автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Синтез и модификация свойств светоизлучающих кремниевых и кремний-углеродных нанокластеров в оксидных слоях с применением ионной имплантации

На правах рукописи

4855019

БЕЛОВ АЛЕКСЕИ ИВАНОВИЧ

СИНТЕЗ И МОДИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ КРЕМНИЕВЫХ И КРЕМНИЙ-УГЛЕРОДНЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ В ОКСИДНЫХ СЛОЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9 СЕН 2011

Нижний Новгород - 2011

Работа выполнена в Научно-исследовательском физико-техническом институте Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Давид Исаакович Тетельбаум

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Николай Николаевич Герасименко

Ведущая организация: Институт физики микроструктур РАН,

г. Нижний Новгород

Защита состоится «12» октября 2011 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д.212.166.01 в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. 3 (НИФТИ)

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского

кандидат физико-математических наук, Хайбуллин Рустам Ильдусович

Автореферат разослан < •> сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.166.01, доктор физико-математических наук, профессор

А.И. Машин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одной из основных проблем создания электронных и оптоэлектронных приборов является разработка устройств на основе наноструктурированных материалов. Такие материалы позволяют не только радикально повысить пределы интеграции и быстродействие интегральных схем, но и решить качественно новые задачи, такие как замена электрических межсоединений на оптические, синтез светоизлучающих структур на базе непрямозонных полупроводников IV группы, в частности, кремния, интеграция на едином чипе многофункциональных устройств (световодов, оптических усилителей, элементов памяти и др.). Основная трудность применения кремния в оптоэлектронике - низкая эффективность люминесценции из-за его непрямозонной энергетической структуры. Проблемы, связанные с непрямозонностью кремния, принципиально могут быть преодолены путем создания ансамблей кристаллов нанометрового размера, погруженных в диэлектрическую матрицу. Для формирования таких наноструктур оптимальным методом, полностью совместимым с традиционной технологией микроэлектроники, является ионная имплантация.

В большинстве работ, посвященных изготовлению и исследованию наноструктур на основе нанокристаллов (НК) Б! в диэлектрических матрицах, в качестве матрицы использовался оксид 8102. В полупроводниковой микроэлектронике требование уменьшения толщины подзатворного диэлектрика МОП-структур сделало актуальным переход от БЮг к материалам с большей диэлектрической проницаемостью диэлектрики). Оксид алюминия (А1203) является одним из кандидатов для замены 8Ю2, поскольку ширина его запрещенной зоны (7-8 эВ) близка к ширине запрещенной зоны 8Ю2, а диэлектрическая проницаемость (~ 9) в несколько раз выше. К началу выполнения данной работы был экспериментально зафиксирован факт ионно-лучевого формирования НК 81 в аморфной и кристаллической матрицах АЬОз [1,2]. Однако для ионного синтеза НК 81 использовался лишь узкий диапазон условий имплантации, что не позволяло установить закономерности влияния условий синтеза на формирование НК и выявить связь люминесцентных свойств с режимами синтеза. При имплантации в монокристаллическую матрицу АЬОз (сапфир) вообще не было обнаружено типичной фотолюминесценции (ФЛ), обусловленной НК 81. Поэтому проблема ионно-лучевого синтеза НК 81 в АЬ03 и их люминесцентных свойств требовала детального исследования с использованием широкого диапазона доз имплантации, условий отжига и применением комплекса различных методов диагностики структуры, фазового состава и свойств. Формирование в единых условиях НК 81 при имплантации в аморфный и кристаллический А1203 и сравнение с ионно-синтезированной системой НК 81 в "традиционной" матрице 8Ю2 позволило бы выяснить влияние вида исходной матрицы на свойства НК.

В последнее время возрос интерес к применению наноразмерного карбида кремния в электронных и электронно-оптических устройствах. Нанокластеры карбида кремния в матрице 8Ю2 обладают люминесценцией в синей области, а в сочетании с НК 81 и нанокластерами углерода спектр ФЛ способен перекрывать весь видимый оптический диапазон, что перспективно для создания цветных дис-

плеев, биологических и химических сенсоров и др. Процессы, происходящие при совместной имплантации и С+ в слои 5102 с целью формирования данной системы, были изучены в недостаточной степени. В частности, отсутствовало единое мнение о природе центров, с которыми связаны различные полосы ФЛ. Исследования в основном ограничивались случаями совместной имплантации ионов БГ и С+ с равными дозами, что не позволяло выявить особенности процессов формирования нановключений 81, С и и проследить за эволюцией свойств при вариации элементного состава системы. Важным вопросом является влияние исходного состава и условий изготовления слоев оксида кремния (чистый 8102, 810х с х<2) на фазовый состав и люминесцентные свойства. Особый интерес представляет случай использования в качестве исходного материала пленок нестехиометриче-ского оксида БЮ* с избытком кремния, что устраняет необходимость имплантации в них 81+ (для создания нанокристаллов Б1С) и тем самым упрощает технологию формирования системы.

Расширение круга наносистем типа "оксидная матрица - нанокластер", применяемых в самых различных областях, повышает актуальность исследований систем (в том числе с использованием люминесцентной спектроскопии как диагностического метода), в которых одним из компонентов является хорошо изученный объект (матрица 8Ю2 и нанокристаллы Б1), а вторым - менее изученный (в нашем случае матрица А120з и родственные кремниевым нанокластеры на основе элементов 4-ой группы (С и БЮ)). Такой выбор систем, как предмета исследований, облегчает установление общих физических закономерностей синтеза нано-материалов данного класса. С другой стороны, выбор ионной имплантации, как способа формирования наноструктур, помимо аргумента, связанного с наилучшей совместимостью этого метода с традиционной технологией изготовления интегральных схем, способствует развитию физических представлений о процессах структурно-фазовых превращений в неравновесных условиях применительно к наноматериалам. В настоящее время этот раздел физики твердого тела находится в фокусе интересов специалистов.

Цель и основные задачи работы

Цель работы - исследование закономерностей ионно-лучевого формирования и люминесцентных свойств нанокристаллов кремния в матрице А1203 и угле-родосодержащих нановключений в матрице БЮг.

Основные задачи работы:

1. Установление зависимостей интенсивности ФЛ от дозы ионов и температуры отжига при имплантации БГ в пленки А1203 и сапфир. Установление возможности получения ФЛ НК 81 в сапфире и выяснение условий, обеспечивающих проявление НК 81 люминесцентных свойств в указанной матрице. Сравнение полученных результатов с таковыми для системы 8Юг с НК 81. Исследование связи люминесцентных свойств с фазовым составом и структурой системы А120з:81 с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии, электронной дифракции, рамановского рассеяния света, ИК Фурье-спектроскопии, электронного парамагнитного резонанса. Изучение влияния ионного легирования на ФЛ НК 81 в АЬ03.

2. Установление закономерностей изменения спектров ФЛ в системе, синтезированной путем совместной имплантации кремния и углерода в 8Ю2, от дозы ионов С+ и условий отжига, проводимого до и после формирования НК 81. Исследование спектров ФЛ при имплантации углерода в нестехиометрический оксид 810,. Определение состава и структуры полученных слоев с применением методов электронной микроскопии, электронной дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, выяснение связи состава структуры с люминесцентными свойствами. Исследование дефектов методом электронного парамагнитного резонанса. Установление влияния ионного легирования (Р+, В+, на ФЛ.

3. Анализ механизмов электронного транспорта и выявление возможности возбуждения электролюминесценции в диодных структурах на основе оксидных слоев с НК 81, нанокластерами и С.

Научная новизна работы

1. Впервые установлена зависимость фотолюминесцентных свойств аморфных пленок АЬОз, имплантированных ионами кремния, от дозы ионов при различных условиях отжига, в сравнении с ионно-синтезированной системой нанок-ристаллов кремния в матрице 8Ю2.

2. Экспериментально и теоретически оценены механические напряжения, действующие со стороны матрицы на ионно-синтезированные в сапфире нанок-ристаллы 81 и служащие причиной гашения фотолюминесценции нанокристаллов. Установлено, что необходимым условием проявления фотолюминесцентных свойств нанокристаллов кремния в матрице А1203 является формирование вокруг нанокристаллов оболочек 8Ю2.

3. Впервые обнаружена фотолюминесценция нанокристаллов кремния, синтезированных в сапфире; установлено, что такая фотолюминесценция имеет место в случае постимплантационного отжига в окисляющей атмосфере при определенном содержании кислорода.

4. Впервые установлено, что при ионной имплантации углерода в исходно нестехиометрический оксид БЮ, (с избытком кремния) формируются нанокла-стеры углерода и карбида кремния, обладающие фотолюминесценцией в видимой области спектра. Установлены закономерности изменения спектров фотолюминесценции в зависимости от условий имплантации и отжига при совместной имплантации ионов 81+ и С+ в пленки стехиометрического оксида 8Ю2. Показано, что формирование светоизлучающих нановключений углерода и карбида кремния происходит идентичным образом при обоих способах создания избытка кремния в 8Ю2. Впервые обнаружено усиление фотолюминесценции углеродосодержащих нанокластеров при имплантации ионов азота.

5. Установлено, что в пленках 8Ю2 и А1203 с ионно-синтезированными на-нокристаллами 81, а также в пленках 8Ю2 с ионно-синтезированными нанокластерами и С, электронный транспорт описывается теорией, разработанной для механизма туннелирования по цепочкам наногранул в условиях кулоновской блокады, и теорией Пула-Френкеля.

Практическая ценность работы

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы при разработке устройств интегральной оптики, опто- и наноэлектроники.

Получение люминесцирующих нанокристаллов Si в А1203 может быть в перспективе применено для создания многофункциональных устройств, сочетающих функции энергонезависимой памяти (на МДП-транзисторах с тонким подзатворным диэлектриком А1203) и светодиодов, а также в оптоэлектронных устройствах на базе структур "кремний на сапфире" при совмещении на одном чипе электронных и светоизлучающих элементов.

Получение люминесценции от нановключений при имплантации ионов кремния и углерода в пленки Si02 может быть использовано для разработки оптоэлектронных приборов, работающих в экстремальных условиях (высокие частоты, температуры, мощности), а также источников света, например, для дисплеев. Обнаружение "белой" фотолюминесценции при ионной имплантации углерода в не-стехиометрические пленки SiOx позволяет упростить технологию создания люминесцентных слоев по сравнению с двойной имплантацией углерода и кремния в стехиометрический Si02.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Условием проявления фотолюминесцентных свойств ионно-синтезированных нанокристаллов кремния в матрице А1203 является наличие вокруг нанокристаллов оболочек Si02.

2. Отсутствие фотолюминесценции нанокристаллов кремния, сформированных в матрице сапфира методом ионной имплантации при отжиге в инертной атмосфере, обусловлено наличием высоких механических напряжений, действующих со стороны матрицы и приводящих к формированию центров безызлучатель-ной рекомбинации вследствие разрыва связей на границе раздела нанокристалл-оксид.

3. Процессы ионного синтеза и светоизлучающие свойства нанокластеров карбида кремния и углерода в пленках оксида кремния с избытком кремния идентичны в случаях, когда избыток кремния создается путем ионной имплантации Si+ в пленки Si02 и когда он присутствует в исходном осажденном оксиде SiOx. Имеет место взаимная корреляция процессов формирования нанокластеров двух фаз -углерода с алмазоподобной структурой и карбида кремния.

4. Вольтамперные характеристики диодных структур на основе ионно-синтезированных слоев Si02 и А1203 с нанокристаллами Si, а также слоев Si02 с нанокластерами SiC и С описываются теорией электронного транспорта по цепочкам наногранул в условиях кулоновской блокады, а также теорией Пула-Френкеля.

Личный вклад автора

Подготовка и отжиг образцов, исследования оптических, люминесцентных и электронно-транспортных свойств, теоретическая оценка механических напряжений в системе нанокристаллов выполнялись автором самостоятельно. Ионное облучение проводилось ведущими инженерами НИФТИ В.К. Васильевым и Ю.А. Дудиным. Первичные данные по структуре и составу образцов были получены различными методами в НТВП «Поверхность», Москва (А.И. Ковалев, Д.Л. Вайнштейн), Университете Осло (Т. Finstad, S. Foss), в Университете Бен-Гуриона, Израиль (Y. Golan, A. Osherov) в рамках совместных международных проектов и в НОЦ ФТНС, а также на физическом факультете ННГУ (Д.Е. Нико-

личев, A.B. Боряков, Т.А. Грачева, Н.Д. Малыгин, A.B. Нежданов, Д.В. Гусейнов). Планирование экспериментов и анализ результатов проводились автором совместно с научным руководителем и с.н.с. НИФТИ Михайловым А.Н.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Н.Новгород, 2006, 2010; Казань,

2008), VIII Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.Петербург, 2006), International Conference on Ion Beam Modification of Materials (Taormina, Italy, 2006; Dresden, Germany, 2008; Vieux Montréal (Québec), Canada, 2010), Ежегодный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Н.Новгород, 2007, 2008, 2010), International Conference "NanoTech Insight" (Luxor, Egypt, 2007; Barselona, Spain, 2009), Международная конференция "Кремний" (Москва, 2007, 2008, Н.Новгород, 2010), 18-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2007), 15-th International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams (Mumbai, India, 2007), Нижегородская научная сессия молодых ученых (Н.Новгород, 2007, 2008), International Conference on Electronic Materials (Sydney, Australia, 2008), International Conference "Nanomeeting-2009" (Minsk, Belarus,

2009), 5th IUP AC International Symposium on Novel materials and their Synthesis (Shanghai, China, 2009), International Conference on Materials for Advanced Technologies (Suntec, Singapore, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 12 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в сборниках трудов конференций и 29 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 150 страниц, включая 54 рисунка, 1 таблицу, список литературы, который содержит 206 наименований и список публикаций по теме диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, указана научная новизна и практическая значимость работы; приведены основная цель и задачи работы, представлены сведения о структуре и содержании диссертации; сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 дан обзор литературы по формированию и свойствам НК Si в матрицах Si02 и А1203 (аморфные пленки и монокристаллический сапфир), на-нокластеров SiC и С в слоях SÍO2, по применению НК Si и карбида кремния в качестве источников света, а также в устройствах энергонезависимой памяти и солнечных элементах. Кратко описаны теории электронного транспорта через диэлектрические пленки. Анализ литературных данных привел к следующему заключению.

К началу выполнения работы факт ионно-лучевого формирования НК Si в А120з был экспериментально зафиксирован методом просвечивающей электронной микроскопии, однако не было получено ФЛ НК Si в монокристаллическом оксиде алюминия, а наблюдаемая ФЛ в пленках А120з с НК Si не получила обоснованной интерпретации. Отсутствовал сравнительный анализ свойств данной системы со свойствами хорошо изученной системы SiCb с НК Si. По ионно-лучевому синтезу кремний-углеродных включений в матрице Si02 имелись лишь единичные работы, в частности, не исследовалось влияние вариации дозы ионов Si и С, а также порядка имплантации и отжига. Отсутствовали работы по влиянию ионного легирования на ФЛ НК Si в А120з и нанокластеров SiC и С в Si02.

Таким образом, материал главы служит обоснованием цели и задач работы.

Глава 2 посвящена установлению и анализу закономерностей ионно-лучевого синтеза НК Si в аморфной и кристаллической матрице А120з, изучению их люминесцентных свойств и сравнению со свойствами ионно-синтезированных НК Si в Si02. Изучено влияние легирования и среды отжига на ФЛ НК Si.

В разделе 2.1 описаны методика подготовки образцов и методы их исследования, которые включали измерение спектров ФЛ, просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ), инфракрасную Фурье-спектроскопию, рентгеновскую дифракцию, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), конфокальную раманов-скую микроскопию. В качестве исходных материалов использовались термические пленки Si02 (580 нм), осажденные на кремний аморфные пленки А120з (300 нм) и пластины монокристаллического сапфира. Имплантация ионов Si+ проводилась с энергией 100 кэВ и дозами в интервале 5-1016-3-10п см"2. Температура образцов во время имплантации, как и во всех следующих экспериментах, не превышала 50 °С. После облучения образцы отжигались при температурах 5001100 °С (2 ч) в потоке осушенного азота. В отдельных экспериментах отжиг проводился в смеси азота и кислорода в различных пропорциях. Для исследования влияния ионного легирования примесных атомов на ФЛ НК Si в матрице сапфира после имплантации Si+ проводилась имплантация Р+ с дозами от 0,001 до 0,1 от дозы Si+. Энергии ионов Si+ и Р+ подбирались таким образом, чтобы получить примерное совпадение их профилей распределения. Последующий отжиг проходил в потоке азота при 1000 и 1100 °С (2 ч). Часть образцов дополнительно облучались ионами водорода с последующим отжигом при 400 °С (2 ч) в инертной атмосфере, а другая часть после имплантации Si+ и Р+ с последующим отжигом 1000°С отжигалась при 500 °С (1 ч) в водороде при атмосферном давлении. В этих экспериментах преследовалась цель изучения влияния на ФЛ легирования фосфором, которое усиливает ФЛ НК Si в матрице Si02 [3], и водородной пассивации дефектов.

ФЛ измерялась при комнатной температуре в диапазоне длин волн 350-900 нм при возбуждении импульсным азотным лазером на длине волны 337 нм.

В разделе 2.2 проводится сравнительный анализ процессов формирования и фотолюминесцентных свойств НК Si в аморфных пленках Si02 и в матрице А1203 (сапфире и осажденных пленках).

В пленках Si02 полоса ФЛ с максимумом при 800 нм (рис. 1а) обусловлена излучательной рекомбинацией между уровнями размерного квантования в НК Si с

размерами 3-5 нм [4]. Для пленок А120з (рис. 16) ситуация качественно аналогична: после отжига при температурах более 900 °С появляется полоса ФЛ при 700850 нм, которая, как и для системы Si02 с НК Si, немонотонно зависит от дозы Si+, достигая максимального значения интенсивности при дозе 1-Ю17 см"2. Спад интенсивности ФЛ при больших дозах сопровождается увеличением длины волны в максимуме с 790 до 805 нм. Для Si02 с НК Si такое поведение ФЛ объяснялось ростом размеров НК за счет коалесценции, что приводит к снижению оптической щели за счет квантово-размерного эффекта и снижению силы осциллятора. Из идентичности положения полосы ФЛ и характера ее поведения с дозой для Si02 и А12Оз сделан вывод, что эта полоса в пленках А1203 связана именно с НК Si.

В случае сапфира характерная для НК Si полоса ФЛ отсутствовала, хотя формирование НК Si было установлено методом ПЭМ высокого разрешения. Было показано, что при имплантации образуется скрытый аморфный слой А1203, внутри которого при отжиге формируются НК Si. После отжига при 1050 °С слой рекристаллизуется, при этом, наряду с исходной фазой а-А1203, присутствуют кристаллиты у-А1203, которые ориентационно сопряжены с НК Si. Таким образом, есть основания полагать, что по крайней мере часть НК Si растет когерентно по отношению к кристаллическим включениям А12Оз. Этот факт является проявлением принципа структурного соответствия фаз при ионно-лучевом синтезе [5]: из набора фаз, которые могут формироваться при ионной имплантации, преимущественно образуются те, атомная структура которых получается из исходной (или ранее образованной) путем относительно небольших конфигурационных перестроек. Методом электронной дифракции на отражение была установлена кристаллизация при отжиге также и имплантированных Si+ пленок А120з.

ф

4,0 . 3,5 3,0

SiOj{пленка)

и 2>s ®2,о

о 1,5

CQ

о 1,0

X

<ц

н 0,5 S

0,0

1 - исх. оксид

2-S¡*(710"cm'!)

3- SI* + 1000 •С

4-Si* + 1100 »C

(а)

1 |«0,2)

ФЛ дефектов а оксиде

3,0

Ч 2,5

AlíOJ (пленка)

1 - исх. оксид 2-Si" (1-10" см") 3 - Si* ♦ 900 °С 4-Si*+ 1100 "С

500 550 в00 650 700

Длина волны,нм

750 800 850

400 450 500 550 600 650 700 750 800 SS0

Длина волны,нм

Рис.1. Спектры ФЛ пленок Si02 (а) и А1203 (б), подвергнутых имплантации Si+ и отжигу.

Формирование кристаллических фаз Si в пленках А120з, Si02 и сапфире было подтверждено данными рентгеновской дифракции (рис. 2). В случае имплантации Si+ в пленки А1203 получено прямое подтверждение формирования НК Si по наличию дифракционной линии Si (111). Рассчитанные по дифрактограмме параметры решетки НК Si в обеих оксидных пленках (а = 0,546±0,001 нм в Si02 и а = 0,545±0,001 нм в А1203) практически совпадают со значением для объемного Si (а = 0,543 нм). Характерно, что линия (111) от НК Si в сапфире сдвинута в сторону

больших углов по сравнению с табличным значением для массивного кремния. Соответствующий параметр решетки НК 81 составил 0,537±0,001 нм. Уменьшение постоянной решетки по отношению к объемному материалу указывает на присутствие напряжений сжатия НК 81, действующих со стороны сапфира, тогда как в пленках А1203 такие напряжения отсутствуют, либо существенно меньше.

Спектроскопия рамановского рассеяния света показала, что в плавленом кварце с НК 81 обнаруживается полоса рассеяния 515-520 см"1, а в сапфире - 527 см"1. В обоих случаях рассеяние обусловлено НК вь Меньшее значение рамановского сдвига в кварце по сравнению с массивным кремнием (521 см"1) обусловлено эффектом размерного ограничения фононов в НК Бь Оценка среднего размера НК 81 по положению рамановского пика [6] дает значение -3,8 нм, что хорошо согласуется со значением 3,3 ± 0,8 нм, полученным из данных ПЭМ. В случае сапфира величина сдвига 526-527 см"1 превышает значение, присущее массивному 81, что еще раз свидетельствует о наличии сжимающих напряжений, действующих на НК со стороны матрицы. Оценка напряжений по положению рамановского пика [7] дает величину 1,2 ГПа.

оксид:81':1100 °С

Методом ИК Фурье-спектроскопии установлено, что в пленках А1203, имплантированных ионами 81+, при температурах отжига более 900 °С на спектрах ИК-пропускания присутствуют полосы поглощения, характерные для поперечных оптических колебаний связей 81-0-81 в оксиде кремния, причем интенсивность полос растет с дозой. Путем вычитания спектров поглощения неимплантирован-ных пленок А120з из спектров поглощения пленок с НК 81 показано, что фаза 8Ю2 возникает за счет окисления именно НК 81, а не границы раздела А1203 с подложкой или ее обратной стороны. О формировании прилегающих к НК 81 областей 8Ю2 (оболочек) свидетельствуют и данные ЭПР, выявившие наличие типичных для границ 81/8Ю2 Д-центров, которые служат центрами безызлучательной рекомбинации.

Исходя из результатов раздела 2.2, в разделе 2.3 делается вывод, что главной причиной отсутствия ФЛ НК 81 в сапфире является наличие механических напряжений и обусловленный этим разрыв связей на границах раздела НК 81/А1203. Термические напряжения возникают при охлаждении образцов после

160

Рис. 2. Рентгеновская дифрактограм-ма линии 81(111) для имплантированных 81+ пленок 8Ю2, А1203 (БГ 3-1017 см"2) и слоев сапфира (ЭГ 1-Ю17 см"2) после отжига при 1100 °С. Кривые -результат аппроксимации экспериментальных данных гауссовой функцией.

27,0 27,5 28,0 28,5 29,0 29,5 30,0

2в, град

постимплантационного отжига из-за различия коэффициентов термического расширения и сапфира [8]. Используя модель "шар в полости" [9], сделана теоретическая оценка термических напряжений сжатия а, действующих на НК. Для отжига при 1050 °С получено значение а ~ - 8-108 Па, что близко к приведенным выше экспериментальным данным. Такие напряжения существенно превышают предел текучести Б1 и близки к пределу прочности 7-108 Па [8]. Вполне обоснованно можно приписать отсутствие ФЛ НК Б! в сапфире разрыву межатомных связей на границе раздела НК с матрицей.

В осажденных пленках АЬ03, вследствие более рыхлой структуры и окисления НК 81, облегчена релаксация механических напряжений, что объясняет факт проявления фотолюминесцентных свойств нанокристаллов.

В разделе 2.4 приведены результаты исследования влияния ионного легирования фосфором и водородом на люминесцентные свойства НК в матрице АЬОз (сапфир). Примесь фосфора вводилась сразу после имплантации кремния, а водород внедрялся в образцы, в которых уже были при отжиге (1000 °С) сформированы НК Бь Выбранные режимы ионного легирования для случая системы БЮ2 с НК 81 обеспечивали максимальное усиление люминесценции НК [10]. Однако в случае системы НК Б1 в сапфире имплантация ионами фосфора и водорода ни в одном из режимов не привела к появлению ФЛ в районе 700-900 нм, которую можно было бы приписать НК Бь По-видимому, фосфор либо не встраивается в НК и (или) границы раздела Б^АЬОз, либо встраивается, но не заполняет оборванные связи на интерфейсах НК с матрицей. Дополнительный отжиг в атмосфере водорода, применяемый для пассивации границ раздела НК-81/матрица [4], также не привел к появлению ФЛ от НК Бь Таким образом, не удается улучшить люминесцентные свойства НК Б1 в сапфире путем легирования и водородной пассивации.

Поскольку в пленках А120з НК окружены оболочкой 8Ю2, и при этом наблюдается характерная ФЛ НК Б1, а в сапфире такая ФЛ при отжиге в инертной атмосфере отсутствовала, то для исследования возможности получения ФЛ в сапфире было проведено окисление переферии НК 81 путем отжига в кислородосо-держащей атмосфере. Результаты соответствующих экспериментов приведены в разделе 2.5. При этом в матрице сапфира впервые зафиксировано появление ФЛ в области 750-820 нм, обусловленной НК (рис. За). Для пленок А1203 и для сапфира зависимости интенсивности ФЛ от пропорции кислорода в атмосфере отжига качественно аналогичны (рис. 36). Отличие в том, что в пленках ФЛ имеет место и при отжиге в "чистом" азоте. Это связано с присутствием свободного кислорода в исходной оксидной пленке.

Механизм ФЛ индивидуальных НК в АЬОз, по-видимому, такой же, как и в 8Ю2, поскольку люминесцирующие НК в А1203 окружены оболочкой 8Ю2. Сделан вывод о том, что необходимым условием проявления фотолюминесцентных свойств ионно-синтезированных НК в матрице А1203 является наличие вокруг нанокристаллов оболочек 8Ю2. Оболочка БЮг, во-первых, способствует снижению механических напряжений (с учетом коэффициентов термического расширения 81, 8Ю2 и А1203 напряжения, действующие на НК в матрицах А1203 и БЮг, должны иметь противоположные знаки). Во-вторых, интерфейс 8Ю2/81 ха-

11

рактеризуется сравнительно низкой плотностью оборванных связей, чем обусловлено применение 8Ю2 в кремниевой микроэлектронике.

Рис. 3. Спектры ФЛ сапфира, облученного 8Г", после отжига в атмосфере с различным содержанием кислорода (а); зависимость интенсивности красной-ближней-ИК ФЛ пленок БЮг и А120з и сапфира, облученных ионами БГ, от доли 02 в атмосфере отжига (б).

Глава 3 посвящена ионно-лучевому формированию и изучению фотолюминесцентных свойств нанокластеров карбида кремния и углерода в матрице 8Ю2.

В разделе 3.1 описана методика приготовления образцов и методы их исследования, которые включали ФЛ, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФЭС), ПЭМ, ЭПР и исследование тонкой структуры спектров энергетических потерь электронов (ЕЕЬРБ). Структуры формировались двумя способами. Первый - совместная (последовательная) имплантация ионов 8 Г и С+ в термические пленки БЮ2 (толщиной 300 нм). Варьировались соотношение доз этих ионов (доза БГ 7-Ю16 см"2, С+ - 7-1013-1,5-1017 см"2), порядок имплантации и отжига, температура (850-1100 °С) и время отжига (15-120 мин). Энергии ионов (100 кэВ для и 50 кэВ для С+) были подобраны таким образом, чтобы получить приблизительное совпадение профилей распределения ионов и С+. Таким образом, при выбранных энергиях равенство доз ионов и С+ обеспечивало равенство концентрации избыточного кремния и углерода в пленке. Имплантация С+ осуществлялась либо сразу после имплантации кремния, либо после промежуточного отжига при 1100 °С, т.е. в образцы с уже сформированными НК Б!. Второй способ -это имплантация углерода (с энергией 40 кэВ и дозами 6-1016, 9-Ю16 и 1,21017 см"2) в исходно нестехиометрический оксид 8ЮХ (300 нм) с последующим отжигом в атмосфере осушенного азота (2 ч, 1100 °С). Таким образом, избыток кремния в оксиде кремния перед имплантацией С+ в одном случае создавался путем имплантации БГ в стехиометрический БЮ2, а в другом он существовал уже в исходном оксиде. Это давало возможность проверки того, влияет ли способ создания избытка кремния на формирование и свойства углеродосодержащих кластеров.

При исследовании влияния ионного легирования ионное внедрение Р+, В+ и И4" (с дозами 3-1014-1-1017 см'2 и энергиями составляла 110 кэВ для Р+, М+ и 40 кэВ для В ) осуществлялось либо сразу после имплантации БГ+С+, либо в образцы с уже сформированными путем отжига при 1000 или 1100 °С нанокластерами. По-

еле имплантации примесных атомов осуществлялся заключительный отжиг (2 ч) в потоке азота при температуре 1000 °С.

В разделе 3.2 приводятся результаты исследований слоев, полученных совместной имплантацией Si+ и С+ в пленки Si02. Показано, что в тех случаях, когда доза углерода меньше дозы кремния, ФЛ при 700-800 нм, обусловленная НК Si, постепенно снижается с ростом дозы С+ (рис. 4), что свидетельствует о замедлении формирования НК Si, либо об увеличении дефектности сформированных НК.

Облучение ионами С+ полностью гасило (уже при минимальной дозе) ФЛ предварительно синтезированных НК Si. При последующем отжиге в случае, когда доза углерода меньше дозы кремния, ФЛ частично восстанавливалась, но оставалась менее интенсивной, чем в отсутствие имплантации С+, и падала с ростом дозы С+. Это свидетельствует о том, что примесь углерода снижает структурное совершенство НК Si. Растворение углерода в НК Si и встраивание его атомов в узлы решетки из-за размерного несоответствия атомов Si и С должно приводить к возникновению механических напряжений и разрыву связей внутри и на границах НК(образованию центров безызлучательяной рекомбинации).При дозах С+, меньших, чем доза Si+, даже после высокотемпературных отжигов на спектрах ФЛ отсутствовали полосы, свидетельствующие о синтезе каких-либо фаз, кроме НК Si.

7

t 5

О

Í*

Л

Ь 3

0

1

m

0 2

1

ф

1

i '

400 450 500 550 600 650 650 700 750 800 850

Длина волны, нм Длина волны, нм

Рис. 4. Спектры ФЛ пленок Si02, облученных ионами Si+ (7-Ю16 см"2) и С+ (с разными дозами), после завершающего отжига (2 ч).

При равных дозах Si+ и С+ практически полностью отсутствовала полоса ФЛ НК Si и появлялось интенсивное свечение в широкой видимой области спектра (рис. 4) с максимумами при ~ 425 нм ("синяя" ФЛ) и 550-650 нм ("желто-зеленая" ФЛ). Положение коротковолнового пика ФЛ близко к тому, которое было получено при различных методах синтеза SiC [11,12]. ФЛ в области 590 нм в пленках Si02, имплантированных совместно ионами Si и С, либо только ионами С [13,14] связывалась с излучением нановключений углерода. Поэтому были основания полагать, что и в нашем случае ФЛ при - 425 нм связана с включениями карбида кремния, а при 550-650 нм - с нанокластерами углерода. В качестве косвенного подтверждения того, что ФЛ связана не с дефектами, служат данные, полученные

13

SiO. -> Si* 17-10" см I + С% 1100 «С

в работе методом ЭПР: установлено, что отжиг при 1100 °С эффективно «залечивает» известные парамагнитные дефекты как в пленках БЮг, облученных БГ, так и совместно БТи С+ и не приводит к появлению новых.

Для подтверждения природы светоизлучающих центров были использованы методы РФЭС и ЕЕЬРБ. Существование фаз БЮ и С подтверждено методом РФЭС по наличию связей Б^С и С-С. Связи 81-81 от нанокластеров кремния наблюдаются только при наличии промежуточного отжига (наряду с нанокластера-ми 81С и С). В других режимах ионно-лучевого синтеза НК 81, по данным РФЭС, не обнаруживается. Это позволяет сделать вывод, что ФЛ при 550-650 нм обусловлена преимущественно нановключетшт углерода, хотя при наличии промежуточного отжига некоторый вклад в нее могут давать и мелкие нанокластеры 531, для которых вследствие квантово-размерного эффекта ФЛ сдвинута в сторону меньших длин волн.

Методом ЕЕЬБ8 на глубине максимальной концентрации внедренных атомов выявлено наличие нанокластеров Б1С и включений углерода с ¿^-характером гибридизации. Связи С-С, типичные для ^-гибридизации (графит), не выявляются. Этот факт свидетельствует, что углеродные нанокластеры в пленке имеют в основном алмазоподобную структуру.

Вариация дозы, температуры и времени отжига (рис. 5) показала, что появление ФЛ, относящейся к БЮ и С, соответственно, происходит одновременно как по дозе, так и по температуре и длительности отжига. Одновременность формирования кластеров и С указывает на то, что между процессами образования этих фаз имеется корреляция, т.е. их формирование взаимозависимо. Это можно объяснить уже упоминавшимся выше принципом структурного соответствия фаз. Формирование зародышей именно алмазоподобного углерода может иметь место непосредственно в процессе ионного облучения, чему способствуют высокие давление и температура в термических пиках. Если нанокластеры образуются в кубической фазе (/?-81С) по аналогии с формированием /?-БЮ при ионной имплантации С+ в [11], то, поскольку решетки алмаза и ¡$-Ъ\С подобны, формирование нанокластеров одной из этих фаз согласно указанному принципу способствует формированию другой фазы.

5(0, -» 51* ♦ С*-» отжиг (2 ч) $Юг -« 51' * С*-» 1100 «С

5 —.—|—.—,—.—,—,—,—,—|—.—,—,—,—,—,—,— 5«—,—,—,—,—,—,—,—,—,—,—,—,—,—,—^

О1—■—i—■—i—■—г—,—i—.—i—,—i—,—i—,—i—.— 0 i—i—i—i—■—i—.—i—■—i—._i___i___i_>.

700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 15 30 45 60 75 90 105 120

Температура отжига, "С Время отжига, мин

Рис. 5. Зависимость интенсивности полос ФЛ при 400-430 нм и 550-600 нм пленок S¡02,

имплантированных ионами Si+ и С+, от температуры (а) и длительности (б) отжига.

В разделе 3.3 изучаются слои, полученные путем имплантации ионов С+ в осажденные пленки нестехаометрического оксида БЮ*.

Высокотемпературный отжиг необлученной пленки БЮХ приводит к залечиванию дефектов (исчезновению характерной для них полосы ФЛ) и появлению полосы ФЛ в длинноволновой области (рис. 6, кривая 1), характерной для НК Б1. При отжиге происходит фазовое разделение БЮ* на стехиометрический оксид 5102 и элементарный 81, при этом по крайней мере часть избыточного кремния образует НК.

В облученных С+ пленках с последующим отжигом при 1100 °С ФЛ, связанная с НК Б1, сохраняется, хотя и в ослабленном по сравнению с необлученными пленками виде (рис. 6). Наряду с этим, возникает ФЛ в остальной части видимого диапазона, и, кроме того, выделяется самостоятельный пик при 385-400 нм. Появление широкой полосы ФЛ при ~ 600 нм связывается с наличием аморфных на-нокластеров С, тогда как за коротковолновую ФЛ ответственны нанокластеры ЭЮ. Таким образом, люминесцентные свойства системы, содержащей нанокластеры 51С и С, качественно не зависят от того, создается ли избыток кремния путем ионной имплантации Б1+ в пленки БЮ2, или при осаждении нестехиометрического БЮХ. Сохранение полосы ФЛ, обусловленной НК при имплантации С+ в нестехиомет-рический оксид БЮ* связано с тем, что в этом случае толщина пленки была больше пробега ионов С+, и НК Б1 формировались в области с низкой концентрацией углерода или его отсутствия.

В разделе 3.4 изучается влияние ионного легирования на ФЛ слоев БЮ2 с нанокластерами Б1С и С. Облучение ионами Р+ и В+ приводит к ослаблению ФЛ нанокластеров БЮ и С. Существенное усиление ФЛ углеродосодержащих кластеров наблюдается при имплантации 14" с дозой МО17 см"2, что, вероятно, обусловлено химическим влиянием азота на матрицу БЮг, т.е. формированием оксинит-рида Б^О^. Однако, возможны и те же механизмы усиления ФЛ, что в случае легирования фосфором системы НК Б1 в БЮ2, в частности, изменение электронных свойств в НК при легировании донорами [3].

В главе 4 анализируются электронный транспорт и электролюминесценция (ЭЛ) диодных структур на основе оксидных слоев с нанокластерами Б1, Б1С и С.

В разделе 4.1 описывается методика подготовки и исследования образцов. Для изготовления диодных структур использовались термические пленки БЮ2 (90 нм) на кремнии КЭФ-4,5, пленки А1203 (150 нм) на кремнии КДБ-0,005, имплантированные ионами Б1+ с энергиями 40 и 100 кэВ и дозами 4-Ю16 и 5-101615

ЭК}-> С*-> 1100 'С

Длина волны, нм

Рис. 6. Спектры ФЛ пленок БЮ, до и после облучения С+ с разными дозами после отжига.

3-10 см", соответственно, а также пленки SiO (300 нм) на Si КДБ-0,005, имплантированные ионами С+ с энергией 40 кэВ и дозами 6-1016-1,2-1017 см"2. Постим-плантационный отжиг всех образцов проводился при 1100 °С (2 ч) в потоке осушенного азота. На поверхность пленки наносились проводящие прозрачный контакты диаметром 0,25 см из сплава оксида индия и олова (ITO).

Вольтамперные характеристики (ВАХ) регистрировались на анализаторе параметров полупроводниковых приборов Agilent В1500А. ЭЛ измерялась с использованием той же оптической схемы и тех же методов регистрации, что и ФЛ. Возбуждение ЭЛ проводилось с использованием характериографа TR 8405 Orion.

В разделе 4.2 приводятся результаты исследования ВАХ и ЭЛ изготовленных диодных структур. Анализ механизма протекания тока проводился в рамках моделей термической эмиссии Пула-Френкеля (ПФ), термостимулированного туннелирования Фаулера-Нордгейма (ФН), тока, ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ), а также модели дискретного электронного транспорта сквозь цепочку гранул в области кулоновской блокады туннелирования [15].

Для анализа механизмов протекания тока ВАХ строились в координатах, позволяющих спрямлять характеристики для каждого из указанных механизмов.

Исследуемые в работе системы являются нанокомпозитными системами, для которых в принципе применим механизм электронного транспорта, связанный с туннелированием в условиях кулоновской блокады, и анализ ВАХ с использованием теории [15] для такого механизма впервые выполнен для пленок, синтезированных ионно-лучевым методом.

В соответствии с моделью дискретного электронного транспорта через цепочку гранул в области кулоновской блокады туннелирования [15] ВАХ цепочки равностоящих друг от друга гранул в области малых и средних электрических полей должна описываться законом:

/ = ^expí--^U—1' 0)

RC Я скт) УХкТ) где V— напряжение, R - туннельное сопротивление между соседними гранулами, С - электрическая ёмкость гранулы, N— количество гранул в цепочке. Этот закон в области малых токов (eV« NkT) даёт линейную зависимость:

RC ^ NkT J СкТ а при средних токах - экспоненциальную зависимость:

е I 1 ' £Ll (3)

I =-ехр--ехр

ЯС \ СкТ) \ЫкТ)

Находя на ВАХ в двойном логарифмическом и полулогарифмическом масштабах линейные участки, определяем область, где, соответственно, соблюдаются выражения (2) и (3). Если это удается, используя (3), находим среднее количество гранул в цепочке (Л0> участвующих в токопереносе.

ВАХ структур, сформированных на основе пленок 8Ю2 и А1203, а также осажденных пленок БЮ*, как облученных ионами С+ (с дозой 1,2-1017 см"2), так и не облученных, представлены на рис. 7. (Отрицательный потенциал прикладывался к контакту 1ТО).

5105:51* (4Ю"):1100"С

А!,«»,:®! (МО |:1100"С

о с; с

2

|

о с с

5 §

о

с с

2 4 6 8 10 Напряженность поля, МВ/см

0,00 0.02 0.04 0.06 0,08 0,10 0,12 0.14

Напряженность поля, МВ/см

5Ю;С*|1,210"|:11И'С

(в) а

о

й !?

□

¿ф ^^......

0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005

1,6

0.000 0,0

• (Г) а

/

0,2 0,4 0,6 0.6 1,0 1.2 1,4 Напряженность поля, МВ/см

0.2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Напряженность поля, МВ/см Рис. 7. ВАХ диодных структур на основе БЮг (а) и Л1203 (б) с НК ионно-синтезированными при 1100 °С, осажденных пленок БЮ, отожженных при 1100°С (в), и пленок 810, облученных С+ с последующим отжигом при 1100 °С (г).

Рассчитанные параметры, входящие в теоретические соотношения для различных механизмов электронного транспорта, сведены в таблицу 1. Обсудим применимость этих механизмов.

Несмотря на то, что некоторые участки ВАХ с той или иной степенью приближения спрямлялись в координатах ФН, рассчитанная из ВАХ высота барьера <Рв практически во всех случаях получилась нереально малой. (Эта высота должна быть близка к величине разрыва зон в матрице и нанокристалле или нанокласте-ре). Поэтому, данный механизм маловероятен в исследуемых структурах.

Аппроксимация вольтамперной характеристики степенным законом, согласно теории ТОПЗ, приводит либо к слишком малым (1,5), либо к слишком большим (4-13), не объяснимым этой теорией величинам показателя п. Поэтому механизм ТОПЗ также следует считать маловероятным.

Литературные значения высокочастотных диэлектрических постоянных (для БЮг значение ~ 2,1, для А120з ~ 2,6) укладываются в диапазоны полученных значений е для механизма ПФ. Таким образом, формы наблюдаемых ВАХ находятся в согласии с этим механизмом.

Таблица 1. Значения параметров, рассчитанных для различных механизмов электронного транспорта через пленки 8Ю2, А1203 с нанокристаллами и нанокластерами С и БЮ.

Система Дискретный электронный транспорт через цепочку гранул в области кулоновской блокады туннелирования Механизм ТОПЗ Механизм Пула-Френкеля Механизм Фауле-ра-Нордгейма

Е, В/см N Е, В/см п Е, В/см е Е, В/см <Рв, эВ

вЮг.-вГ, 4-Ю16 см"2 до МО5; 3-Ю5-МО6 55 ДО 1-Ю7 1,5 М0б-2,3-10б 1,14,4 1,2-10б - 8-Ю6 0,4

АЬОз-.вГ, 1-Ю17 см"2 до МО4; 2-Ю4 - 6104 13 до 1,3-105 4,0 2-104 - МО5 2-8 7-Ю4 - 1,3-Ю5 0,02

ею, отжиг 1100°С до 1-Ю5; 1,2-105-6,5-105 101 до 1,3-1 о6 4,4 1,8105-7-105 2,18,2 3,5-105-1,3-10б 0,07

8Ю:С+, 1,2-1017СМ"2 до 3-10'; 5-103-М06 175 до 1,2-10б И 6-105-9,8-105 2,28,7 7,8-105-1,М06 0,2

Обозначения: Е - средняя напряженность электрического поля (указаны интервалы, в которых имеет место спрямление ВАХ), N - среднее число гранул в цепочке, п -показатель степени в соотношении J = f(V) для механизма ТОПЗ, е - высокочастотная диэлектрическая постоянная матрицы, <рв - высота барьера между матрицей и нанокристаллами (нанокластерами).

В механизме электронного транспорта по цепочкам гранул в условиях ку-лоновской блокады туннелирования критериями реальности механизма являлось выполнение условия еУ« ШТ для области низких напряженностей поля и еУ> ЫкТ для средних полей. Эти условия приближенно выполняются. Второй критерий - это реальность среднего числа наногранул в цепочках. Для термического БЮ2 рассчитанное значение N (~55) на толщине пленки 90 нм дает расстояние 1,6 нм между центрами гранул, что вполне правдоподобно: цепочки могут быть ломаными, а в проекции на нормаль дают заниженное значение расстояния между центрами. В пленках нестехиометрического оксида БЮ как без углерода, так и с углеродом, средние значения N соответствуют средним расстояниям между гранулами 3 и 1,7 нм для пленок без углерода и с углеродом, соответственно.

Таким образом, токоперенос в исследуемых системах описывается теорией электронного транспорта по цепочкам наногранул в условиях кулоновской блокады, а также теорией Пула-Френкеля.

Электролюминесценция наблюдалась в термических пленках БЮ2 с НК при напряженностях электрического поля более 4 МВ/см (рис. 8). При этом максимум ЭЛ смещен относительно ФЛ в сторону больших энергий фотонов. Важно, что ЭЛ наблюдается только при одной полярности - "плюс" на подложке. В общем случае возможны два варианта возбуждения электронно-дырочных пар в НК Бк ударная ионизация горячими электронами, инжектированными в НК при сильных полях [16] и совместное туннелирование электронов и дырок из контактов [4,17]. В нашем случае, когда в качестве подложки использован инжек-

18

ция электронов и ударная ионизация возможны при обеих полярностях, в то время как для совместного туннелирования электронов и дырок необходимо перевести подложку и-типа в режим инверсии типа проводимости, что возможно только при одной полярности. Это позволяет сделать выбор в пользу двойной инжек-ции как механизма возбуждения ЭЛ в нашей системе.

-ФЛ

- 7 МВ/см, О, 4,7 МВ/см,

-2,3 МВ/см,

- О МВ/см, О --7МВ/см.-0,12МА/см:

нас

,13 мА/см' 0,04 мА'см' 0,002 мА''см; мА/смг

/

Длина волны,нм

Рис. 8. Спектры ЭЛ диодной структуры на основе слоев термического БЮ2 с НК Б), в сравнении со спектром ФЛ той же структуры.

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

Пленки АЬОз характеризовались низкими напряженностями полей пробоя (0,1-0,2 МВ/см), что связано с худшими диэлектрическими свойствами осажденной пленки по сравнению с термическим окислом Б Юг. Поэтому для этих пленок ЭЛ не наблюдалась. Для диодов на основе пленок БЮХ, как необлученных, так и облученных углеродом, по той же причине также не было получено заметной ЭЛ.

В Заключении приведены основные результаты и выводы работы.

1. В работе проведено комплексное исследование структуры и свойств пленок А^Оз и монокристаллического оксида алюминия (сапфира), подвергнутых имплантации ионов кремния с последующим отжигом. Установлено, что в пленках А1203 формируются нанокристаллы кремния, которые по своим фотолюминесцентным свойствам и их дозовой зависимости аналогичны нанокристаллам кремния, ионно-синтезированным в матрице БЮ2.

2. Экспериментально и теоретически показано существование высоких значений механических напряжений, действующих на нанокристаллы кремния в матрице сапфира. Сделан вывод, что эти напряжения служат причиной разрыва связей на границах нанокристаллов с матрицей и приводят к гашению люминесценции, которое невозможно устранить путем легирования мелкими примесями или водородом.

3. Экспериментально установлено формирование оболочек Б Юг вокруг нанокристаллов кремния в имплантированном кремнием сапфире при отжиге з окисляющей атмосфере. Впервые продемонстрировано наличие фотолюминесценции нанокристаллов кремния в этих условиях. Сделан вывод о том, что формирование оболочек БЮ2 вокруг нанокристаллов'кремния - необходимое условие проявления ими фотолюминесцентных свойств в матрице А120з.

4. Показана возможность получения "белой" ФЛ как путем совместной имплантации кремния и углерода в пленки Si02 (при равных концентрациях избыточного кремния и углерода), так и путем имплантации углерода в нестехиомет-рический оксид SiO*. Желто-зеленая и синяя полосы фотолюминесценции в Si02 с ионно-синтезированными углеродосодержащими нанокластерами обусловлены нанокластерами алмазоподобного углерода и кубического карбида кремния, соответственно. Установлено, что люминесцентные свойства нанокластеров SiC и С в Si02 качественно не зависят от того, создается ли избыток кремния путем ионной имплантации Si+ в стехиометрические пленки Si02, или этот избыток содержится в исходно нестехиометрическом оксиде SiO*.

5. Найдено, что формирование нанокластеров углерода и карбида кремния в Si02 при ионном синтезе происходит взаимно коррелированно (по дозе, температуре отжига и времени отжига).

6. Установлено, что вольтамперные характеристики диодных структур на основе ионно-синтезированных слоев Si02 с нанокристаллами Si и нанокластерами С, SiC, а также пленок А120з с нанокристаллами Si описываются теорией электронного транспорта по цепочкам гранул в условиях кулоновской блокады тунне-лирования и механизмом Пула-Френкеля.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yanagiya, S. Optical and electrical properties of A1203 films containing silicon nanocrys-tals / S. Yanagiya, M. Ishida // J. Electron. Mat. - 1999. - Vol.28, №5. - P.496-500.

2. Origin of luminescence from Si"-implanted (1102) A1203 / C.J. Park, Y.H. Kwon, Y.H. Lee, T.W. Kang, H.Y. Cho, S. Kim, S.-H. Choi, R.G. Elliman //Appl.Phys.Lett.-2004-V.84,№ 14.-P.2667-2669.

3. Belyakov, V.A. Г-Х mixing in phosphorus-doped silicon nanocrystals: Improvement of photon generation efficiency / V.A. Belyakov, V.A. Burdov // Phys. Rev. В.- 2009. -Vol.79. -P.035302.

4. Optical and electrical properties of Si-nanocrystals ion beam synthesized in Si02 / B. Garrido, M. Lopez, A. Perez-Rodriguez, C. Garcia et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B-2004. - V.216. - P.213-221.

5. 50 лет исследований в НИФТИ ННГУ в области физических проблем ионной имплантации / Д.И. Тетельбаум // Вестник ННГУ. - 2010. - №5(2). - С.250-259.

6. Raman shifts in Si nanocrystals / J. Zi, H. Buscher, C. Falter, W. Ludwig, K. Zhang, X. Xie // Appl. Phys. Lett. - 1996. - Vol.69, №2. - P.200-202.

7. Raman microstructural analysis of silicon-on-insulator formed by high dose oxygen ion implantation: As-implanted structures / J. Macia, E. Martin, A. Perez-Rodriguez, J. Jimenez, J.R. Morante, B. Aspar, J. Margail // J. Appl. Phys. - 1997. - Vol.82, №8. - P.3730-3735.

■ 8. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлиховой. М.: Энергоатомиздат, 1991,- 1232 с.

9. Дж. Эшелби. Континуальная теория дислокаций. М.: Изд. иностр. лит., 1963. -247с.

10. The influence of phosphorus and hydrogen ion implantation on the photoluminescence of Si02 with Si nanoinclusions / D.I. Tetelbaum, S.A. Trushin, V.A. Burdov, A.I. Golovanov, D.G. Revin, D.M. Gaponova // Nucl. Instr. Meth. B. - 2001. - Vol.174. - P.123-129.

11. Intense blue emission from porous /?-SiC formed on C+-implanted silicon / L.-S. Liao, X.-M. Bao, Z.-F. Yang, N.-B. Min // Appl. Phys. Lett. - 1995. - Vol.66, №18. - P.2382-2384.

12. Intense short-wavelength photoluminescence from thermal Si02 films co-implanted with Si and С ions / J. Zhao, D.S. Mao, Z.X. Lin, B.Y. Jiang, Y.H. Yu, X.H. Liu, H.Z. Wang, G.Q. Yang //Appl. Phys. Lett. - 1998. - Vol.73, №13. - P.1838-1840.

13. White luminescence from Si+ and C+ ion-implanted SiC>2 films / A. Perez-Rodriguez, O. Gonzalez-Varona, B. Garrido, P. Pellegrino et al. // J. Appl. Phys. - 2003. - Vol.94, №1. -P.254-262.

14. Ion beam synthesis of C-based optically-active nanoclusters in silica / L.J. Mitchell, F. Naab, O.W. Holland, J.L. Duggan, F.D. McDaniel //J.Non-Crist.Solids. -2006. - V.352. -P.2562-2564.

15. Демидов, E.C. Экспоненциальный полевой рост проводимости в гранулированных средах, обусловленный кулоновской блокадой туннелирования / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова // Вестник ННГУ, Сер. ФТТ. - 2007. - №4. - С.39-46.

16. Electroluminescence of silicon nanocrystals in MOS structures / G. Franzo, A. Irrera, E.C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P.G. Fallica, F. Priolo // Appl. Phys. A. - 2002. - Vol.74. - P.l-5.

17. Enhancement of light emission from silicon nanocrystals by post-Oj-annealing process / B.Y. Park, S. Lee, K. Park, C.H. Bae, S.M. Park II J. Appl. Phys. - 2010. - Vol.107. -P.014314.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Al. Ion beam synthesis of Si nanocrystals in silicon dioxide and sapphire matrices - the photoluminescence study / A.N. Mikhaylov, D.I. Tetelbaum, O.N. Gorshkov, A.P. Kasatkin,

A.I. Belov, S.V. Morozov // Vacuum. - 2005. - Vol.78, №2-4. - P.519-524.

A2. Люминесценция наноструктур Al203-Si, полученных методами электроннолучевого осаждения и ионной имплантации / Тетельбаум Д.И., Ершов А.В., Машин А.И., Михайлов А.Н., Белов А.И. // Вестник ННГУ. Сер. ФТТ. - 2005. - Вып.1(8). - С.14-17.

A3. Influence of the nature of oxide matrix on the photoluminescence spectrum of ion-synthesized silicon nanostructures / D.I. Tetelbaum, O.N. Gorshkov, A.V. Ershov, A.P. Kasatkin, V.A. Kamin, A.N. Mikhaylov, A.I. Belov, D.M. Gaponova, L. Pavesi, L. Ferraioli, T.G. Finstad, S. Foss // Thin Solid Films. - 2006. - Vol.515, No.1-2. - C.333-337.

A4. Свойства нанокристаллов кремния, сформированных и легированных методом ионной имплантации в различных оксидных матрицах / Д.И. Тетельбаум, А.Н. Михайлов, О.Н. Горшков, А.П. Касаткин, В.А. Бурдов, А.В. Ершов, А.И. Белов, Д.А. Камбаров,

B.К. Васильев, А.И. Ковалев, Д.Л. Вайнштейн, Д.М. Гапонова, R. Turan, S. Yerci, L. Pavesi, L. Ferraioli, T.G. Finstad, S. Foss // Нанотехника. - 2006. - №3. - C.36-52.

A5. Влияние легирования фосфором и водородом на фотолюминесценцию нанокристаллов кремния в диэлектрической матрице / А.И. Белов, А.В. Ершов, Д.М. Гапонова, А.Н. Михайлов, А.А. Трухин, Д.А. Лаптев, Д.И. Тетельбаум // Вестник ННГУ. Сер. ФТТ. -2007. - №1. - С.33-39.

А6. Investigations of SiC semiconductor nanoinclusions formed by sequential ion implantation and annealing in thermally oxidized Si / D. Wainstein, A. Kovalev, D. Tetelbaum, A. Mikhaylov, A. Belov // Surf. Interf. Anal. - 2008. - Vol.40, No.3-4. - P.571-574.

A7. Изменение оптических свойств и фазового состава имплантированных кремнием слоев Si02 при легировании ионами фосфора, бора, азота и углерода / Д.И. Тетельбаум, А.Н. Михайлов, А.И. Белов, А.И. Ковалев, Д.Л. Вайнштейн, T.G. Finstad, Y. Golan // Вестник Нижегородского университета. Сер. ФТТ. - 2008. - №.3. - Р.40-46.

А8. Свойства наноструктур Al203:nc-Si, сформированных путем ионной имплантации кремния в сапфир и аморфные пленки оксида алюминия / Д.И. Тетельбаум, А.Н. Ми-

хайлов, А.И. Белов, A.B. Ершов, Е.А. Питиримова, С.М. Планкина, В.Н. Смирнов, А.И. Ковалев, Д.Л. Вайнштейн, R. Turan, S. Yerci, T.G. Finstad, S. Foss // ФТТ. - 2009. - Т.51, №2. -Р.385-392.

А9. Effect of carbon implantation on visible luminescence and composition of Si-implanted Si02 layers /D.I. Tetelbaum, A.N. Mikhaylov, V.K. Vasiliev, A.I. Belov, A.I.Kovalev, D.L.Wainstein, Yu. A. Mendeleva, T.G.Finstad, S.Foss, Y. Golan, A. Osherov // Surf.Coat.Tech. - 2009. - V.203 - P.2658.

A10. Люминесценция и структура наноразмерных включений, формирующихся в слоях Si02 при двойной имплантации ионов кремния и углерода / Д.И. Тетельбаум, А.Н. Михайлов, А.И. Белов, В.К. Васильев, А.И. Ковалев, Д.Л. Вайнштейн, Y. Golan, А. Osherov // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2009. - №.9. - С.50-57.

All. Формирование и «белая» фотолюминесценция нанокластеров в пленках SiO„ имплантированных ионами углерода / А.И. Белов, А.Н. Михайлов, Д.Е. Николичев, A.B. Боряков, А.П. Сидорин, А.П. Грачев, A.B. Ершов, Д.И. Тетельбаум // ФТП. - 2010. -Т.44, №11. - С. 1498-1503.

А12. Светоизлучающие ионно-синтезированные структуры на основе нанокристаллов кремния в оксидных матрицах / А.Б. Костюк, А.И. Белов, И.Ю. Жаворонков, Д.В. Гусейнов, A.B. Ершов, Т.А. Грачева, Н.Д. Малыгин, А.Н. Михайлов, О.Н. Горшков, Д.И. Тетельбаум // Вестник ННГУ. - 2010. - №5(2). - С.264-270.

А13. Электронный транспорт через тонкие оксидные пленки на кремнии, нанострук-турированные путем имплантации ионов Si / Е.С. Демидов, А.И. Белов, А.Н. Михайлов, С.А. Филиппов, А.Б. Костюк, A.B. Ершов, Д.И. Тетельбаум // Тезисы докладов V Международной конференции "Кремний-2008", Черноголовка, 1-4 июля, 2008. - С.55.

Al 4. Электронный транспорт через многослойные нанопериодические структуры Si0/Al203 и имплантированные кремнием оксидные слои А1203, Si02 и Zr02 / A.B. Ершов, А.И. Машин, А.Н. Михайлов, А.И. Белов, И.А. Чугров, А.Б. Костюк, Е.С. Демидов, Д.И. Тетельбаум // Тезисы докладов II Всероссийской конференции "Физические и физико-химические основы ионной имплантации", Казань, 28-31 октября, 2008. С.103-104.

Al5. Электронно-оптические свойства массивов нанокристаллов кремния в оксидах кремния и алюминия / А.Н. Михайлов, А.И. Белов, А.Б. Костюк, И.А. Чугров, Д.Е. Николичев, Д.В. Гусейнов, A.B. Нежданов, A.B. Ершов, Д.И. Тетельбаум // Тезисы докладов VII Международной конференции «Кремний-2010», Н. Новгород, 6-9 июля, 2010. -С. 183.

Подписано в печать 07.09.2011 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Заказ № 571. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в РИУ ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 603000, г. Нижний Новгород, ул. Б. Покровская, 37

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор литературы.

1.1. Кремний и карбид кремния как материалы опто- и наноэлектронных устройств.

1.1.1. Источники света.

1.1.2. Солнечные элементы.

1.1.3. Элементы памяти.

1.1.4. Другие применения.

1.2. Формирование и свойства нанокристаллов и нанокластеров 81 в матрицах 8Ю2иА1203.

1.2.1. Ионно-синтезированные нанокластеры и нанокристаллы 81.

1.2.2. Нанокластеры и нанокристаллы 81, полученные методами осаждения

1.2.3. Механизмы фотолюминесценции нанокристаллов и нанокластеров 81.

1.2.4. Модификация люминесцентных свойств нанокристаллов и нанокластеров 81 путем легирования.

1.3. Формирование и свойства кренмий-углеродных и углеродных нанокластеров.

1.3.1 .Свойства объемного карбида кремния.

1.3.2. Получение и свойства пористого 8Ю.

1.3.3. Кремний-углеродные и углеродные нанокластеры.

1.4. Транспортные свойства носителей тока в диэлектриках с нанокластерами.

1.5. Формулировка задач исследований.

ГЛАВА 2. Закономерности ионно-лучевого формирования и оптические свойства слоев А120з и 8Ю2 с нанокристаллами кремния.

2.1. Методика эксперимента.

2.2. Сравнительный анализ процессов формирования и свойств нанокристаллов 81 в аморфных пленках 8Ю2 и в матрице А12Оэ (сапфире и осажденных пленках).

2.3. Оценка механических напряжений, действующих на нанокристаллы 81 со стороны матрицы, и их роли в фотолюминесценции.

2.4. Влияние ионного легирования на люминесцентные свойства нанокристаллов Зі в А120з и 8Ю2.

2.5. Влияние атмосферы отжига на люминесцентные свойства нанокристаллов 8і в А12Оз и 8Ю2.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. Ионно-лучевое формирование и модификация свойств светоизлучающих углеродосодержащих нанокластеров в матрице 8Ю2.

3.1. Методика эксперимента.

3.2. Слои, полученные путем совместной имплантации ионов и С+ в термические пленки 8Ю2.

3.3. Слои, полученные путем имплантации ионов С+ в осажденные пленки нестехиометрического оксида 8ЮХ.

3.4. Влияние ионного легирования на фотолюминесценцию слоев 8Ю2 с нанокластерами 8ІС и С.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. Электронный транспорт и электролюминесценция в диодных структурах на основе оксидных слоев с нанокластерами 8і, 8ІС и С.

4.1. Методика эксперимента.

4.2. Исследование вольтамперных характеристик и электролюминесценции диодных структур.

4.3. Выводы.

Актуальность темы

Кремний, второй по распространенности на Земле элемент (после кислорода), сыграл ключевую роль в развитии полупроводниковой индустрии, и по сей день остается базовым материалом для интегральных схем (ИС) благодаря своей дешевизне, экологичности и высокому качеству границы раздела с 8Ю2. Однако в последнее время этому полупроводнику, как материалу электронной техники, брошен вызов. Дальнейшее повышение быстродействия ИС становится' уже невозможным на базе традиционного подхода, связанного с уменьшением размеров элементов, прежде всего потому, что начиная с некоторого критического размера быстродействие лимитируется не размерами, а скоростью передачи сигналов по межсоединениям, а в связи с проблемой повышения тепловыделения с ростом плотности элементов ИС затруднена и дальнейшая степень интеграции (увеличения числа транзисторов на чипе). Интеграция электронных и оптических функций и тем более замена электрических функций' на чисто оптические, позволили бы осуществить революционный скачок в развитии электронной техники и информационной технологии. Объединение элементов оптики и электроники на одной кремниевой платформе, наряду с увеличением быстродействия, дает еще такие преимущества, как снижение цены и требований к источникам питания ИС. Поэтому, начиная с 90-х годов, ведутся интенсивные поиски путей перехода от традиционной микроэлектроники к оптоэлекгронике.

Поскольку кремний является непрямозонным полупроводником, его применение в качестве материала излучающих компонентов в оптоэлекгронике затруднено. Казалось бы, более подходящим для этого является использование прямозонных полупроводников группы А3В5, обладающих интенсивной люминесценцией. Однако, во-первых, они слишком дорогие, во-вторых, переход на,А3В5 потребовал бы заново отрабатывать технологию массового производства интегральных схем. Сохранение кремния в качестве основного материала для активных оптоэлектронных приборов является весьма важной задачей, поскольку это позволило бы использовать достижения кремниевой планарной технологии, наработанные более чем за полвека.

В последние годы предприняты попытки улучшения излучательных свойств Б! путем уменьшения безызлучательной рекомбинации (с помощью тщательной очистки от примесей) и модификации оптических свойств поверхности (текстурирование) [1].

Однако эти способы не являются достаточно хорошим решением проблемы; они в значительной степени зависят от искусства технологов и удорожают производство.

Более радикальным способом был бы переход от объемного к нано-структурированному кремнию, где явления квантового ограничения начинают играть главную роль. Обнаружение в начале 90-х годов излучения от пористого кремния (ПК) [2] показало, что проблемы связанные с непрямозонностью кремния принципиально могут быть преодолены путем создания ансамблей кристаллов нанометрового размера, погруженных в диэлектрическую матрицу, чем и является обычно ПК. Электронные состояния оказываются локализованными внутри нанокристаллов (НК), с уменьшением их размеров растет неопределенность квазиимпульса носителей в силу соотношения неопределенности Гейзенберга, и, как следствие, повышается вероятность излучательных переходов по отношению к безызлучательным.

Другой, отличной от пористого кремния системой подобного рода, является ансамбль НК 81 в матрице 8Ю2 (8Ю2:пс-81). Эти наноструктуры создают методами ионной имплантации кремния в 8Ю2 [3], химического газового осаждения (СУО) и плаз-мохимического осаждения (РЕСУБ) [4,5], совместного магнетронного распыления 81 и 8Ю2 [6], термического испарения порошка 8Ю [7,8] и др. В основе всех этих методов лежит создание пересыщенного твердого раствора 8Ю2:81, который распадается при высокотемпературном отжиге с образованием НК 81 размерами 2-6 нм.

Предметом дискуссий до сих пор остается вопрос о механизме фотолюминесценции (ФЛ) НК 81 в 8Ю2. Существует два основных класса моделей, описывающих ФЛ: модели квантового ограничения (квантовый конфаймент) носителей, связывающие ФЛ с квантоворазмерным эффектом в НК 81, и модели "поверхностной* химии", связывающие ФЛ с поверхностными явлениями на границе раздела НК с матрицей. Существуют и комбинированные модели, учитывающие оба эффекта.

Большинство работ, посвященных исследованию свойств НК 81 в диэлектрических матрицах, было выполнено при использовании в качестве матрицы 8Ю2 - "родного" кремнию соединения. Однако, требование уменьшения размеров элементов в ИС, в частности толщины подзатворного диэлектрика МОП-структур, сделало актуальным переход от 8Ю2 к материалам с большей диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектрики). Поэтому ведется поиск альтернативных диэлектриков в качестве матриц для НК 81. При этом ширина запрещенной зоны диэлектрика должна быть достаточной для формирования высокого потенциального барьера на границе НК 81. Оксид алюминия (А1203) является одним из кандидатов для замены 8Ю2, поскольку ширина его запрещенной зоны (7-8 эВ) близка к ширине запрещенной зоны 8Ю2, а диэлектрическая постоянная (~9) в несколько раз выше. Кроме того, А1г03 является термодинамически стабильным в паре с кремнием [9]. Формирование НК 81 в матрице А120з перспективно для создания оптических устройств (из-за оптической прозрачности оксида алюминия) и устройств энергонезависимой памяти. Благодаря большей диэлектрической проницаемости оксида алюминия, можно в принципе увеличить плотность НК 81 без ухудшения условия пространственного ограничения эк-ситонов, т.е. усилить выход люминесценции с единицы площади.

В последнее время возрос интерес к применению наноразмерного карбида кремния в электронных и электронно-оптических устройствах. Нанокластеры 81С в 8Ю2 обладают люминесценцией в синей области, а в сочетании с НК 81 и нанокласте-рами углерода ФЛ способна перекрывать весь видимый диапазон, что перспективно для создания цветных дисплеев, биологических и химических сенсоров и др.

Реализация электрически управляемых люминесцирующих устройств на основе кремниевой технологии является одной из наиболее привлекательных задач, как в фундаментальном плане, так и для практических применений.

Среди методов формирования указанных наноструктур особо выделим ионную имплантацию, как наиболее воспроизводимый метод, полностью совместимый с традиционной технологией микроэлектроники. Если ионно-лучевой синтез НК 81 в 8Ю2 хорошо изучен, то исследованию ионно-синтезированных систем НК 81 на основе других матриц посвящено мало работ. Представляет интерес случай имплантации 81+ в аморфные и кристаллические слои А1203 и сравнение процессов формирования и люминесцентных свойств НК 81 в матрицах 8Ю2 и А12Оз. К началу выполнения данной работы был экспериментально зафиксирован факт ионно-лучевого формирования НК 81 в аморфной и кристаллической матрице А1203 [Ю,11].Однако для ионного синтеза НК 81 использовался лишь узкий диапазон условий имплантации, что не позволяло установить закономерности влияния условий синтеза на формирование НК и выявить связь люминесцентных свойств с режимами синтеза. При имплантации 81+ в монокристаллическую матрицу А1203 (сапфир) вообще не было обнаружено ФЛ, обусловленной типичными НК 81. Поэтому проблема ионно-лучевого синтеза НК 81 и их люминесцентных свойств в А120з требовала детального исследования с использованием широкого диапазона доз имплантации, условий отжига и применением комплекса различных методов диагностики структуры, фазового состава и свойств. Формирование в единых условиях НК Б! при имплантации в аморфный и кристаллический А12Оз и сравнение с ионно-синтезированными НК 81 в "традиционной" матрице БЮг, позволило бы выяснить влияние вида исходной матрицы на свойства НК.

Двойная имплантация ионов Б! и С в пленки 8Ю2 приводит к формированию наноструктурированной системы, обладающей.люминесценцией во всей видимой-области спектра [12]. Процессы, происходящие при имплантации и С+ в слои 8Ю2 с целью формирования данной системы, были изучены в недостаточной степени. В. частности, отсутствовало единое мнение о природе центров, с которыми связаны различные полосы ФЛ. В зависимости от режимов синтеза система может содержать включения углерода, кремния и карбида кремния, а также комплексы Б^СуСЬ. Исследования в основном ограничивались случаями совместной имплантации ионов ^ и С с равными дозами, что не позволяло проследить за особенностями процессов формирования нановключений 81, С и БЮ и эволюцией свойств при вариации состава системы. Важным вопросом является влияние исходного состава и условий изготовления оксида кремния (чистый 8Ю2, БЮ*, с х<2) на фазовый состав (формирование кремний-углеродных нановключений Б^Су) и люминесцентные свойства. Особый интерес представляет использование в качестве исходного материала пленок нестехиометри-ческого оксида БЮ*, что устраняет необходимость имплантации в них 81+ (для создания нанокластеров БЮ) и, тем самым, упрощает технологию формирования системы.

Ионная имплантация обеспечивает не только формирование наноструктур, но и возможность их контролируемой модификации путем, например, ионного легирования. При этом представляет интерес внедрение как электрически активных, так и изо-валентных примесей.

Таким образом, исследование физических процессов при формировании ион-но-лучевым методом НК 81 в оксидных матрицах 8Ю2 и А120з, и кремний-углеродных нановключений в матрице 8Ю2, а также изучение их структурных и люминесцентных свойств актуальны, как с фундаментальной, так и с практической точек зрения.

Расширение круга наносистем типа "оксидная матрица - нанокластер", применяемых в самых различных областях, повышает актуальность исследований систем, в которых одним из компонентов является хорошо изученный объект (матрица 8Ю2 и нанокристаллы Б!), а вторым - менее изученный (в нашем случае матрица А12Оз и родственные кремниевым нанокластеры С и 8Ю). Такой выбор систем, как предмета исследований, облегчает установление общих физических закономерностей синтеза наноматериалов данного класса. Выбор ионной имплантации, как способа формирования наноструктур, помимо аргумента, связанного с наилучшей совместимостью этого метода с традиционной технологией изготовления интегральных схем, способствует развитию физических представлений о процессах структурно-фазовых превращений в неравновесных условиях применительно к наноматериалам. В настоящее время этот раздел физики твердого тела находится в фокусе интересов специалистов.

Цель и основные задачи работы

Цель работы - исследование закономерностей ионно-лучевого формирования и люминесцентных свойств нанокристаллов кремния в матрице А1203 и углеродосо-держащих нановключений в матрице 8Ю2.

Основные задачи работы:

1. Установление зависимостей интенсивности ФЛ от дозы ионов 8Г и температуры отжига при имплантации Б Г в пленки А1203 и сапфир. Установление возможности получения ФЛ НК 81 в сапфире и выяснение условий, обеспечивающих проявление НК 81 люминесцентных свойств в указанной матрице. Сравнение полученных результатов с таковыми для системы 8Ю2 с НК 81. Исследование связи люминесцентных свойств с фазовым составом и структурой системы А120з:81 с использованием методов просвечивающей электронной микроскопии, электронной дифракции, рамановского рассеяния света, ИК Фурье-спекгроскопии, электронного парамагнитного резонанса. Изучение влияния ионного легирования на ФЛ НК 81 в А12О3.

2. Установление закономерностей изменения спектров ФЛ в системе, синтезированной путем совместной имплантации кремния и углерода в 8Ю2, от дозы ионов С+ и условий отжига, проводимого до и после формирования НК 81. Исследование спектров ФЛ при имплантации углерода в нестехиометрический оксид ЗЮ*. Определение состава и структуры полученных слоев с применением методов электронной микроскопии, электронной дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, выяснение связи состава структуры с люминесцентными свойствами.

Исследование дефектов методом электронного парамагнитного резонанса. Установление влияния ионного легирования (Р+, В+ и И4") на ФЛ.

3. Анализ механизмов электронного транспорта и выявление возможности возбуждения электролюминесценции в диодных структурах на основе оксидных слоев с НК нанокластерами Б1С и С.

Научная новизна работы

1. Впервые установлена зависимость фотолюминесцентных свойств аморфных пленок А1203, имплантированных ионами кремния, от дозы ионов при различных условиях отжига, в- сравнении с ионно-синтезированной системой нанокристаллов кремния в матрице 8Ю2.

2. Экспериментально и теоретически оценены механические напряжения, действующие со стороны матрицы на ионно-синтезированные в сапфире нанокристаллы 81, и служащие причиной гашения фотолюминесценции нанокристаллов. Установлено, что необходимым условием проявления фотолюминесцентных свойств нанокристаллов- кремния в матрице А12Оз является формирование вокруг нанокристаллов оболочек 8Ю2.

3. Впервые обнаружена фотолюминесценция нанокристаллов кремния, синтезированных в сапфире; установлено, что такая фотолюминесценция имеет место в случае постимплантационного отжига1 в> окисляющей атмосфере при определенном содержании кислорода.

4. Впервые установлено, что при ионной имплантации углерода в исходно нестехио-метрический оксид 8Ю.Х (с избытком кремния) формируются нанокластеры углерода и карбида кремния, обладающие фотолюминесценцией в видимой области спектра. Установлены закономерности изменения спектров фотолюминесценции в зависимости от условий имплантации и отжига при совместной имплантации ионов 81 и С в пленки стехиометрического оксида 8Ю2. Показано, что формирование светоизлучающих нановключений углерода и карбида кремния происходит идентичным образом при обоих способах создания избытка кремния в 8Ю2. Впервые обнаружено усиление фотолюминесценции углеродосодержащих нанокластеров при имплантации ионов азота.

5. Установлено, что в пленках 8Ю2 и А1203 с ионно-синтезированными нанокристал-лами 81, а также в пленках 8Ю2 с ионно-синтезированными нанокластерами 8Ю и и

С, электронный транспорт описывается теорией, разработанной для механизма туннелирования по цепочкам наногранул в условиях кулоновской блокады, и теорией Пула-Френкеля.

Практическая ценность работы Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы при разработке устройств интегральной оптики, опто- и наноэлектроники.

Получение люминесцирующих нанокристаллов 81 в А120з может быть в перспективе применено для создания многофункциональных устройств, сочетающих функции энергонезависимой памяти (на МДП-транзисторах с тонким, подзатворным диэлектриком А1203) и светодиодов, а также в оптоэлектронных устройствах на базе структур "кремний на сапфире" при совмещении на одном чипе электронных и све-тоизлучающих элементов.

Получение люминесценции от нановключений при имплантации кремния и углерода в пленки 8Ю2 может быть использовано для разработки оптоэлектронных приборов, работающих в экстремальных условиях (высокие частоты, температуры, мощности), а также источников света, например, для дисплеев. Обнаружение "белой" фотолюминесценции при ионной имплантации углерода в нестехиометрические пленки БЮд. позволяет упростить технологию создания люминесцентных слоев по сравнению с двойной имплантацией углерода и кремния в стехиометрический БЮ2.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Условием проявления фотолюминесцентных свойств ионно-синтезированных нанокристаллов кремния в матрице А120з является наличие вокруг нанокристаллов оболочек 8Ю2.

2. Отсутствие фотолюминесценции нанокристаллов кремния, сформированных в матрице сапфира методом ионной имплантации при отжиге в инертной атмосфере, обусловлено наличием высоких механических напряжений, действующих со стороны матрицы и приводящих к формированию центров безызлучательной рекомбинации вследствие разрыва связей на границе раздела нанокристалл-оксид.

3. Процессы ионного синтеза и светоизлучающие свойства нанокластеров карбида кремния и углерода в пленках оксида кремния с избытком кремния идентичны в случаях, когда избыток кремния создается путем ионной имплантации 81+ в пленки 8Ю2 и когда он присутствует в исходном осажденном оксиде 8ЮЛ. Имеет место взаимная корреляция процессов формирования нанокластеров двух фаз - углерода с алмазоподобной структурой и карбида кремния. 4. Вольтамперные характеристики диодных структур на основе ионно-синтезированных слоев SÍO2 и AI2O3 с нанокристаллами Si, а также слоев SÍO2 с нанокластерами SiC и С описываются теорией электронного транспорта по цепочкам наногранул в условиях кулоновской блокады, а также теорией Пула-Френкеля.

Публикация и апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская конференция! «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Н.Новгород, 2006,- 2010; Казань, 2008), VIII Всероссийская; молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.Петербург, 2006), International Conference on Ion Beam Modification of Materials (Taormina, Italy, 2006; Dresden, Germany, 2008; Vieux Montréal (Québec), Canada, 2010), Ежегодный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Н.Новгород, 2007, 2008, 2010), International Conference "NanoTech Insight" (Luxor, Egypt, 2007; Barselona, Spain, 2009), Международная конференция "Кремний!' (Москва, 2007, 2008, Н.Новгород, 2010), 18-я Международная; конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2007), 15-th International Conference on? Surface Modification of Materials by Ion Beams (Mumbai, India, 2007), Нижегородская научная сессия молодых ученых (Н.Новгород, 2007, 2008), International Conference on Electronic Materials (Sydney, Australia, 2008), International Conference "Nanomeeting-2009" (Minsk, Belarus, 2009), 5th IUPAC International Symposium on Novel materials and their Synthesis (Shanghai, China, 2009), International Conference on Materials for Advanced Technologies (Suntec, Singapore, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе-12 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в сборниках трудов конференций ^ 29 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 150 страниц, включая 54 рисунка, 1 таблицу, список литературы, который содержит 206 наименований и список публикаций по теме диссертации.

Основные результаты и выводы работы.

1. В работе проведено комплексное исследование структуры и свойств пленок А12Оз и монокристаллического оксида алюминия (сапфира), подвергнутых имплантации ионов кремния с последующим отжигом. Установлено, что в пленках А12Оз формируются нанокристаллы кремния, которые по своим фотолюминесцентным свойствам и их дозовой зависимости аналогичны нанокристаллам кремния, ионно-синтезированным в матрице 8Ю2.

2. Экспериментально и теоретически показано существование высоких значений механических напряжений, действующих на нанокристаллы кремния в матрице сапфира. Сделан вывод, что эти напряжения служат причиной разрыва связей на границах нанокристаллов с матрицей и приводят к гашению люминесценции, которое невозможно устранить путем легирования мелкими примесями или водородом.

3. Экспериментально установлено формирование оболочек 8Ю2 вокруг нанокристал-лов кремния в имплантированном кремнием сапфире при отжиге в окисляющей атмосфере. Впервые продемонстрировано наличие; фотолюминесценциинанокри-сталлов кремния? в этих условиях. Сделан вывод о том, что формирование оболочек 8Ю2 вокруг нанокристаллов кремнияг- необходимое условие проявления^ ими фотолюминесцентных свойств е матрице А120з.

4. Показана возможность получения "белой" ФЛ как путем совместной имплантации кремния и углерода в пленки 8Ю2 (при равных концентрациях избыточного кремния и углерода), так и путем имплантации углерода в нестехиометрический оксид БЮ^. Желто-зеленая и синяя полосы фотолюминесценции в 8Ю2 с ионно-синтезированными углеродосодержащими нанокластерами обусловлены нанокла-стерами алмазоподобного углерода и кубического карбида кремния, соответственно: Установлено, что люминесцентные свойства нанокластеров 81С и С в 8Ю2 качественно не зависят от того, создается ли избыток кремния путем ионной, имплантации 8г" в стехиометрические пленки 8Ю2, или этот избыток содержится^в исходно нестехиометрическом оксиде 810*.

5. Найдено; что формирование нанокластеров углерода и карбида кремния в 8Ю2 при ионном синтезе происходит взаимно коррелированно (по дозе, температуре отжига и времени отжига).

6. Установлено, что вольтамперные характеристики диодных структур на основе ионно-синтезированных слоев 8Ю2 с нанокристаллами и нанокластерами С, 81С, а также пленок А1203 с нанокристаллами 81 описываются теорией электронного транспорта по цепочкам гранул в условиях кулоновской блокады туннелирова-ния и механизмом Пула-Френкеля.

Тот факт, что впервые удалось создать массив нанокристаллов 81 в матрице сапфира, обладающий свойствами фотолюминесценции в красной-ближней ИК области спектра, дает основу для дальнейших исследований, в частности — поиска путей усиления фотолюминесценции, получения электролюминесценции в этом материале.

Поскольку фотолюминесцентные свойства пленок оксида кремния с ионно-синтезированными нановключениями углерода и карбида кремния не зависят от метода создания избытка кремния в 8Ю2, выбор того или иного метода при изготовлении устройств, использующих светоизлучающие свойства нанокластеров ЭЮ и С, определяется целесообразностью того или иного технологического маршрута.

Синтез нанокристаллов 81 в А1203 и нанокластеров 8Ю и С в 8Ю2 может быть использован также при разработке приборных структур, основанных на свойствах квантовых точек, не связанных с люминесценцией, в частности, устройств энергонезависимой памяти.

БЛАГОДАРНОСТИ

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю - проф. Д.И. Те-тельбауму за постановку настоящей работы и помощь в планировании и анализе результатов. Искренне признателен сотрудникам НИФТИ и физического факультета ННГУ: с.н.с. А.Н. Михайлову за постоянное внимание к работе и участие в обсуждении результатов; вед. инж. В.К. Васильеву и Ю.А. Дудину за проведение ионного облучения; доц. A.B. Ершову за предоставление осажденных пленок А1203 и SiO*; Д.В. Гусейнову; A.B. Нежданову; Д.Е. Николичеву, Е.А. Питиримовой, Т.А. Грачевой и Н.Д. Малыгину за помощь в проведении измерений методами ЭПР, рамановского рассеяния света, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, электронографии и рентгеновской дифракции; зав. лаб. В.Г. Шенгурову за техническое обеспечение работы.

Выражаю также благодарность - А.И. Ковалеву, Д.Л. Вайнштейну, R. Turan, Т. Finstad, Y. Golan и их коллегам, участвовавшим в исследованиях наших образцов в рамках совместных международных проектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Efficient silicon light-emitting diodes / M.A. Green, J. Zhao, A. Wang, P.J. Reece, M. Gal // Nature. 2001. - Vol.412. - P.805-808.

2. Canham, L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers / L.T. Canham // Appl. Phys. Lett. 1990. - Vol.57, №10. - P.1046-1048.

3. Nesbit, L.A. Annealing characteristics of Si-rich SiC>2 films / L.A. Nesbit // Appl. Phys. Lett. -1985. Vol.46, №1. - P.38-40.

4. Correlation between luminescence and structural properties of Si nanocrystals / F. Iacona, G. Franzo, C. Spinella // J. Appl: Phys. 2000. - Vol.87, №3. - P.1295-1303.

5. Nucleation and growth of nanocrystalline silicon studied by TEM, XPS and ESR / K. Sato, T. Izumi, M. Iwase, Y. Show, H. Morisaki, T. Yaguchi, T. Kamino // Appl. Surf. Sci. 2003. -Vol.216.-P.376-381.

6. Intense visible photoluminescence in amorphous SiO* and SiOx:H films prepared by evaporation / H. Rinnert, M. Vergnat, G. Marchal, A. Burneau // Appl. Phys. Lett. 1998. - Vol.72, №24. -P.3157-3159.

7. Rinnert, H. Evidence of light-emitting amorphous silicon clusters confined in a silicon oxide matrix / H. Rinnert, M. Vergnat, A. Burneau // J. Appl. Phys. 2001. - Vol.89, №L - P.237-243.

8. Hubbard, KJ. Thermodynamic stability of binary oxides in-contact with silicon / KJ. Hubbard,

9. D.G. Schlom // J. Mat. Res. 1996. - Vol.11, №11. - P.2757-2776.

10. Yanagiya, S. Optical and electrical properties of AI2O3 films containing silicon-nanocrystals / S~ Yanagiya, M. Ishida // J. Electron. Mat. 1999. - Vol.28, №5. - P.496-500.

11. Origin of luminescence from Si"-implanted (1102) A1203 / C.J. Park, Y.H. Kwon, Y.H. Lee, T.W. Kang, H.Y. Cho, S. Kim, S.-H. Choi, R.G. Elliman // Appl. Phys. Lett. 2004. - Vol.84, №14. - P.2667-2669.

12. Characterization of nanocrystallites in porous p-type 6H-SIC / J.S. Shor, L. Bemis, A.D. Kuttz, I. Grimberg, B.Z. Weiss, M.F. MacMillian, W.J. Choyke // J. Appl. Phys. 1994. - Vol.76, №7. -P.4045-4049.

13. Electroluminescence in the visible range during anodic oxidation of porous silicon films / A. Halimaoui, C. Oules, G. Bomchil, A. Bsiesy, F. Gaspard, R. Herino, M. Ligeon, F. Muller // Appl. Phys.Lett. 1991. - Vol.59. - P.304-306.

14. Lalic, N. Characterization of a porous silicon diode with efficient and tunable electroluminescence/N. Lalic, J. Linnros //J. Appl. Phys. 1996. - Vol.80, №10. -P.5971-5977.

15. Silicon-based visible light-emitting devices integrated into microelectronic circuits / K.D. Hir-schman, L. Tsybeskov, S.P. Duttagupta, P.M. Fauchet // Nature. 1996. - Vol.384. - P.338-341.

16. Gelloz, B. Electroluminescence with high and stable quantum efficiency and low threshold voltage from anodically oxidized thin porous silicon diode / B. Gelloza, N. Koshida // J. Appl. Phys. — 2000. Vol.88, №7. - P.4319-4324.

17. Red electroluminescence in Si+-implanted sol-gel-derived Si02 films / K. Luterova, I. Pelant, J. Valenta, J.-L. Rehspringer, D. Muller, J.J. Grob, J. Dian, B. Honerlage // Appl. Phys. Lett. 2000. — Vol.77, №19. - P.2952-2954.

18. Optical properties of silicon nanocrystal LEDs / J. De La Torre, A. Soui, A. Poncet, C. Busseret, M. Lemiti, G. Bremond, G. Guillot, O. Gonzalez, B. Garrido, J.R'. Morante, C. Bonafos // Physica

19. E. 2003. - Vol.16. - P.326-330.

20. Gawlik, G. Visible light emission from silicon dioxide with silicon nanocrystals / G. Gawlik, J. Jagielski//Vacuum.-2007.-Vol.81.-P. 1371-1373.

21. Electroluminescence of silicon nanocrystals in MOS structures / G. Franzo, A. Irrera, E.C. Moreira, M. Miritello, F. Iacona, D. Sanfilippo, G. Di Stefano, P.G. Fallica, F. Priolo // Appl. Phys.1. A.-2002.-Vol.74.-P. 1-5.

22. Enhancement of light emission from silicon nanocrystals by post-02-annealing process / B.Y. Park, S. Lee, K. Park, C.H. Bae, S.M. Park // J. Appl. Phys. 2010. - Vol.107. - P.014314.

23. Light: emitting devices based on nanocrystalline-silicon multilayer structure / M. Wang, A. Anopchenko, A. Marconi, E. Moser, S. Prezioso, L.Pavesi, G. Pucker, P.Bellutti, L.Vanzetti // Phy-sica E. 2009. - Vol.41, - P.911-915.

24. Enhancement of electroluminescence in p-i-n structures with nano-crystalline Si/Si02 multilayers / D.Y. Chen, D.Y. Wei, J. Xu, P.G. Han, X. Wangi Z.Y. Ma, K.J. Chen, W.H. Shi, Q.M. Wang //Semicond. Sei. Technol.-2008.-Vol.23.-P. 015013.

25. Electrically driven luminescence of nanocrystalline Si/SiCb multilayers on various substrates / T. Wang, D.Y. Wei, H.C. Sun,Y. Liu, D.Y. Chen, G.R. Chen,J .Xu, W. Li, Z.Y. Ma, L.Xu, K.J. Chen // Physica E. 2009. - Vol.41, - P.923-926.

26. Tunable photoluminescence and electroluminescence of size-controlled silicon nanocrystalsin-nanocrystalline-Si/Si02 superlattices / T. Creazzo, B. Redding, E. Marchena, J. Murakowski, D.W. Prather // J. Lumin. 2010. - Vol.130. - P.631-636:

27. Optical gain in silicon nanocrystals / L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzo, F. Priolo // Nature (London). 2000. - Vol.408. - P.440-444.

28. Optical gain in Si/Si02 lattice: Experimental1 evidence with nanosecond pulses / L. Khriachtchev, M. Rasanen, S. Novikov, J. Sinkkonen // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol.79, №9. -P. 1249-1251.

29. Stimulated emission in nanocrystalline silicon superlattices / J. Ruan, P.M. Fauchet, L. Dal Negro, M. Cazzanelli, L. Pavesi // Appl; Phys. Lett. 2003: - Vol.83, №26. - P.5479-5481.

30. Dynamics of stimulated emission in silicon nanocrystals / L. Dal Negro, M. Cazzanelli, L. Pavesi, S. Ossicini, D. Pacifici, G. Franzo, F. Priolo, F. Iacona // Appl. Phys. Lett. 2003. - Vol.82, №26 - P.4636-4638.

31. Light amplification in silicon nanocrystals by pump and probe transmission measurements / L. Dal Negro, M. Cazzanelli, B. Danese, L. Pavesi, F. Iacona, G. Franzo, F. Priolo // J. Appl. Phys. -2004. Vol.96, №10. - P.5747-5755.

32. Zhao, J. High-efficiency optical emission, detection, and coupling using silicon diodes / J. Zhao, M. A. Green, A. Wang // J. Appl. Phys. 2002. - Vol.92, №6. - P.2977-2979.

33. An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode / W.L. Ng, M.A. Lourenco, R.M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, K.P. Homewood//Nature. -2001. Vol.410. -P.192-194.

34. Влияние температуры постимплантационного отжига на свойства кремниевых светодио-дов, полученных имплантацией ионов бора в и-Si / H.A. Соболев, A.M. Емельянов, Е.И. Шек,

35. B.И. Вдовин // ФТТ. 2004. - Т.46, №1. - С.39-43.

36. Электролюминесценция наноструктурированного кремния в матрице анодного оксида алюминия / С.К. Лазарук, Д.А. Сасинович, П.С. Кацуба, В.А. Лабунов, A.A. Лешок, В.Е. Бо-рисенко // ФТП. 2007. - Т.41, №9. - С. 1126-1129.

37. Фазово-структурные превращения в пленках SiO* в процессе вакуумных термообработок / И.П. Лисовский, И.З. Индутный, Б.Н. Гненный, П.М. Литвин, Д.О. Мазунов, А.С. Оберемок, Н.В. Сопинский, П.Е. Шепелявый // ФТП. 2003. - Т.37, В.1. - С.98-103.

38. Кинетика фазово-структурных преобразований в тонких пленках SiOx в процессе быстрого термического отжига / В.А. Данько, И.З. Индутный, B.C. Лысенко, И.Ю. Майданчук,

39. B.И. Минько, А.Н. Назаров, А.С. Ткаченко, П.Е. Шепелявый // ФТП. 2005. - Т.39, №10.1. C. 1239-1245.

40. Optical properties of Si clusters and Si nanocrystallites in high-temperature annealed SiO* films / T. Inokuma, Y. Wakayama, T. Muramoto, R. Aoki, Y. Kurata, S. Hasegawa // J. Appl. Phys.- 1998:Vol.83, №4. P.2228-2234.

41. Yi, Lixin. Size and density control of Si-nanocrystals realized-by Si0*/Si02 superlattice / L. Yi, R. Scholz, M. Zacharias // J. Lum. 2007. - Vol.122-123. - P.750-752.

42. Analysis of the stretched exponential photoluminescence decay from nanometer-sized silicon crystals in Si02 / J. Linnros, N. Lalic, A. Galeckas, V. Grivickas // J. Appl. Phys. 1999: - Vol.86, №11. — P.6128-6134.

43. Role of: the energy transfer in the; optical: properties of undoped and Er-doped interacting Si nanocrystals / F. Priolo, G. Franzo, D; Pacifici, V. Vinciguerra, F. Iacona, A. Irrera// J. Appl. Phys.- 2001. Vol.89, №1. - P.264-272.

44. Photoluminescence of size-separated silicon nanocrystals: Confirmation of quantum confine- • ment / G. Ledoux, J. Gong, F. Huisken, O. Guillois, C. Reynaud// Appl. Phys. Lett. 2002. -Vol.80, №25. - P.4834-4836.

45. Delerue, C. Theoretical aspects of the luminescence of porous, silicon / C. Delerue, G. Allan, M. Lannoo// Phys. Rev. B:.- 1993. -Vol.48, №15. -P.l 1024-11036. .

46. Бурдов, BiA. Зависимость ширины оптической щели кремниевых квантовых точек от их размера / В.А. Бурдов // ФТП. 2002: - Т.36, №10. - С.1233-1236.

47. Electronic states and luminescence in porous silicon quantum dots: The role of oxygen / M.V. Wolkin, J. Jorne, P.M. Fauchet, G. Allan, C. Delerue // Phys. Rev. Lett. 1999. - Vol.82, №1. -P. 197-200.

48. Silicon Nanocrystals: Fundamental Theory and Implications for Stimulated Emission / V.A. Belyakov, VA. Burdov, R. Lockwood, A. Meldrum//Adv. Opt. Tech. -2008. -P:279502

49. Kanemitsu, Y. Resonantly excited photoluminescence from porous silicon: Effects of surface oxidationon resonant luminescence spectra / Y. Kanemitsu, S. Okamoto // Phys. Rev. B. 1997.-Vol.56, №4. - P.R1696-R1699.

50. Optical inter- and intra-band transitions in silicon nanocrystals: The role of surface vibrations / A. Sa?ar, M. Dovrat, J. Jedrzejewski, I. Balberg // Physica E. 2007. - Vol.38. - P.122-127.

51. Kapoor, M. Origin of the anomalous temperature dependence of luminescence in semiconductor nanocrystallites / M. Kapoor, V.A. Singh, G.K. Johri // Phys. Rev. B. 2000. - Vol:61. -P.1941-1945.

52. Thermal activation energy of crystal and amorphous nano-silicon in Si02 matrix / J. Wang, M. Righini, A. Gnoli, S. Foss, T. Finstad, U. Serincan, R. Turan // Solid State Communications. -2008.-Vol.147.-P.461-464.

53. Photoluminescence from Si nanocrystals dispersed in phosphosilicate glass thin films: Improvement of photoluminescence efficiency / M." Fujii, A. Mimura, S. Hayashi, K. Yamamoto // Appl. Phys. Lett. 1999. - Vol.75, №2. - P.184-186.

54. Improvement in photoluminescence efficiency of Si02 films containing Si nanocrystals by P doping: An electron spin resonance study / M. Fujii, A. Mimura, S. Hayashi, K. Yamamoto, C. Urakawa, H. Ohta // J. Appl. Phys. 2000. - Vol.87, №4. - P.l855-1857.

55. Photoluminescence and free-electron absorption in heavily phosphorus-doped Si nanocrystals / A. Mimura, M. Fujii, S. Hayashi, D. Kovalev, F. Koch // Phys. Rev. B. 2000. - Vol.62, №19. -P. 12625-12627.

56. Fujii, M. Photoluminescence from B-doped Si nanocrystals / M. Fujii, S. Hayashi, K. Yamamoto // J. Appl. Phys. 1998. - Vol.83, №12. - P.7953-7957.

57. Photoluminescence from impurity codoped and compensated Si nanocrystals / M. Fujii, Y. Yamaguchi, Y. Takase, K. Ninomiya, S. Hayashi // Appl. Phys. Lett. 2005. - Vol.87. - P.211919.

58. Влияние имплантации ионов P на фотолюминесценцию нанокристаллов Si в слоях SiC>2 / Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, Д.И. Тетельбаум, А.Н. Михайлов // ФТП. 2003. - Т.37, №6.1. C.738-742.

59. The influence of phosphorus and hydrogen ion implantation on the photoluminescence of SiC>2 with Si nanoinclusions / D.I. Tetelbaum, S.A. Trushin, V.A. Burdov, A.I. Golovanov, D.G. Revin,

60. D.M. Gaponova//Nucl. Instr. Meth. B. -2001. Vol.174. -P.123-129.

61. Влияние имплантации ионов бора и последующих отжигов на свойства нанокристаллов Si / Г.А. Качурин, С.Г. Черкова, В.А. Володин, Д.М. Марин, Д.И. Тетельбаум, Н. Becker // ФТП. 2006. - Т.40, №1. - С.75-81.

62. Влияние ионной имплантации P+, B+ и N+ на люминесцентные свойства системы Si02:nc-Si / Д.И. Тетельбаум, О.Н. Горшков, В.А. Бурдов, С.А. Трушин, А.Н. Михайлов, Д.М. Гапонова, С.В. Морозов, А.И. Ковалев // ФТТ. 2004. - Т.46, №1. - С.21-25.

63. Below bulk-band-gap photoluminescence at room temperature from heavily P- and B-doped Si nanocrystals / M. Fujii, K. Toshikiyo, Y. Takase, Y. Yamaguchi, S. Hayashi // J. Appl. Phys. -2003. Vol.94, №3. - P. 1990-1995.

64. Belyakov, V.A. Г-Х mixing in phosphorus-doped silicon nanocrystals: Improvement of photon generation efficiency / V.A. Belyakov, V.A. Burdov // Phys. Rev. B. 2009. - Vol.79. - P.035302.

65. Cheylan, S. Effect of particle size on the photoluminescence from hydrogen passivated Si nanocrystals in Si02 / S. Cheylan, R.G. Elliman // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol.78 -P.1912-1914.

66. Blue-green luminescence from porous silicon carbide / T. Matsumoto, J. Takahashi, T. Tama-ki, T. Futagi, H. Mimura, Y. Kanemitsu // Appl. Phys. Lett. 1994. - Vol.64, №2. - P.226-228'.

67. Intense blue emission from porous /?-SiC formed on C+-implanted silicon / L.-S. Liao, X.-M. Bao, Z.-F. Yang, N.-B. Min // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol.66, №18. - P.2382-2384.

68. Intense short-wavelength photoluminescence from thermal Si02 films co-implanted with Si and С ions / J. Zhao, D.S. Mao, Z.X. Lin, B.Y. Jiang, Y.H. Yu, X.H. Liu, H.Z. Wang, G.Q. Yang // Appl. Phys. Lett. 1998. - Vol.73, №13. -P.1838-1840.

69. Blue-emitting fi-SiC fabricated by annealing Сбо coupled on porous silicon / X.L. Wu, G.G. Siu, M.J. Stokes, D.L. Fan, Y. Gu, X.M. Bao // Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol.77. - P.l292-1294.

70. Evolution of Si (and SiC) nanocrystal precipitation in SiC matrix / D. Song, E.-Ch. Cho, Y.-H. Cho, G. Conibeer, Y. Huang, Sh. Huang, M.A. Green // Thin Solid Films. 2008. - Vol.516. -P.3824-3 830.

71. Blue-violet PL band formation in C:Si02 films after swift heavy ion irradiation / Z.G. Wang, Y.F. Jin, E.Q. Xie, J. Liu, Z.Y. Zhu, Y.M. Sun, M.D. Hou, Q.X. Zhang, X.X. Chen // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 2003. - Vol.209. - P.200-204.

72. Ion beam synthesis of C-based optically-active nanoclusters in silica / L.J. Mitchell, F. Naab, O.W. Holland, J.L. Duggan, F.D. McDaniel // J. Non-Crist. Solids. 2006. - V.352. - P.2562-2564.

73. Барабан, А.П. Электролюминесценция структур Si-SiC>2, последовательно имплантированных кремнием и углеродом / А.П. Барабан, Ю.В. Петров // ФТТ. 2006. - Т.48, №5. -С.909-911.

74. Charge transport along luminescent oxide layers containing Si and SiC nanoparticles / O. Jambois, A. Vila, P. Pellegrino, J. Caireras, A. Perez-Rodriguez, B. Garrido, C. Bonafos, G. BenAssayag // J. Lumin. 2006. - Vol.121. - P.356-360.

75. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. - 456 с.

76. Yeargan, J. R. The Poole-Frenkel Effect with Compensation Present / J.R. Yeargan, H.L. Taylor // J. Appl. Phys. 1968. - Vol.39, №12. - P.5600-5604.

77. Lenzlinger, M. Fowler-Nordheim Tunneling into Thermally Grown SiC>2 / M. Lenzlinger, E.H. Snow // J. Appl. Phys. 1969. - Vol.40, №1. - P.278-283.

78. Ламперт, M. Инжекционные токи в твердых тела / М. Ламперт, П. Марк. — М. : Мир, 1973.-416 с.

79. Roberson, J. Band structures and band offsets of high К dielectrics on Si / J. Roberson // Appl. Surf. Sci. 2002. - Vol. 190. - P.2-10.

80. Electrical conduction of silicon oxide containing silicon quantum dots / X.D. Pi, O.H.Y. Zal-loum, A.P. Knights, P. Mascher, P.J. Simpson // J. Phys.: Condens. Matter. 2006. - Vol.18. - P. 9943-9950.

81. Ziegler, J.F. Stopping of energetic light ions in elemental matter / J. F. Ziegler // J. Appl. Phys. 1999. - Vol.85, №3. - P. 1249-1272.

82. Ab initio study of effects of substitutional additives on the phase stability of y-alumina / K. Jiang, D. Music, K. Sarakinos, J.M. Schneider // J. Phys.: Condens. Matter. 2010. - Vol.22. - P. 505502.

83. Л.И. Миркин / Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. — М., ФМ, 1961.

84. Kirk, С.Т. Quantitative analysis of the effect of disorder-induced mode coupling on infrared absorption in silica / C.T. Kirk // Phys. Rev. B. 1988. - Vol.38. - P.1255-1273.

85. M. Бродски. Аморфные полупроводники. Мир, М. (1982). 419 с.

86. Barba, D. Evidence of localized amorphous silicon clustering from Raman depth-probing of silicon nanocrystals in fused silica / D. Barba, F. Martin, G.G. Ross // Nanotechnology. — 2008. — Vol.l9.-P.l 15707.

87. Raman shifts in Si nanocrystals / J. Zi, H. Buscher, C. Falter, W. Ludwig, K. Zhang, X. Xie // Appl. Phys. Lett. 1996: - Vol.69, №2. - P.200-202.

88. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлиховой. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

89. Дж. Эшелби. Континуальная теория дислокаций. Изд. иностр. лит., М. (1963). 247 с.

90. Optical and electron paramagnetic resonance study of light-emitting Si+ ion implanted, silicon dioxide layers / M.Ya. Valakh, V.A. Yukhimchuk, V.Ya. Bratus', A.A. Konchits, P.L.F. Hemment, T. Komoda // J. Appl. Phys. 1999. - Vol.85, №1. - P. 168-173.

91. Действие облучения и последующего отжига на нанокристаллы Si, сформированные в слоях Si02 / Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, М.-О. Ruault, А.К. Гутаковский, К.С. Журавлев, О. Kaitasov, Н. Bernas // ФТП. 2000. - Т.34, №8. - С.1004-1009.

92. Роль азота в формировании люминесцирующих кремниевых нанопреципитатов при отжиге слоев Si02, имплантированных ионами Si / Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, К.О. ЭКурав-лев, М.-О. Ruault // ФТП. 2001. - Т.35, №10. - С.1235-1239.

93. Lau, S.S. Regrowth of amorphous films / S.S. Lau // J. Vac. Sci. Technol. 1978. — "Vol. 15. -P. 1656-1661.

94. Fauchet, P.M. Light emission from Si quantum dot / Philippe M. Fauchet // Materials Today. -2005. Vol.8, №1. - P.26-33.

95. Street, R.A. Luminescence in amorphous semiconductors / R.A. Street // Adv. Phys. — 1976. — Vol.25.-P.397-453.

96. Зацепин, А.Ф. Статика и динамика возбужденных состояний кислородно-дефицитных центров в Si02 / А.Ф. Зацепин // ФТТ. 2010. - Т.52, №6. - С.1104-1114.

97. Ионная имплантация / Под ред. Хирвонена Дж.К. Пер. с англ. Бокшицкого И.Я. вс др. М.: Металлургия, 1985, 392 с.

98. Muto, S. Local structures and damage processes of electron irradiated a-SiC studied, with transmission electron microscopy and electron energy-loss spectroscopy / S. Muto, T. Tariabe // J. Appl. Phys. 2003. - Vol.93, №7. - P.3765-3775.

99. Robertson, J. Amorphous carbon / J. Robertson // Adv. Phys. 1986. - V.35,№4. - P.317-374.

100. Ahmed, Sk. Faruque. Electron Field Emission Properties of Nonmetal and Metal Doped Diamond,Like Carbon. (In: Diamond-Like Carbon Films. Editor: Yuto S. Tanaka). Nova Science Publishers, Inc., 2011. - ISBN 978-1-61324-791-4

101. Estes, M.J. A model of size-dependent photoluminescence in amorphous silicon nanostruc-tures: Comparison with observations of porous silicon / M.J. Estes, G. Moddela // Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol.68, №13. - P. 1814-1816.

102. Моделирование формирования нанопреципитатов в Si02, содержащем избыточный кремний / А.Ф. Лейер, Л.Н. Сафронов, Г.А. Качурин // ФТП. 1999. - Т.ЗЗ, №4. - С.З89-394.

103. Тонкие пленки карбонитридов кремния и бора: синтез, исследование состава и структуры / Н.И. Файнер, М.Л. Косинова, Ю.М. Румянцев // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). -2001. Т. XLV. № 3. - С.101-108.

104. О формировании нанокристаллов кремния при отжиге слоев Si02, имплантированных ионами Si / Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, В.А. Володин, В:Г. Кеслер, А.Ф. Лейер, М.-О. Ruault // ФТП. 2002. - Т.36, №6. - С.685-689.*

105. Демидов, Е.С. Экспоненциальный полевой рост проводимости в гранулированных средах, обусловленный кулоновской блокадой туннелирования / Е.С. Демидов, Н.Е. Демидова // Вестник ННГУ, Сер. ФТТ. 2007. - №4. - С.39-46.

106. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК

107. Al. Ion beam synthesis of Si nanocrystals in silicon dioxide and sapphire matrices the photoluminescence study / A.N. Mikhaylov, D.I. Tetelbaum, O.N. Gorshkov, A.P. Kasatkin, A.I. Belov, S.V. Morozov // Vacuum. - 2005. - Vol.78, №2-4. - P.519-524.

108. A2. Люминесценция наноструктур Al203-Si, полученных методами электроннолучевого осаждения и ионной имплантации / Тетельбаум Д.И., Ершов A.B., Машин А.И., Михайлов A.H., Белов А.И. // Вестник ННГУ. Сер. ФТТ. 2005. - Вып. 1(8). - С. 14-17.

109. Статьи в сборниках трудов конференций

110. Тезисы докладов конференций

111. А28. Электронный транспорт через тонкие оксидные пленки на кремнии, наноструктуригЕ^хэванные путем имплантации ионов Si / Е.С. Демидов, А.И. Белов, А.Н. Михайлов, О-<А.

112. A31. Электронный транспорт через многослойные нанопериодические структуры SiO/Alz^—^з и имплантированные кремнием оксидные слои AI2O3, Si02 и Zr02 / А.В. Ершов, А. Машин, А.Н. Михайлов, А.И. Белов, И.А. Чугров, А.Б. Костюк, Е.С. Демидов, Д-1

113. Тетельбаум // Тезисы докладов II Всероссийской конференции "Физические и физико-химические основы ионной имплантации", Казань, 28-31 октября, 2008. С. 103-104.