Электронная спектроскопия и микроскопия поверхности бинарных материалов (Pd–Ba, CoSi2 и GaAs), имплантированных ионами низких энергии

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире на сегодня в бурно развивающемся направлении области физической электроники одним из перспективных направлений является исследование физических процессов в наноразмерных многослойных структурах. Вмете с тем, получение нанокластерных фаз и наноразмерных многослойных структур, тонкие пленки и гетероструктуры полученные на основе Si и GaAs, создание интегральных схем, вплоть до перехода на наноразмерные структуры и улучшения эксплуатационных характеристик является одной из важных проблем.
В годы независимости в республике развитию области физической электроники особое внимание уделено получению новых наноразмерных структур и многослойных квантово-размерных гетерокомпозиций методом МЛЭ в сочетании с низкоэнергетической ионной бомбардировкой. В этом аспекте по получению новых материалов в виде многослойных квантоворазмерных гетероструктур и наноконтактов к ним, новых типов полупроводниковых приборов и интегральных схем, в частности, планарных интегральных детекторов коротковолновых и ионизирующих излучений, детекторов УФ-излучений, баллистических транзисторов, интегральных схем достигнуты существенные результаты. На основе Стратегии действий дальнейшего развития Республики Узбекистан в области физической электроники получение гетерозпитаксиальных структур и наноразмерных пленок, а также их формирование и изучение в процессе преобразования физических процессов имеет важное значение при решении вопросов расширения их функциональных возможностей.
На сегодня в мире уовершентвование технологии получения бинарных материалов ионной имплантацией, получение структур с новыми свойствами позволит повыить эффективность их работы. В этом плане целевые исследования, в том числе осуществление ниже приведенных научных исследований: определение основных механизмов формирования однокомпонентных наноразмерных структур на поверхности бинарных материалов различной природы (металлосплавов и полупроводников) и различной химической связи (интерметаллической, ковалентной и ионной) при бомбардировке ионами Аг+; изучение электронной и кристаллической структуры наноразмерных фаз, созданных на поверхности GaAs имплантацией ионов А1+; изучение электронной структуры (параметры энергетических зон и плотность состояния валентных электронов) наноразмерных структур, созданных на поверхности CoSi2 и GaAs ионной бомбардировкой. Проводимые в этих направлених научные исследования указывают на актуальность темы данной диссертации.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индус-трии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года и №-ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организаций, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере.
Целью исследования является комплексное изучение механизмов модификации и особенностей образования наноразмерных структур в поверхностных слоях PdBa, CoSi2 и GaAs при низкоэнергетической ионной бомбардировке с последующей термической и лазерной обработкой.
Научная новизна исследования заключаются в следующем:
предложена структурная модель поверхности Pd-Ba, активированного в высоком вакууме и в атмосфере кислорода и разработана методика равномерной активировки поверхности сплавов Pd-Ba цилиндрической формы методами лазерной абляции и имплантации ионов Ва+;
показано, что форма и размеры нанокристаллических фаз образующихся на поверхности Pd и Pd-Ba при дозах облучения D < 1013 см'2 в основном зависит от микрорельефа поверхности, а при высоких дозах D > 51015 см'2 не зависит; наиболее вероятным механизмом образования участков с кристаллической структурой под действием имплантации больших доз ионов является разогрев мишени в области теплового пика, приводящий к расплавлению материала;
методом ионной бомбардировки (Аг* и О+) в сочетании с отжигом получены однородные регулярно расположенные наноразмерные фазы и эпитаксиальные нанопленки Si и CoSiO на поверхности CoSi2/Si (111), а также определены зависимости размеров нанокристаллических фаз от энергии и дозы ионов;
разработаны механизмы формирования однокомпонентных наноразмерных структур на поверхности материалов различной природы (металлосплав Pd2Ba, полупроводники CoSi2 и GaAs) и типа химической связи (интерметаллический, ковалентный и ионно-ковалентный) при бомбардировке ионами Аг+;
определены оптимальные условия ионной бомбардировки и последующего отжига получения многослойных структур Si-CoSi2-Si, CoSiO-CoSi2-Si, Ga-GaAs-Ge, GaAlAs-GaAs и построены их энергетические зонныедиаграммы.
Заключение
На основе комплексного изучения механизмов модификации и особенностей образования наноразмерных структур в поверхностных слоях PdBa, CoSi2 и GaAs при низкоэнергетической ионной бомбардировке с последующей термической и лазерной обработкой сделаны следующие выводы:
1. Установлено, что имплантация ионов Ва+ с Ео = 0,5-^5 кэВ при D = 1015 см'2 в Pd и Pd-Ba в зависимости от микрорельефа поверхности образцов приводит к формированию нанокластерных фаз различной формы и размеров, в частности, в случае Pd-Ba наличие следов механической обработки приводит к образованию разветвленных линий с шириной 2-3 мкм, обогащенных атомами Ва. При D = DHac = 6-1016 см'2 поверхность Pd-Ba и Pd состоит из крупнозернистых блоков соединений типа PdBa и Pd2Ba с четкими гранями и размерами 5-10 мкм, характерные для кристаллических пленок.
2. Показано, что при лазерной активировке можно достигнуть наибольшей степени чистоты поверхности, следовательно, максимального увеличения коэффициента вторичных электронов Pd-Ba без напуска водорода, разработана модель расположения атомов Ва, О и Pd на поверхности и по профилю Pd-Ba, активированного в высоком вакууме и в атмосфере кислорода.
3. Выявлены основные механизмы отказа стандартных катодов Pd-Ba в процессе их длительной (t > 500 час) эксплуатации и появление на поверхности этих катодов отдельных дефектных участков в виде пузырьков с размерами 15-20 нм и обнаружено увеличение концентрации атомов С и S до 10-15 ат.% и появление атомов подложки (Мо).
4. Определены значения Eg, X, cm и р нанопленок CoSi2/Si (111) разной толщины (0 = 10 - 100 нм), в которых глубина зоны выхода истинновторичных электронов X пленок CoSi2 составляет ~ 80-100 А и определены оптимальные режимы ионной бомбардировки и последующего отжига для формирования нанопленочной системы Si - CoSi2 - Si.
5. Выявлены основные механизмы формирования однокомпонентных наноразмерных структур на поверхности пленок различной природы и типа химической связи (металлосплав Pd2Ba, полупроводники CoSi2, GaAs) при бомбардировке их ионами Аг*.
6. Получены наноструктуры трехкомпонентных соединений Ga,.xAlxAs с толщиной 0 = 20 - 70 А в поверхностной области GaAs имплантацией ионов АГ с энергиями от 0,5 до 5 кэВ в сочетании с отжигом. При низких дозах облучения (D < 1015 см'2) формировались нанокристаллические фазы, а при больших дозах (D > 2-1016 см'2) - нанопленки типа Gao.5Alo.5As. Изменяя температуру постимплантационного отжига в интервале 850-1000 К значение х можно регулировать в пределах от 0,5 до 0,2. При этом ширина запрещенной зоны трехкомпонентной пленки уменьшается от 2,4 эВ до 1,6эВ. Показано, что ширина запрещенной зоны Eg нанокристаллической фазы Ga05Al05As с поверхностными размерами 25-30 нм составляет 2,8-2,9 эВ, а для нанопленки с толщиной 20-25 нм ~ 2,3 эВ.
7. Проведена оценка ширины запрещенной зоны и плотности состояния валентных электронов одно- и трехкомпонентных наноразмерных структур, созданных на поверхности полупроводников ионной бомбардировкой, в частности, в результате уменьшения поверхностных размеров нанокристаллов с ~ 50 - 60 нм до ~ 10 нм ширина запрещенной зоны Si увеличивается от 1,2 до 1,5 эВ, CoSiO - от 2,4 до 2,8 эВ, Ga^Al^As - от 2,4 до 2,9 эВ.
8. Оптимальные условия получения наноструктур GabxAlxAs с управляемой шириной запрещенной зоны представляют интерес для создания наноэпитаксиальной структуры Si/CoSi2/Si для СВЧ транзисторов с проницаемой и металлической базой.