое (по сравнению со случаем «малых» доз), они «светятся» уже в отсутствие отжига. Этому, по-видимому, также способствует упомянутое выше формирование вокруг НК оксидных «рубашек» за счет проникновения из внешней среды кислорода.
Остается открытым вопрос о природе пика при 950 нм при «больших» дозах.
1. Предложен механизм формирования ІіК в Si на глубинах, превышающих толщину аморфизованного слоя, при облучении ионами электрически неактивных элементов дозами, существенно превышающих дозу аморфизации. Согласно этому механизму накопление радиационных точечных дефектов (междоузельных атомов) при ионном облучении приводит к возникновению существенных локальных напряжений кристаллической решетки, вызывающих наноструктурирование материала.
2. Произведенные расчеты показывают, что связанные с точечными радиационными дефектами статические напряжения недостаточны для поворота кристаллического блока, поскольку не превышают предел прочности материала. Однако в динамическом случае (когда производится учет акустических волн, генерируемых при реакциях между дефектами) расчет дает значения глубины до 1 мкм под аморфизованным слоем, на которой может наблюдаться поворот кристаллических блоков, приводящий к наноструктурированию материала. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Предложен и реализован алгоритм компьютерного расчета процесса ионно-лучевого формирования композитных слоев, состоящих из на нокристаллов Si в аморфной матрице (a-Si:nc-Si), учитывающий вторич ные процессы при ионном облучении, в области доз, близких к дозе аморфизации (области «малых» доз).
2. Экспериментально полученный при ионном облучении Ne+ и Аг+ характер дозовой зависимости ФЛ в области «малых» доз совпадает с характером изменения концентрации нанокристаллов, установленным путем компьютерного расчета процесса формирования и эволюции наносисте-мы.
3. Впервые установлен немонотонный характер дозовой зависимости концентрации парамагнитных центров, обусловленный формированием на-носистемы tf-Si:nc-Si.
4. Путем исследования оптических свойств аморфизованного ионным облучением Si показано, что его эффективная ширина запрещенной зоны недостаточна для осуществления обычного квантового конфайнмента, обусловленного разрывом энергетических зон нанокристаллов и a-Sl Квантовый конфайнмент в системе #-Si:nc-Si обусловлен флуктуациями потенциала в аморфной матрице, окружающей нанокристаллы.
5. При «больших» дозах облучения Si люминесцирующие нанокристаллы могут формироваться вследствие фрагментации глубоких слоев моно-кристалла силами, связанными с акустическими волнами, испускаемыми дефектами.
