автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние спектрального состава света и фазового состава полупроводниковой мишени на вторично-ионный фотоэффект

На правах рукописи

МАТ АСОВ Максим Дмитриевич

ВЛИЯНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА СВЕТА И ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МИШЕНИ НА ВТОРИЧНО-ИОННЫЙ ФОТОЭФФЕКТ

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

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

5 ДЕК 2013

Саратов 2013

005542697

005542697

п „я+лп,

Р<Р(Х)

Е"

Широкозонная 0ГИ Узкозонная фаза § фаза

Р ш+йРш

а) б)

Рисунок 6. Зонная диаграмма переноса дырок из широкозонной фазы в узкозонную: а) изменение зонной структуры при облучении гетероперехода светом, где Ер'11, Ерй — уровень Ферми в широкозонной и узкозонной фазе соответственно, — возникший фототок, Апууд, Ап^в — изменение концентрации электронов в зонах, М — кванты падающего света, Еопз — напряженность электрического поля в ОПЗ, п(1,в, — концентрация электронов в широкозонной фазе (и>Ь), узкозонной фазе (пЬ); б) процесс термализации неравновесных носителей, инжектированных в узкозонную фазу

Расчет энергии, передаваемой решетке, показал, что выражение для расшатывающей решетку мощности Р состоит из двух слагаемых линейного Р, и нелинейного члена Рп1.

Р=Р1+Р.п1,

-5а

е

(4)

(5)

(6)

где ДЕ„ — разница ширин запрещенной зоны, дЛх — разница энергий сродства электронов, Д£р0 — разница уровней Ферми в широкозонной и узкозонной фазе, Р,р — поток фотонов, падающий на гетеропереход, А — интегральный коэффициент поглощения, — ток насыщения, Т — температура, Я0 — глубина выхода вторичных ионов, Т^ — длина диффузии, на которую распространяются носители за время релаксации их по энергиям.

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

На правах рукописи

УДК [621.382:535.33] (043.3)

04201455308

МАТАСОВ МАКСИМ ДМИТРИЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА СВЕТА И ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МИШЕНИ НА ВТОРИЧНО-ИОННЫЙ ФОТОЭФФЕКТ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

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

Научный руководитель: профессор, доктор физ.-маг. наук, Роках Александр Григорьевич

Саратов 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................4

1. Некоторые закономерности ионной масс-спектрометрии и вторично-ионного фотоэффекта. Аналитический обзор................................................................................................................................10

1.1. Процессы масс-спектрометрии и некоторые типы масс-спектрометров..................................10

1.2. Особенности распыления сложных многофазных систем. Предмет экспериментальных исследований..............................................................................................................................................17

1.3. Взаимодействие излучения, в частности ускоренных ионов с веществом...............................18

1.4. Вторично-ионный фотоэффект. Классификация, определение и механизмы..........................24

1.5. Фотопроводимость полупроводниковой мишени.......................................................................26

1.6. Оптические и люминесцентные свойства полупроводниковых мишеней...............................27

1.7. Облучение твёрдых тел электронами. Оже- эффект...................................................................30

Выводы из аналитического обзора...........................................................................................................34

2. Исследование спектральной зависимости вторично-ионного фотоэффекта на пленках С(18-РЬ5. 36

2.1 Объекты исследований....................................................................................................................36

2.1.1 Образцы твёрдых ограниченных растворов. Метод и особенности получения......................36

2.1.2. Особенности строения. Расчёт мольных долей по массовым долям основных фаз (СЙ5,РЙ5)...............................................................................................................................................36

2.1.3. Состав поверхности. Исследование методами Оже-спектрометрии.......................................37

2.1.4. Морфология поверхности плёнок твёрдых ограниченных растворов....................................39

2.1.5. Феноменологическое описание баланса заряда при бомбардировке и распылении. Выражение для скорости травления.....................................................................................................42

2.2. Изучение спектральной характеристики ВИФЭ для ионов кадмия Сс11........................................43

2.2.2. Исследование изменения выхода отрицательных вторичных ионов кислорода....................49

2.3. Изучение спектральной характеристики ВИФЭ для ионов свинца РЬГ.........................................51

2.4. Сравнение изменения выхода вторичных ионов при распылении мишени ионами кислорода и ионами аргона.............................................................................................................................................57

2.5. Теоретическое описание спектральной характеристики вторично- ионного фотоэффекта........59

2.6. Математическое описание аномального эффекта............................................................................62

2.7. Наблюдение и закономерности ВИФЭ на других веществах и структурах. ВИФЭ в структуре 570 на СаЛ5...............................................................................................................................................67

Выводы к второй главе:............................................................................................................................73

3. Оптические и фотоэлектрические свойства плёнок Сс18(х)-РЬ8(1-х)..............................................75

3.1. Экспериментальное определение спектральной кривой коэффициента пропускания и отражения образцов твёрдых ограниченных растворов сульфида свинца и кадмия...........................75

3.2. Расчёт коэффициентов поглощения и рассеяния твёрдых ограниченных растворов сульфида

свинца и кадмия при помощи программы AID 3.3.6..............................................................................78

3.3. Люминесценция плёнок твёрдых ограниченных растворов сульфида свинца и кадмия.............80

3.4. Схема подробного расчёта люминесценции образцов твёрдых ограниченных растворов с учётом распределения фаз, входящих в состав образца.........................................................................87

3.5. Фотоэлектрические исследования твёрдых ограниченных растворов сульфида свинца и кадмия ......................................................................................................................................................................94

3.6. Исследования оптических свойств плёнок твёрдых ограниченных растворов в ИК диапазоне .99

3.7. Спектры фотолюминесценции SiO-GaAs.......................................................................................105

3.8. Катодолюминесценция на SiO/GaAs...............................................................................................107

Выводы к третьей главе:.........................................................................................................................108

4. Некоторые закономерности аномального ВИФЭ. Математическое описание.............................111

4.1. Описание переноса энергии из широкозонной фазы в узкозонную за счёт термолизации неравновесных инжектированных носителей.......................................................................................111

4.2. Расчёт интенсивности люминесценции, возникающей за счёт накачки узкозонной фазы........118

Выводы к четвёртой главе:.....................................................................................................................123

Заключение:.............................................................................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

Среди методов определения химического состава вещества растущее значение приобретает метод вторично-ионной масс-спектрометрии. Метод вторично-ионной масс- спектрометрии известен тем, что он позволяет оценить химический состав, непосредственно анализируя атомный состав материала, во время его ионного распыления. Метод вторично-ионной масс-спектрометрии насчитывает 101 год со дня первого упоминания о нём.

Если первые эксперименты по получению масс- спектров были выполнены в начале 20-го века, то систематические исследования методом вторично-ионной масс - спектрометрии началось несколько позже. Первым научным исследованием считается работа Герцога и Фибека [1], в которой говорится о возможности создания ионного источника для масс-спектрометра на основе распыления мишени ионным пучком. Серьёзной основополагающей работой является работа Векслера [2], в который он первым изложил и систематизировал накопленные к тому моменту знания.

Вторично-ионная эмиссия плохо описывается аналитически с использованием только физических законов и аналитического математического аппарата. Иными словами на данный момент времени не удавалось создать стройную теорию распыления твёрдых тел. Одной из причин, по которой это не удавалось сделать, является вероятностно-статистический характер проникновения ускоренных ионов в вещество. При описании кинетического распыления необходимо применять метод Монте-Карло, численное моделирование, которое не подразумевает аналитической связи параметров первичного ионного пучка и количества выбитых вторичных ионов [3]. Существует множество очень узко применимых подгоночных формул, которые связывают параметры вторичного и первичного пучка в ряде случаев.

Метод вторичной ионной масс- спектрометрии применяется не только как методика определения химического состава, хотя это его применение есть его ключевое назначение, но и как инструмент определения профилей элементов в объёме и их поверхностного распределения. ВИМС позволяет определить не только химический, но и изотопный состав, исследуемого образца [4]. Отсюда широкое применение масс- спектрометрии в ядерной физике. Высокомолекулярные соединения также доступны для вгорично-иопного анализа, если использовать время - пролётные детекторы. От основного назначения, как способа определения состава (ионный микрозонд-ИМЗ), вторично-ионная масс- спектрометрия эволюционировала до создания ионных масс- спектральных микроскопов (ИМСМ), предназначенных для получения топологии поверхности в определённом сорте ионов, а также масс- спектрометров для анализа поверхности [5].

За последнее время наиболее близкими к теме исследования является изучение влияния интенсивности оптического излучения неизменного спектрального состава [6]., и работа шведских физиков [7] по созданию метода отделения однозарядного изотопа серы от равного ему по массе

изотопа хлора. A.A. Сердобинцев в своей работе получил полуэмпирическое выражение, связывающее относительный рост вторичных ионов, распылённых из мишени, с изменением работы выхода электронов из этой мишени, но не проводил ни экспериментальных, ни теоретических изучений влияния различного спектрального состава излучения на эмиссию ионов. Шведские коллеги добились сильного уменьшения выхода ионов серы и роста выхода ионов хлора за счёт интенсивной подсветки мишени лазером, но они также не исследовали влияние длин волн лазерного излучения, па изменение интенсивности токов распыляемых вторичных ионов.

Цель диссертационной работы — Экспериментальное и теоретическое изучение влияния спектрального состава дополнительного освещения и фазового состава распыляемого вещества на выход вторичных ионов из полупроводниковых поликристаллических мишеней, а также изучение корреляции этих процессов с фотопроводимостью и люминесценцией.

Задачи исследования:

1. Предварительная классификация исследуемых объектов по электрическим и оптическим свойствам. Изучение морфологии поверхности и элементного состава распыляемых мишеней. Математическое описание баланса заряда при бомбардировке и распылении.

2. Экспериментальное и теоретическое исследование спектральной характеристики вторично-ионного фотоэффекта для образцов твердых ограниченных растворов сульфида свинца и кадмия. Определение взаимосвязи между характером изменения выхода вторичных ионов и спектральным составом облучающего образец света Изучение реакции выхода отрицательных ионов кислорода па освещение. Сравнение проявлений вторично-ионного фотоэффекта для случаев распыления ионами кислорода и ионами аргона. Теоретическое описание спектральной характеристики вторично-ионного фотоэффекта. Прогнозирование по полученной функциональной зависимости выхода вторичных ионов при освещении распыляемой мишени сложного фазового состава светом со сложным спектральным составом.

3. Изучение оптических, фотоэлектрических и люминесцентных свойств образцов твердых ограниченных растворов. Описание взаимосвязи между электронными процессами, участвующими во взаимодействии фотонов света с веществом, и процессами, приводящими к ионному распылению. Теоретический расчет влияния фазового состава образца на полный спектр его фотолюминесценции. Установление корреляции между оптическими и фотоэлектрическими свойствами образца, с одной стороны, и изменением выхода вторичных ионов элементов, входящих в его состав, при освещении образца во время его распыления, с другой стороны.

4. Разработка модели, для численной оценки аномального ВИФЭ, описывающей транспорт энергии из широкозонной матрицы в узкозонпую

фазу гетерофазной полупроводниковой мишени. Теоретическое описание накачки узкозонных включений, входящих в состав образца, при поглощении фотонов основным объемом образца коротковолновых фотонов. Объяснение корреляции между длинноволновой люминесценцией и процессом накачки при освещении широкозонной фазы. Установление связи коэффициента распыления вещества и интенсивности люминесценции, соответствующей узкозонной фазе материала.

Научная новизна

1. Построена модель процесса образования вторичных ионов, включающая механизм взаимодействия света с полупроводниковой мшиеныо, позволяющая объяснить смену знака вторично-ионного фотоэффекта.

2. Установлено, что ВИФЭ наблюдается в широком классе материалов и структур, отличающихся наличием в их составе нескольких фаз с различной шириной запрещенной зоны и фотопроводимостью. Исследован ВИФЭ на моиокристаллических образцах бинарных соединений элементов III и V групп в многослойной структуре и аморфном монооксиде кремния. Проведено исследование выхода отрицательных ионов, соответствующих атомам состава из многокомпонентного материала.

3. Разработан алгоритм вычисления спектра люминесценции образцов твердых ограниченных растворов, отличающийся выполнением действий по учету наличия распределения фаз, и сделан аналитический вывод соответствующего выражения с учетом распределения фаз и агрегатных состояний с разной шириной запрещенной зоны.

4. Предложена методика для расчета скорости ионного травления образца, основанная на феноменологическом рассмотрении баланса носителей заряда, позволяющая прогнозировать глубину травления в зависимости от яркости источника первичных ионов.

5. Построена математическая модель, описывающая фотопроводимость сильно рассеивающих свет образцов, включающая математическое описание взаимодействия оптического излучения с квазисвободными носителями заряда, связывающая оптические параметры образца со спектром фотогока. Дано объяснение спектра фототока, возникающего при облучении светом разных длин волн включенного в цепь фотосоиротивлеиия па основе твердого ограниченного раствора CdS-PbS.

6. Предложен подход к описанию и диагностике процессов переноса неравновесных инжектированных носителей заряда между фазами, основанный на анализе интенсивности люминесценции, возникающей за счет рекомбинации носителей в узкозонпой фазе.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации

Достоверность результатов выполнения диссертационной работы подтверждается многократными экспериментами, выполненными при различных граничных условиях, но приводящих к одному и тому же выводу. Выводы и результаты работы не противоречат основным физическим законам и постулатам. Результаты вычислений получены при использовании только хорошо известных, математически доказанных методов анализа и преобразований. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной современной измерительной аппаратуры и соответствует ранее полученным данным

Практическая значимость

1. Показана возможность изменения выхода вторичных ионов из фоточувствительных мишеней посредством измсиения спектрального состава подсветки. Получено полуэмпирическое выражение, описывающее спектральную характеристику ВИФЭ.

2. Показана возможность управления выходом как положительных, так и отрицательных ионов посредством изменения спектрального состава дополнительной подсветки распыляемой мишени, а также за счет комбинации фазового состава распыляемых объектов.

3. На основании теоретических выводов показана возможность управления легированием для получения сверхрешеток и тонких пленок, получаемых в процессе ионного распыления. Контроль потока и состава осаждаемых частиц реализуется изменением спектрального состава и интенсивности подсветки при распылении фоточувствительных мишеней, содержащих необходимые химические элементы

Положения, выносимые на защиту

1. В гетерофазных фотопроводящих поликристаллических пленках ограниченных твердых растворов С(18-РЬ8, используемых как модельное вещество для исследования ВИФЭ, зависимость выхода вюричных положительных ионов от длины волны излучения видимого диапазона, индуцирующего данный выход, различна для СсГ и РЬ+, при этом спектральная зависимость выхода определяется спектром фотопроводимости.

2. В фотопроводящих пленках Сс18-РЬ£ экспериментально определенный спектральный диапазон, в котором проявляется аномальный ВИФЭ для ионов РЬ+, вышедших из узкозонной фазы, совпадает со спектральным диапазоном интенсивной фотолюминесценции, что подтверждает рекомбинационный механизм аномального ВИФЭ.

3. При облучении фотопроводящих пленок Сс15-РЬ8 светом, имеющим плотность мощности, сравнимую с плотностью мощности пучка первичных ионов, плотность мощности, передаваемая за счет переноса дырок из широкозонной в узкозонную фазу, на три порядка меньше плотности мощности первичного ионного пучка. При этом повышение выхода вторичных ионов составляет 5-15%.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная молодежная научная школа по оптике, лазерной физике и биофотонике «Saratov Fall Meeting» Саратов, Россия, 23-26 сентября 2008 г.;

2. XI международная конференция «Опто-, наноэлектропика, нанотехнологии и микросистемы» Ульяновск, Россия, 23-25 мая 2009 г.;

3. Международная молодежная научная ш�