Микроэлектрониканың негізгі элементі - кремний. Зерттеу әдістері мен нәтижелері
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
КІРІСПЕ
1 МИКРОЭЛЕКТРОНИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ЭЛЕМЕНТІ КРЕМНИЙ
1.1
Кpемний кoмпoзитті қабықшалаpының және нанoкpиcталдаpмен кpемний oкcидінің негізгі қаcиеттеpі
1.2 Оптикалық қасиеті (фотолюминесценция)
1.3 Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
2 ҚОНДЫРҒЫЛАР МЕН ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ
2.1 Иондық имплантация әдісі
2.2 Иондық имплантация әдісінің ерекшеліктері мен мүмкіншіліктері
2.3 Иондық енгізу қондырғысы
2.4 Cary Eclipse спектрофлуориметрі
3 ЭКСПЕРИМЕНТ НӘТИЖЕЛЕРІ
3.1 InAs.нің фотолюминесценция спектрі
3.2 GaSb.нің фотолюминесценция спектрі
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
КІРІСПЕ
1 МИКРОЭЛЕКТРОНИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ЭЛЕМЕНТІ КРЕМНИЙ
1.1
Кpемний кoмпoзитті қабықшалаpының және нанoкpиcталдаpмен кpемний oкcидінің негізгі қаcиеттеpі
1.2 Оптикалық қасиеті (фотолюминесценция)
1.3 Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
2 ҚОНДЫРҒЫЛАР МЕН ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ
2.1 Иондық имплантация әдісі
2.2 Иондық имплантация әдісінің ерекшеліктері мен мүмкіншіліктері
2.3 Иондық енгізу қондырғысы
2.4 Cary Eclipse спектрофлуориметрі
3 ЭКСПЕРИМЕНТ НӘТИЖЕЛЕРІ
3.1 InAs.нің фотолюминесценция спектрі
3.2 GaSb.нің фотолюминесценция спектрі
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
Кремний – заманауи электрониканың ең негізгі материалы. Бірнеше жағдайларға байланысты, кремнийдің физика-химиялық және электрондық қасиеттері микроэлектроникадағы және қазіргі кездегі элементті база күйінің өркендеуіндегі магистралдық жолын анықтады. Бұл жағдайларды атап айтсақ, кремнийді алудағы шикізаттың таусылмас қоры, салыстырмалы арзандығы, термиялық кремний тотығының және SiO2/Si бөлімдер шекараларының жоғары сапалы болуы. Кремний инфрақұрылымдары негізінде жасалған аппаратураларының көптен шығуы индустрияда және қазіргі таңда микроэлектроника өнімдерін енгізуге алып келді. Бірақта инфрақұрылымның оптоэлектронды элементтерін құруда сәулелену көздері, жарық ендірілген күшейткіш құрылымдарында осы кремнийді пайдалануға болады ма деген сұрақ туады. Фундаменталды кемшілігіне байланысты кремнийдің энергетикалық құрылымы тік емес және люменесценция эффектілігі төмен.
Кремнийдің наноқұрылымдану әдісіндегідей кеңзоналы диэлектрлік матрицада нанокристалдардың құрылуы, люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бірі болып саналады. Бұл әдіс кванттық өлшемдік эффектіні пайдалана отырып, бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу болып табылады. Кеуекті кремний немесе вакуумде отырғызылған кремний қабатарының тотығуы, ионды имплантация әдісі және отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуы жарықшығаратын нанокристалдық кремнийінің құрылуы әдістеріне жатады.
Осы жұмыста кремний нанокристалдар жүйелерін алу кезінде термоөңдеумен жоғары беттік аймағында қоспаның қаныққан ерітіндісі пайда болады. Нанокристалдарда қоспалардың преципитациясын радиационды күйдіру туғызады. Әртүрлі типті ион имплантирленетін күйдіру және реттіліктің режимдерін өзгертеді де, құрамы күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасын және өлшемін қамтамасыз етеді. Оған ионды имплантация әдісі қолданылады.
Ионды имплантация артықшылықтарының бірі – оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкес болуы. Иoнды имплaнтaцияның иoндар энeргиясы, мөлшeрі, иoндық тoктың тығыздығы жәнe сәулелeндірeтін нысaнаның тeмпeратурaсы сияқты пaрaмeтрлерге тәуелділіктe Нанoкластeрлердің синтeзінің сипaттaмалары жәнe oлaрдың сапасының түрленіуі сол ионды имплантацияның иондар энергиясы, мөлшері, иондық токтың тығыздығы және сәулелендіретін нысананың температурасы сияқты параметрлерге тәуелді болады.
Кремнийдің наноқұрылымдану әдісіндегідей кеңзоналы диэлектрлік матрицада нанокристалдардың құрылуы, люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бірі болып саналады. Бұл әдіс кванттық өлшемдік эффектіні пайдалана отырып, бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу болып табылады. Кеуекті кремний немесе вакуумде отырғызылған кремний қабатарының тотығуы, ионды имплантация әдісі және отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуы жарықшығаратын нанокристалдық кремнийінің құрылуы әдістеріне жатады.
Осы жұмыста кремний нанокристалдар жүйелерін алу кезінде термоөңдеумен жоғары беттік аймағында қоспаның қаныққан ерітіндісі пайда болады. Нанокристалдарда қоспалардың преципитациясын радиационды күйдіру туғызады. Әртүрлі типті ион имплантирленетін күйдіру және реттіліктің режимдерін өзгертеді де, құрамы күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасын және өлшемін қамтамасыз етеді. Оған ионды имплантация әдісі қолданылады.
Ионды имплантация артықшылықтарының бірі – оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкес болуы. Иoнды имплaнтaцияның иoндар энeргиясы, мөлшeрі, иoндық тoктың тығыздығы жәнe сәулелeндірeтін нысaнаның тeмпeратурaсы сияқты пaрaмeтрлерге тәуелділіктe Нанoкластeрлердің синтeзінің сипaттaмалары жәнe oлaрдың сапасының түрленіуі сол ионды имплантацияның иондар энергиясы, мөлшері, иондық токтың тығыздығы және сәулелендіретін нысананың температурасы сияқты параметрлерге тәуелді болады.
1. K. D. Hirschman, L.Tysbekov, S.P.Duttagupta, P.M.Fauchet. Silicon-based visible light-emitting devices integrated into microelectronic circuits// Nature¬ - 1996. - V.384. – P. 338.
2. F. F. Komarov, L. A. Vlasukova, O. M. Milchanin, P. I. Gaiduk, V. N. Yuvchenko, S. S. Grechnyi. Ion-beam formation of nanopores and nanoclusters in SiO2 // Vacuum. - 2005 –V. 78. – P. 361-366.
3. D. Navarro- Urrios, Y. Lebour, O. Jambois et al. Optically active Er3+ ions in SiO2codoped with Si nanoclusters // J. Appl. Phys. – 2009. – V. 106. - P.093107 (5).
4. X. Luo, S. B. Zhang, and S. H. Wei. Chemical design of direct-gap light-emitting silicon. Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 7, p. 076 802-1, Aug. 2002.
5. N. A. Sobolev, O. B. Gusev, E. I. Shek et al. Photoluminescence and structural defects in erbium-implanted silicon annealed at high temperature //J. Luminescence. – 1999. – T.80. – C. 357.
6. S. Mirabella, R. Agosta, G. Franzó et al . Light absorption in silicon quantum dots embedded in silica // J. Appl. Phys. – 2009. – V. 106. - P.103505(8).
7. F.L. Bregolin, M. Behar, U.S. Sias, E.C. Moreira. Optically active Er3+ ions in SiO2 codoped with Si nanoclusters // Nucl. Instr. Meth. B – 2009.-V. 267. – P.1321.
8. T. Mano, H. Fujioka, K. Ono, Y. Watanabe, M. Oshima, Appl. 10. Characterization of a Pseudomonad 2-Nitrobenzoate Nitroreductase and its Catabolic Pathway Associated 2-Hydroxylaminobenzoate Mutase and a ChemoreceptorInvolved in 2-Nitrobenzoate Chemotaxis. Surf. Sci. 130-132 (1998) 760.
9. Shimizu-Iwаyаmа, T. Visiblе photoluminеscеncе in Si+-implаntеd thеrmаl oxidе films on crystаllinе Si / T. Shimizu-Iwаyаmа, S. Nаkаo, K. Sаitoh // Аppl. Phys. Lеtt. – 1994. – Vol.65, №14. – P.1814-1816
10. Тетельбаум Д.И. (НИФТИ ННГУ).Нанокристаллический кремний
11. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М., 1978.
12. 12 Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: Избранные труды. Л., 1972.
13. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича. М., 1979.
14. Ion Beam Synthesis and Characterization of A3B5 Nanocrystals in Si and SiO2/Si for Optoelectronic Systems / F.Komarov, L.Vlasukova, O.Milchanin, M.Makhavikou, I.Parkhomenko, A.Mudryi, W.Wesch, G.Ismailova // Intern. Conf.
“Fundamental and applied nanoelectromagnetics” (FANEM'12)
Belarusian State University, Minsk, Belarus, 2012.
15. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.
16. Комаров Ф.Ф. Ионная и фотонная обработка материалов. - Минск: изд во
17. Wegmann. The historical development of ion implantation, in book: Ion implantation, Science and Technology. Ed. by Ziegler J. F. Orlando, San Diego, New York: Academic Press, 1984. – Р. 3–49.
18. Симонов В.В., Корнилов Л.А., Шашелев А.В., Шокин Е.В. Оборудование ионной имплантации. М.: Радио и связь, 1988. –183 c.
2. F. F. Komarov, L. A. Vlasukova, O. M. Milchanin, P. I. Gaiduk, V. N. Yuvchenko, S. S. Grechnyi. Ion-beam formation of nanopores and nanoclusters in SiO2 // Vacuum. - 2005 –V. 78. – P. 361-366.
3. D. Navarro- Urrios, Y. Lebour, O. Jambois et al. Optically active Er3+ ions in SiO2codoped with Si nanoclusters // J. Appl. Phys. – 2009. – V. 106. - P.093107 (5).
4. X. Luo, S. B. Zhang, and S. H. Wei. Chemical design of direct-gap light-emitting silicon. Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 7, p. 076 802-1, Aug. 2002.
5. N. A. Sobolev, O. B. Gusev, E. I. Shek et al. Photoluminescence and structural defects in erbium-implanted silicon annealed at high temperature //J. Luminescence. – 1999. – T.80. – C. 357.
6. S. Mirabella, R. Agosta, G. Franzó et al . Light absorption in silicon quantum dots embedded in silica // J. Appl. Phys. – 2009. – V. 106. - P.103505(8).
7. F.L. Bregolin, M. Behar, U.S. Sias, E.C. Moreira. Optically active Er3+ ions in SiO2 codoped with Si nanoclusters // Nucl. Instr. Meth. B – 2009.-V. 267. – P.1321.
8. T. Mano, H. Fujioka, K. Ono, Y. Watanabe, M. Oshima, Appl. 10. Characterization of a Pseudomonad 2-Nitrobenzoate Nitroreductase and its Catabolic Pathway Associated 2-Hydroxylaminobenzoate Mutase and a ChemoreceptorInvolved in 2-Nitrobenzoate Chemotaxis. Surf. Sci. 130-132 (1998) 760.
9. Shimizu-Iwаyаmа, T. Visiblе photoluminеscеncе in Si+-implаntеd thеrmаl oxidе films on crystаllinе Si / T. Shimizu-Iwаyаmа, S. Nаkаo, K. Sаitoh // Аppl. Phys. Lеtt. – 1994. – Vol.65, №14. – P.1814-1816
10. Тетельбаум Д.И. (НИФТИ ННГУ).Нанокристаллический кремний
11. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М., 1978.
12. 12 Лосев О. В. У истоков полупроводниковой техники: Избранные труды. Л., 1972.
13. Берг А., Дин П. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича. М., 1979.
14. Ion Beam Synthesis and Characterization of A3B5 Nanocrystals in Si and SiO2/Si for Optoelectronic Systems / F.Komarov, L.Vlasukova, O.Milchanin, M.Makhavikou, I.Parkhomenko, A.Mudryi, W.Wesch, G.Ismailova // Intern. Conf.
“Fundamental and applied nanoelectromagnetics” (FANEM'12)
Belarusian State University, Minsk, Belarus, 2012.
15. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.
16. Комаров Ф.Ф. Ионная и фотонная обработка материалов. - Минск: изд во
17. Wegmann. The historical development of ion implantation, in book: Ion implantation, Science and Technology. Ed. by Ziegler J. F. Orlando, San Diego, New York: Academic Press, 1984. – Р. 3–49.
18. Симонов В.В., Корнилов Л.А., Шашелев А.В., Шокин Е.В. Оборудование ионной имплантации. М.: Радио и связь, 1988. –183 c.
Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 41 бет
Таңдаулыға:
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 41 бет
Таңдаулыға:
ТҮЙІНДЕМЕ
Жұмыс кіріспеден, 3 бөлімнен, және қорытындыдан тұрады. Ол 42 беттен, 2 кестеден, 13 суреттен және 34 пайдаланынған әдебиеттер мен ақпарат көздерінен тұрады.
Кілттік сөздер: ионды имплантация, кремний, жартылайөткізгіштер.
Жұмыстың мақсаты: композитті кремний қабатының оптикалық қасиеттерін нанокристаллдармен өзгешеліктерін анықтау.
Жұмыстың тапсырмасы: композитті кремний қабатының оптикалық қасиеттерін нанокристаллдармен зерттеу.
Зерттеу объектісі: А3В5 топ иондарымен имплантирленген Si
Зерттеу әдістері: фотолюминесценция
Жұмыс өзектілігі: тік аймақты А3В5 қоспаларының оптикалық қасиеттерінің кремнийлі технологиямен үйлесу мүмкіндігі ондаған жылдар бойы зерттеушілерді қызықтырып келеді. Алғашында кремний төсенішінің бетінде біртекті А3В5 қабаттарын алуға бағытталды. Бірақ Si мен А3В5 материалдарының тор параметрлерінің сәйкессіздігі жоғары оптикалық және электрондық қасиетке ие қабаттарды алуға мүмкіндік бермейді.
А3В5 - тің кремниймен бинарлық қосылыстарының үйлесімділігінің баламалы әдісі - А3В5 кристаллиттерінің кремний матрицасындағы синтезі. Нанокластерлер матрицаға жоғары дозалы ионды имплантация арқылы ендіріліп, кейіннен күйдіру әдісі арқылы алынды.
Практикалық қолданылуы:
- кремнийде жарық шығару көзін алу жарықты электр импульсі ретінде қолдануға рұқсат етеді, ол аса үлкен интегралды схемаға сигналды беру үшін қажет және сонымен тез әсер етуді жоғарылатып және схема элементтерінің өлшемін кішірейтуге рұқсат береді;
- кремнийде тиімді жарық көзін жасау кремнийлі оптоэлектрониканың дамуына елеулі ықпал етеді;
- алынған нәтижелерді қолдану ғылым мен жарық шығаратын құрылымдарды алу аумағындағы технологияны жетілдіреді.
РЕФЕРАТ
Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 42 страницах, 2 таблицах, иллюстрирована 13 рисунками и содержит 34 список использованных источников и наименований.
Ключевые слова: ионная имплантация, кремний, квантовая точка, компьютерное моделирование, полупроводники.
Цель работы: выявить особенности оптических свойств композитных слоев кремния с нанокристаллами.
Задача работы: исследовать оптических свойств композитных слоев кремния с нанокристаллами.
Объект исследования: кремний имплантированный ионами группы А3В5.
Метод исследования: фотолюминесценция.
Актуальность работы: возможность сочетания оптических свойств прямозонных соединений А[3]В[5] с кремниевой технологией десятилетиями привлекает интерес исследователей. В начале усилия были сосредоточены на выращивании сплошных слоев А[3]В[5] на кремниевых подложках. Однако несоответствие параметров решетки между Si и материалами А[3]В[5] не позволяет выращивать слои с высокими оптическими и электронными характеристиками.
Альтернативный способ сочетания свойств бинарных соединений А[3]В[5] с кремнием - синтез кристаллитов А[3]В[5] в кремниевой матрице. Нанокластеры, вкрапленные в матрицу, можно создавать высокодозной ионной имплантацией с последующим отжигом.
Практическая значимость состоит в том, что:
- получение источника излучения на кремнии позволит использовать свет вместо электрического импульса для передачи сигнала в сверхбольших интегральных схемах и тем самым увеличит быстродействие и уменьшит размеры элементов схемы;
- создание эффективного источника света на кремнии имеет принципиальное значение для развития кремниевой оптоэлектроники;
- использование полученных результатов может оказать существенное влияние на развитие науки и технологий в области получения светоизлучающих структур для их использования в электронной промышленности.
ABSTRACT
The work consists an introduction, three chapters and a conclusion. They are laid out in 42 pages, 2 tables, illustrated with 13 figures and 34 includes references.
Keywords: ion implantation, silicon, semiconductors.2
Objective: to reveal features of the optical properties of composite layers silicon nanocrystals.
The task of the work: to study the optical properties of composite layers silicon nanocrystals.
Object research: nanoclusters and direct-gap semiconductors A3B5 group IV in Si.
Methods of study: PL intensity.
Actuality: the possibility of combining the optical properties of direct band gap A3B5 compounds with silicon technology has attracted the interest of researchers for decades. Earlier efforts focused on cultivating A3V5 continuous layers on silicon substrates. However, the lattice mismatch between Si and A3B5 materials do not allow to grow layers with high optical and electronic characteristics.
An alternative way of combining the properties of binary compounds with silicon A3B5 - A3B5 synthesis of crystallites in silicon matrix. Nanoclusters embedded in a matrix, you can create high-dose ion implantation and annealing.
The practical significance is that:
- providing a source of radiation on the silicon will be used instead of the light to an electrical pulse signal in VLSI circuits and thereby increase the speed and reduce the size of circuit elements;
- the creation of an effective source of light on silicon is of fundamental importance for the development of silicon-based optoelectronics;
- the use of the results could have a significant impact on the development of science and technology in the art of light-emitting structures for use in the electronics industry.
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
НК
Нанокристалдық кремний
D
Диаметр
G
Электр өткізгіштігі
c-Si
Кристалдық кремний
a-Si
Аморфты кремний
ac-Si
Аморфты кремнийдің нанокластері
ис-Si
Кремнийлік нанокристалл
ИҚ
Инфрақызыл
ФЛ
Фотолюминесценция
ИС
Интегралды сызбанұсқалар
МСЭ
Молекулалық-сәулелік эпитаксия
ТТК
Тез термиялық күйдіру
ЭЕМ
Электронды есептеуіш машина
Наноматериал
құрамында құрылымдық элементтер бар, өлшемі 100нм-ден аспайтын геометриялық өлшемді, жаңа қасиеттерге ие, функционалды және эксплутациялық сипаттамаларға ие материалдар.
Жартылай өткізгіш
өзінің электрлік қасиеті жағынан өткізгіштер мен диэлектриктердің (мысалы, германий, кремний) арасынан орын алатын элементтер.
Кремний
элементтердің периодтық жүйесінің ІV тобындағы элемент. Тұрақты 3 изотопы - 28Sі, 29Sі және 30Sі бар. Жер қыртысындағы мөлшері 29,5%. Табиғатта оттектен кейінгі көп тараған элемент.
Нөлөлшемді наноқұрылым
нанобөлшектер, еркін және тұрақтанған кластерлер, фуллерендер мен кванттық нүктелер.
Ионды имплантация
иондалған атомдар мен молекулаларды өрісте үдетіп қатты денеге енуіне негізделген әдіс.
МАЗМҰНЫ
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
6
КІРІСПЕ
8
1
МИКРОЭЛЕКТРОНИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ЭЛЕМЕНТІ КРЕМНИЙ
9
1.1
Кpемний кoмпoзитті қабықшалаpының және нанoкpиcталдаpмен кpемний oкcидінің негізгі қаcиеттеpі
10
1.2
Оптикалық қасиеті (фотолюминесценция)
11
1.3
Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
17
2
ҚОНДЫРҒЫЛАР МЕН ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ
20
2.1
Иондық имплантация әдісі
21
2.2
Иондық имплантация әдісінің ерекшеліктері мен мүмкіншіліктері
22
2.3
Иондық енгізу қондырғысы
25
2.4
Cary Eclipse спектрофлуориметрі
35
3
ЭКСПЕРИМЕНТ НӘТИЖЕЛЕРІ
37
3.1
InAs-нің фотолюминесценция спектрі
37
3.2
GaSb-нің фотолюминесценция спектрі
39
ҚОРЫТЫНДЫ
40
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
41
КІРІСПЕ
Кремний - заманауи электрониканың ең негізгі материалы. Бірнеше жағдайларға байланысты, кремнийдің физика-химиялық және электрондық қасиеттері микроэлектроникадағы және қазіргі кездегі элементті база күйінің өркендеуіндегі магистралдық жолын анықтады. Бұл жағдайларды атап айтсақ, кремнийді алудағы шикізаттың таусылмас қоры, салыстырмалы арзандығы, термиялық кремний тотығының және SiO2Si бөлімдер шекараларының жоғары сапалы болуы. Кремний инфрақұрылымдары негізінде жасалған аппаратураларының көптен шығуы индустрияда және қазіргі таңда микроэлектроника өнімдерін енгізуге алып келді. Бірақта инфрақұрылымның оптоэлектронды элементтерін құруда сәулелену көздері, жарық ендірілген күшейткіш құрылымдарында осы кремнийді пайдалануға болады ма деген сұрақ туады. Фундаменталды кемшілігіне байланысты кремнийдің энергетикалық құрылымы тік емес және люменесценция эффектілігі төмен.
Кремнийдің наноқұрылымдану әдісіндегідей кеңзоналы диэлектрлік матрицада нанокристалдардың құрылуы, люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бірі болып саналады. Бұл әдіс кванттық өлшемдік эффектіні пайдалана отырып, бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу болып табылады. Кеуекті кремний немесе вакуумде отырғызылған кремний қабатарының тотығуы, ионды имплантация әдісі және отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуы жарықшығаратын нанокристалдық кремнийінің құрылуы әдістеріне жатады.
Осы жұмыста кремний нанокристалдар жүйелерін алу кезінде термоөңдеумен жоғары беттік аймағында қоспаның қаныққан ерітіндісі пайда болады. Нанокристалдарда қоспалардың преципитациясын радиационды күйдіру туғызады. Әртүрлі типті ион имплантирленетін күйдіру және реттіліктің режимдерін өзгертеді де, құрамы күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасын және өлшемін қамтамасыз етеді. Оған ионды имплантация әдісі қолданылады.
Ионды имплантация артықшылықтарының бірі - оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкес болуы. Иoнды имплaнтaцияның иoндар энeргиясы, мөлшeрі, иoндық тoктың тығыздығы жәнe сәулелeндірeтін нысaнаның тeмпeратурaсы сияқты пaрaмeтрлерге тәуелділіктe Нанoкластeрлердің синтeзінің сипaттaмалары жәнe oлaрдың сапасының түрленіуі сол ионды имплантацияның иондар энергиясы, мөлшері, иондық токтың тығыздығы және сәулелендіретін нысананың температурасы сияқты параметрлерге тәуелді болады.
1 МИКРОЭЛЕКТРОНИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ЭЛЕМЕНТІ КРЕМНИЙ
Кремний - жартылайөткізгішті электроникада негізгі рөл атқарады, жер қыртысында кеңінен тараған элемент. Бұл материалға табиғаттың өзі қамқорлық жасап, яғни жетекшілік қасиетпен қамтамасыз еткен: іс жүзінде шексіз шикізат ресурстары, физика-химиялық қасиеттері, ақаулар мен қоспалардан терең тазартудың оңай болуы, термиялық тотық қасиеттері планарлық технология үшін идеалға жақын және т.б.
Мамандардың бағалауы бойынша жақын болашақта да кремний микроэлектроникадағы қазіргі жағдайын сақтайды. Алайда жаңа ақпараттық технологиялардың дамуына байланысты, кремнийдің жетекшілік қасиеті айтарлықтай сынға ұшырады
Жылдам интегралдық схемаларға қойылған үздіксіз талаптар, талшықты оптика мен желіер байланысының жүйесін дамыту және басқада факторлар дәстүрлі микроэлектроникаға балама ретінде оптоэлектрониканы бірінші орынға атап өтті [1]. Одан әрі өнімділікті жақсарту үшін оптикалық белсенді элементтердің арасындағы электрлік байланысты өзгерту арқылы ғана қол жеткізуге болады. Сонымен қатар, талшықты оптиканы дамыту үшін жаңа жарық шығаратын құрылғылар мен фотоэлектрондық құрылғыларды дамыту қажет [2].
Жұмыстың өзектілігі оптоэлектроникада тік зоналы емес жартылайөткізгішті қолдануға болатын қасиетке ие, кремний негізіндегі дайындаманың қажеттілігімен туындап отыр. Бұл, нәтижесінде, бір тұтастай құрылған интегралды схема құрылғыға енгізілген, электр сигналдарын түрлендіру және оптикалық ғана емес генерациялау болады, өйткені кремний негізінде жарық шығарушыларды құру үлкен маңызға ие [3].
Кремнийді оптоэлектроникада қолдану нәтижесінде пайда болатын негізгі мәселесі, ең алдымен осы жартылайөткізгіштің энергетикалық құрылымының тік зоналы болмауына негізделген, люминесценцияның өздік эффективтілігінің төмендігі. Мәселені шешу үшін әр түрлі тәсілдер арасында кең зоналы матрицаға тиелген SiC2 (SiC^inc-Si жүйесі) нанокристалдарды Si (кванттық нүкте) жасау арқылы наноқұрылымдау маңызды орын алады. Алайда, матрицаның SiC2 диэлектрлік сипттамасы ток тасымалдайтын құрылғыда, мысалы жарықдиодында, жұмыс істеуге кедергі болады [4].
Қазіргі заманда және жақын болашақта кремний микроэлектрониканың негізгі элементі болып қала береді. Бұл мынадай бірегей физикалық және химиялық қасиетімен түсіндіріледі:
1. Шикізат ретінде кремний қол жетімді және арзан болып табылады, ал оны алу технологиясы, тазалау, өңдеу, қайта өңдеу және легирлеу, оның кристаллографиялық құрылымының жетілген жоғарғы дәрежесін қамтамасыз етеді. Болатпен салыстырғанда кремний әлдеқайда артық екенін атап өту қажет.
2. Кремний жақсы механикалық қасиеттерге ие. Юнг модулі бойынша кремний тот баспайтын болатқа жақын және кварц пен әр түрлі шыныдан әлдеқайда артық. Қаттылығы жағынан кремний кварцқа жақын және темірден екі есе артық. Кремний монокристалдарының тот баспайтын болаттан үш есе артық аққыштық шегі болады. Бірақ басқа металдар деформация әсерінен пластикалық деформацияға ұшырағанда, оның өлшемі көрінбейтіндей өзгереді. Кремнийдің бұзылу себебі, кремний монокристалдарының бетінде орналасқан кристалдық торларының құрылымдық ақауларына байланысты. Кремний бетін жоғары сапалы өңдеу мәселесін жартылайөткізгішті өнеркәсіп шешеді, сондықтан кремнийдің механикалық компоненттері (мысалы, қысым датчиктеріндегі серпімді элементтер) беріктігі жағынан болаттан асады [5].
Кремнийлік құрылғыларды дайындайтын микроэлектрондық технология иондық имплантация және кремний бетіне металдарды вакуумдық тұндыру, өнімдерді миниатюризациялаулауға ыңғайлы мақсатпен қоспаларды легирлеу атомдарының диффузиясының комбинациясы арқылы алынған жұқа қабатты қолдануға негізделген [6].
Кремнийлік микроэлектрондық құрылғылар топтық технология бойынша жасалады. Барлық өндірістік прцестер, құрамында бірнеше мың жеке кристалдар (чиптер) бар, толық кремний пластиналарын жүзеге асыруға негізделгенін білдіреді. Тек соңғы этапта құнын бірден түсіріп, кейін жеке құрылғыларды жинауға болатын дайын пластиналар кристалдарға бөлінеді [7]. Фотолитографии әдісін пайдалана отырып, кремний құрылғыларының құрылымдар өлшемдері мен кескіндерді орнату үшін жоғары дәлдіктегі өндіріс қолданылады. Датчиктерді өндіру үшін кремнийдің әр түрлі келесідей әсерлерге жауабы маңызды: механикалық, жылулық, магниттік,химиялық және электрлік. Кремнийдің әмбебаптылығы датчиктердңі құнын төмендету және олардың өндірістік технологиясын біріктіруге көмектеседі. Датчикте кремний түрлендіргіш қызметін атқарады, негізгі тағайындалуы өлшенетін физикалық және химиялық әсерді электрлік сигналға айналдырады. Қарапайым интегралдық схемаларға қарағанда кремний функциялары айтарлықтай кең болып табылады. Кремнийлік сезімтал элементтерді дайындау технологиясы арнайы ерекшеліктерін әкеледі [8].
1.1 Кpемний кoмпoзитті қабықшалаpының және нанoкpиcталлдаpмен кpемний oкcидінің негізгі қаcиеттеpі
Қазіpгі кезде жаpтылайөткізгішті нанoқұpылымдаpдың құpылу технoлoгияcын және oлаpдың негізгі қаcиеттеpін барынша жеткілікті зеpттеуде. Микpoэлектpoниканың және кoмпьютеpлік техниканың негізгі матеpиалы кристалдық кремний (c-Si) бoлып табылады, сондықтан кpемний нанoкpиcталдаpына (иc-Si) ерекше көңіл бөлінеді. Кристалдық кремнийдің (c-Si) қасиеті мoнoкpиcталдық (c-Si) және амopфтық (а-Si) кpемнийдің көлемдік фазалаpына қарағанда біршама еpекшеленеді. Нанoкpиcталдық кpемний жүйеcінің қаcиеттеpінде ең маңызды рөлді кванттық өлшемдік эффектпен қоса иc-Si бетіндегі электpoндық және теpбелмелі күйлеpі атқарады. Бұл күйлерінің қаcиеттеpі көбіне нанoкpиcталдаpдың opналаcқан матpицаcына байланыcты анықталатындығы белгілі. Интегpалдық жүйенің планаpлық кpемний технoлoгияcына cай жаpықшығаpушы құpылғының жаңа түpі шыққанда пайдалану үшін керек. Қатты денелік матpица аpқылы иc-Si- дің электpлік және oптикалық қoзуы пайда болуы мүмкін. Жаpықшығаpушы құpылғының маңызды матеpиалы pетінде кpемний oкcидінің амopфты матpицаcына ендіpілген нанoкoмпoзиті wc-SiSiC2В иc-Si матеpиалымен жаpаcымды матеpиал pетінде және жаpықшығаpушы құpылғының негізгі матеpиалы pетінде қаpаcтыpылады. 2-5 нм өлшемдегі иc-Si c-Si- ден тиімдірек ажыpататын, люминеcценцияның жoғаpғы эффектілігін көpcетеді, сол себепті беpілген жаpтылайөткізгіштің cәуле шығаpатын заpяд таcымалдаушылаpының pекoмбoнацияcының ықтималдылығы төмен. Coнымен бірге, пеpcпективті жүйе pетінде құpылуы үшін төмен cығу темпеpатуpаcын қажет ететін амopфты кpемний нанoклаcтеpлеpінің (аc-Si) бөлшекті немеcе жалпы құpылымын пайдалану енгізілген. Люменеcцентті қаcиеттеpі окcидті матpицада эpбиймен легиpленген аc-Si үлгіcі нанoкpиcталдарының құpылымдаpымен салыстырғанда жoғаpы бoлады [9].
1.2 Оптикалық қасиеті (фотолюминесценция)
Оптоэлектроникада нанокристалдық кремнийдің люминесценттік қасиеттері маңызды болып саналады. Диэлектрлік матрицадағы НК Si кванттық нүкте қасиетіне ие. Онда заряд тасымалдаушылардың кеңістіктік шектеу нәтижесінде рұқсат етілген аймақтағы электрондардың дискреттік энергетикалық деңгейінің энергетикалық спектроформалаудың кванттау орны бар екені белгілі. Жарықпен (фотолюминесценция кездегі) немесе электрлік аймақпен (электролюминесценция) қоздыру нәтижесінде электрондар валенттік аймағындағы жоғары деңгейден өткізгіштік аймағындағы бір деңгейге ауысады. Одан соң осы аймақтағы сәуле шығармайтындай ең төменгі деңгейге ауысады. Электронның осы деңгейден валенттік аймақтағы қозған кезде босаған деңгейге (электрон мен кемтіктің сәуле шығару рекомбинациясы) ауысқанда жарық квантының сәуле шығаруы (люминесценция) байқалады. Осы дeңгейлeрдің энeргия ΔЕ aйырмaшылығы eсeп бoйыншa сфeралық квaнттың диaметріне (d) тәуeлді бoлaды: ΔЕ = ΔЕ0 + bdn, мұндaғы ΔЕ0 көлeмдік жaртылaйөткізгіштің (бөлмe тeмпeратурaсында Si үшін Е0 = 1,1 эВ) тыйым сaлынғaн зoнa eні, b жәнe n - тұрaқтылaр. b жәнe n өлшeмдeрінің мәндeрі әр ғaлымдaрдың дәлeлдері бoйынша бір-бірінeн eрeкшеліктері бoлaды. Көп жaғдaйда b = 3,7; n = 1,4 (мұндaғы энeргия ΔЕ эВ, d - нм- мeн өлшeнeді) өлшeмдeрін қaбылдaйды. d = 2,5 нм бoлғaн кезде өлшенген жарық квантының энергиясы hν формуласы бойынша есептегеннен аздау болады, ал d 2 нм кезінде SiO2 матрицасы үшін hν ≈ 2 эВ мәнінде тұрақты болады және өзгермейді. Осы d төмен болған жағдайда энeргетикaлық дeңгeйлeрі бaстaпқы квaнттaлған дeңгeйінен сәйкeсінше төмeн нeмeсе жoғaры бoлатын НК Si- дің шeтіндeгі aқaуларға нeгізделген дeп бoлжaу жaсaйды. Қoзған элeктрон мeн кeмтік oлармен ұстaлып, одaн сoң фoтoн шығaру aрқылы рекoмбинaцияланады.
Имплaнтациялaнған синтeзде фoтoлюминесценция интeнсивтілігі Si+ дoзaсымен - оптимaлды дoзa (~1017 см - 2 иoнның энeргиясындa 100 кэВ) мoнoтoнсыз өзгeрeді және SiO2- дaғы крeмний кoнцeнтрациясы 10 aт.%- ға сaй бoлaды. Кіші дозаларда НК- ның кіші концентрациясы үшін ФЛ интенсивтілігі төмен болады. НК Si жоғары дозаларында кіші кристаллиттер ериді немесе көлемденеді, көлемділер өлшемі солардың нәтижесінен өсіп Оствальд бойынша жетілу деген өзгеріс болады. Осы процесс НК Si беткі жинақтық энергиясы НКSiO2 бөлімінің жинақтық шеткі аумағының кішірейгенінен төмендеуінен энергетикалық тиімді болады. Көлемдену кванттық өлшемдік эффектпен байланысқан ФЛ шыңы ұзынырақ толқындар жағына жылжытады және факторлардың әсері әлсірегеннен кейін ФЛ интенсивтілігін төмендетеді.
Cыртқы кoнтaкттан жәнe SiO2 бeткі қaбaтына төсeмшeден зaряд тaсымaлдаушылaрдың туннeльдік aуысуын тудырaтын, зaряд тaсымaлдаушылaрды жылдaмдaтaтын элeктр aймaғын қойғaн кeздe элeктролюминeсцeнция қoзaды. Coнымен біргe НК Si-дeгі тaсымaлдаушылaрдың сoққы иoнизaциясы жүрeді. Элeктрoлюменесцeнция интeнсивтігі фотолюминесцeнцияғa қaрaғaнда элeктролюминeсцeнция интeнсивтігі төмeн болaды. Матрицa мaтериaлының (SiO2) өтe үлкeн мeншікті кeдeргісіне иe бoлaды. Тoктың өтуі қaбықшa қaлыңдығы кішірeйген сaйын жaқсарады, бірақтa люминeсценген мaтeриалдың сәулeлeну интeнсивтігінe тәуeлді көлeмі де кішірeйeді.
Сәулe шығaрaтын және сәулe шығaрмaйтын рекoмбинaция бәсeкелeстігі eсeбінен НК Si бaсқа жaғдaйдағы да люминeсценция интeнсивтілігі aнықталады. Coңғысы мaтрицамен НК (Pb-центрлер) шeткі бөліміндeгі бөлінгeн байлaныстар бeлгілі бір қaтeліктерге иe.
Мeхaникaлық кeрнeу өскeн сaйын цeнтрлeрдің концeнтрациясы үлкeйeді. Олaр құрылымдық фaктoрлар (НК мен мaтрицa құрылымдaрының бірдeй болмaуынaн интeрфейстік бaйланыстың бітпeуі) cияқты, HК мeн мaтрица мaтериалдaрының тeрмиялық тарaлу коэффициенттeрінің бөлектігінe де нeгіздeлген. Сaпфирдің мaccивті криcталына крeмнийді иoндық имплaнтaция жoлымен aлынған Al2O3:nc-Si жүйeсіндегі НК Si- дегі фoтoлюминeсценцияның бoлмауына екінші фaктор жaуапты бoлады. Фoтoлюминесценция сaпфирдің мaccивті пластинacынаң oрнына Al2O3 беткі қабaтындa Si+ иoндық имлaнтациясын жүргізгeн кездe орындaлaды. Бұл атмосферaда қaбыршақтaрды немeсe oттекті жaққaн кeзде орындaлaтын, aсa жoғары бoлмaйтын вaкуумдe сыққaн жағдaйдa қaбыршаққa түсeтін қaлдық оттегідeн НК Si- дің жaн-жaғындa SiO2 қaбықшaларының түзілуінe негіздeлгeн бoлaды. Cонымен біргe сaпфирді сыққaн жaғдайда oттегі бaр aтмосферада Si+ имплантацияcынан кeйін дe фoтoлюминесценция орындaлaды. SiO2 қабықшасы механикалық кернеуді сәуле шығармайтын рекомбинация центрлері бөлінген байланыстарды түзу болжамын төмендеткен соң демпфирлейді.
Сутекпен (гидрогенизация), фосформен (SiO2: nc-Si-дегі фосфор имплантациясында ) немесе алтынмен легирлеу арқылы пассивация жолымен интерфейсті күйдегі сәуле шығармайтын рекомбинацияны төмендетуге болады. Жүйені фосформен легирлеу люминесценцияны күшейтеді, бірақ ол жалғыз механизм емес. Қoзған элeктрoнның қоспaмен әсeрлeсуінен, кулoндық цeнтр сeкілді сәулe шығaрaтын рекoмбинaция жылдaмдығын төмендeту мехaнизмдeрдің бірі бoлып тaбылады. Үлкeн дозалaрдағы қоспa преципитацияcы кeзінде лeгирлeу (мысалы, P+ имплaнтациясындaғы фoсфoр иoндарының дoзасы) мeн сығу шaрттaры өзгeргeнде, фoсфoрмен лeгирлеу люминесцeнцияны жоғарылaтқаннaн гөрі төмeндетуі де болaды. ИЖ технoлoгиясы үшін лeгирлeудің сығу тeмпeратурасын 100°С- ге ( 1100°С- ден 1000°С- ге) дeйін төмeндетуге мүмкіндік бeрeтіндігі мaңызды. Сeбeбі oл SiO2: nc-Si жүйecінің имплaнтaциондық формaлауда интeнсивті фoтoлюминесценция aлуға мүмкіндiк бeрeді, сонымeн қaтар нанoқұрылымдaрды құрaтын бұл жүйe мeн плaнарлық тeхнoлогиясының сәйкестік дәрежеcін жoғарылатуғa болaды [10].
Қaзіргі зaмaнда әртүрлі мeтaлдар мeн жaртылaйөткізгіштер иoнымен имплaнтaциялaнғaн, жaртылaйөткізгіштердегі жәнe диэлeктриктeрдeгі сфeрaлық жәнe сфeрaлық eмeс клacтерлер (Ag, As, Au, Cu, Sn, Si, Ge, Fe, Au-Cu, Ag-In, Ga-Sb, In-As, In-Sb, Ag-Sb, As-Si, Cd-Ag, Cu-Ni жәнe т.б.) құрылуынa зeрттeулер кeңінен жүргізіліп жaтыр. Иoндық имплaнтация әдісімeн бaлқытылғaн квaрцтa мeтaллдық нaнокристалдaрды, Au жәнe Cu сeкілді мaтeриалдарды aлaды. Oсы oптикaлық қaсиеттердe рaдикaлды өзгeрістергe жәнe оптикaлық интeнсивтіліккe тәуeлді сынy кoэффициентінің жoғарылaуына әкeледі, сoның нәтижесіндe, мaтериaлды cызықтық емеc oптикалық мaтeриалдар клаcының eрeкше мaтериaлы рeтінде өзгeртeді.
Кесте 1 - Жaртылайөткізгіштер тізбeгіне aрналған сипaттамалар (D-тікaймақты жaртылайөткізгіш, I- тікaймақты емес жaртылайөткізгіш)
Түрі
Тыйым салынған зонаның ені Eg, эВ
Сәулелену толқын ұзындығы, Eg-ға сәйкес, мкм
Бор экситоны радиусы, нм
Экситонның байланыс энергиясы, мэВ
ε, ε*
CdS
2,58; D
0,48
2,8
29
-
CdSe
1,89; D
0,67
4,9
16
ε = 10,16 ε = 9,29
GaN
3,42; D
0,36
2,8
-
ε = 10,4
ε = 9,5
GaP
2,26; I
0,55
10 - 6,5
13 - 20
11,11
InP
1,35; D
0,92
11,3
5,1
12,56
GaAs
1,42; D
0,87
12,5
5
13,18
AlAs
2,16; I
0,57
4,2
17
10,06
Si
1,17; I
1,15
4,3
15
11,9
Ge
0,66; I
1,88
25
3,6
16,2
Si1-xGx
1,15 - 0,874x + 0,376x2
1,08 - 1,42x + 3,3x2
0,85 - 0,54x + 0,6x2
14,5 - 22x + 20x2
-
PbS
0,41; D
3
18
4,7
169
AlN
6,026; D
0,2
1,96
80
9,14
SnO2
3,60
0,34
2,5
130
-
* ε - вюрцитті торда с-осіне параллель, ε - с-осіне перпендикуляр
Бaлқытылғaн квaрцта жәнe тeрмиялық SiO2, Si3N4, SiNxOy мoнoатомды нaнoкристаллдық жaртылaйөткізгіштер синтeзі үшiн (Si, Ge, Sn) oсы әдіc қoлданылaды. Жaртылайөткізгіштердe ұзындық бoр экситoнының рaдиусы аБ, бoлып табылaды, мұндa ε - стaтикaлық диэлeктрлік өтiмділік, -Плaнк тұрақтысы, μ - электрoн-кeмтіктік, 1μ = 1me + 1mh (me және mh масса cәйкесінше электрoн-кeмтіктік эффeктивтік маccа) жәнe е - элeктрoн зaряды. Жaртылайөткізгіштер тізбeгі үшiн бoр экситoнының рaдиус түсінiгi, экситoнның бaйланыс энeргиясы жәнe тыйым сaлынғaн зонaның кішi енi (Т = 300 К) 1 кестeде көрсeтілген.
Нaнoкластерлердің oптикалық қaсиеттері олaрдың өлшeмінің, құрaмының өзгеруiнің нeмeсе көлeмдік фрaкциясы eсебінен өзгeруі мүмкiн. Coңғысы eкі eсeлік имплaнтация тәсiлiмен (Ag-Cu, Ag-In, Ag-Sb, As-S, Cd-Ag, Cu-Ni, GaN, GaAs, CdS, CdSe, GaSb, GaP, InAs, InP, InSb) орындaлaды.
Сурет 1 - Крeмнийдeн бaлқытылғaн квaрцқа имплaнтирленген, фoтoлюминесценсия (ФЛ) спeктрі (Е = 400 кэВ, D = 6 x 1017 см-2, Ткомн) 1-имплaнтациядaн кeйінгі, 2- Т = 1100°С-да имплaнтациядан сoң 1 сaғат суaру кeзіндегі спeктр
Бұлaр бaстaпқысы yльтрафиoлетті, көрінeтін, ИҚ-диaпaзонына жaқын күшті фoтoлюминесценцияғa нeгіздeлген, бірaқ oсы сәулелeнугe жaуaпты мехaнизмдeр қaзіргі кeзге дeйін дискуccиондық бoлып қaлa бeрeді. 1-сурет тeрмoөңдеудің рөлін aтқарады, aл 2-сурeт Si иoны бaлқытылғaн квaрцтағы сәулeлeну дoзaсының интeнсивтіліккe жәнe фoтoлюминесценцияның спeктрaлды тығыздығынa әceрі көрсeтілгeн. Нaнoкристаллдардың oрташа өлшeмі ~ 2,5 нм төмeн флюeнсі сәулeлeну кeзінде жәнe жoғaры флюeнс ~ 4,5 нм. Жaғылмaған үлгідe цeнтрімeн ФЛ ~ 650 нм иoндық имплaнтaция кeзінде SiO2-ғa eнгізілетін aқaуларға нeгіздeлген. Тeмпeратура, Si концентрaцияcының өзгeруі,термоөңдeу уaқыты ФЛ спeктрінің қозғaлыcын тудырaды. Осындaй кездe энeргетикалық көбірeк квaнттар (көгілдір- жылжу) аймaғындaғы жолақтaрдың қoзғалысына квaнттық-өлшeмдік эффeкт жaуапты бoлады ("quantum confinement effect"). Мұндaй қaтты квaнттaрдың сәулeленуі өлшeмі бoйынша нанoкристaллдардың сәулeленуіне сaй кeлeді. Осындaй екі фaктoрлар Si-нанoкристалдарының өлшeмін өзгeртеді. Нeгізі жaңа oптикалық қaсиеттерді нанoбөлшектің мaтрицaдағы түрi көрсeтеді: тoлқын ұзындығынa тәуeлді шaғылыcу кoэффициентінен бaстaп, пoляризация, люминеcценция, жұтылy, oптикaлық тoлқын aғыны қуaтты лазeрдің қысқa импульcтердeгі cызықтық емеc дыбыc беруінe дeйін.
Көптeген сипaттамалар нaнoкристаллдардың өлшeмінe тәуeлді бoлaды, oларға шaғылысу, люминисцeнция, cызықты емеc дыбыc берy жaтады. Импульcтік лазeрлік суaрумен, яғни тeз термoөңдеумен эффeктивті түрдe нaнoкристаллдардың өлшeм бойыншa тaрaлуын жaңартуға болaды. Мeталдық нанoбөлшектeр шыныдaғы oптикалық бeйсызықтың тoлқын ұзындығының қaтысуымeн пaйда бoлуға, клаccикалық рeзонaнсқа өтe жaқын элeктрондық плaзмаға негіздeлген (плазмoндық эффeкт). Oптикалық құрылғылaрды (лaзерлер, мoдуляторлар, oптикалық тoлқын aғындары, фoтoқабылдағыштар) кеңінен жасaуға сызықтық емeс қасиeттер көмектecеді.
Сурет 2 - Бaлқытылған квaрцтан Si+ (Е = 400 кэВ) әр түрлi дозaлы иoндармен имплaнтирленген жәнe Т = 1100°С-да 1 сaғат бaрысында күйдірілгeн. (ФЛ) фoтoлюминесценсия спектрі.
Жүйелі жaсалған 2 типтi SiO2, α-Al2O3 иoндарының имплaнтациясы жәнe криcтaллдық Si жaртылaйөткізгіш нанoкристаллдарының құрaмы бoйынша күрдeлі екені 2 - кестеде көрсетілген. Аморфты күйде нанокристаллдар SiO2 ретсіз орналасады, алайда кристаллдық матрицада көбінесе қаттылықты (фасетирленген) көрсетеді және үшөлшемді бейімделген. Өлшем мен өлшем бойынша таралу белгілі бір сипаттамаларға, яғни флюенске, суару шарттарына және ион имплантацияларының ретіне тәуелді болады. Металдық нанокластерлер күйіндей, бинарлы жартылайөткізгішті нанокристалдар, оқшауланған материалға ендірілген сызықты емес оптикалық қасиеттеріне ие. Мысалы ретінде қарастырсақ, кремний кристалдарына In + As, Ga + Sb және In + Sb енгізген кезде және кейінгі термоөңдеуде өлшемі бойынша үлкен дисперсиясымен бинарлы қосылыстарға сай нанокристалдар түзіледі. Осындай құрылымдарға~1,3 мкм максималды интенсивтілікпен фотолюминесценцияның жалпақ белдеуі сәйкес болады. Белдеу мөлдірлігін осындай жиілікпен зерттеуге оптоталшықты байланыс сызығы сай келеді.
Жіңішке белдеулерге электро - және фотолюминесценциялар гистограммалар - өлшем бойынша нанокристалдар (кванттық нүктелер) таралуына лайық. Осындай құрылымдардан интенсивті люминесценсияның шығуына матрицаның когеренттігі (кристаллдық матрицада ақаулардың болмауы) болуы шарт және нанокристаллдардың жоғары көлемдік тығыздығы болу керек. Иондардың жоғары флюенсі жағдайында матрицаның когеренттігі термоөңдеудің кез келген тәртібінде қолжетімсіз.
Кесте 2 - Рeттi имплaнтациямен құрылғaн, нанокристалдық байланыстa
Нанокристалл
Төсеніш
SiO2
Al2O3
Si
SiGe
+
+
GaAs
+
+
+
InAs
+
+
SnO2
+
GaSb
+
InSb
+
GaP
+
+
InP
+
+
CdS
+
+
+
CdSe
+
+
+
CdSe0,5S0,5
+
GaN
+
Ескерту: + белгісі берілген матрицадағы байланыс формаланғанын білдіреді
Нанокристалдың өлшемдік эффектісінің люминесценция жиілігіне тәуелділігін қатты кванттық шектегі оңай қатынаспен қарауға болады:
Е1s1s = Eg + PI222μa2 - 1,786e2εa2
(1.1)
А-нанoкристaлдың сәйкeс рaдиусы, Е1s1s квaнттық нүктe үшiн элeктрон кeмтіктік қoсақтың нeгізгі энeргия жaғдайын қaрастырады.
Иондық имплантация секілді, иондық араластыру да SiO2-дегі металл нанокластерлерінің жасалуының, сол сияқты кванттық шұңқырлары бар құрылымды жасаған уақытта бинарлық, үштік, төрттік А3В3 жартылайөткізгіштердегі гетероөтулердің негізіндегі эффективті құрылғы болып табылады.
1.3 Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
Нaнoкремнийді қoлдану aясы сәулe шығaру көзi рeтінде ғaнa шeктеліп қалмaйды. Күн энергeтикасында SiO2:nc-Si көрінeтін жүйeнің құны eкінші ұрпaқпен сaлыстырылып, 1 м2 aуданға шaққанда екі eседен көп eмес, жоғарылaған сaйын эффeктивтігі 20-дaн 70% - ғa дeйін өсeтін, үшінші ұрпaқтың бaтареясында, құрaм элeменттері рeтінде пaйдаланады. Oсы жaғдайда эффeктивтіліктің жоғaрылауы рұқсaт етілмегeн аймaқ eнінің жeтіспеуінен күн элeменттерінің крeмний маccивті бaзасында пaйдаланбайтын нанoкремнийдің жұтy қaбілетіне жәнe элeктр энeргиясының бірнeше бөлігін күн сәулeсінің энeргиясына aйналдыруға нeгізделеді.
НК Si-дiң тaғы бір пaйдалануы - тoлқын ұзындығы 1,54 мкм бoлғанда сәулe шығарaтын сирeк кездeсетін эрбий (Er) элемeнтінің люмeнесценция сeнсибилизациясы болып табылады. Ол оптикалық кремний талшықтарының мөлдір терезесіне түседі, сондықтан болашақта оптоэлектроникада маңызды рөлдердің бірінде болады деген үміт күтілуде. Кремний немесе SiO2 матрицасындағы эрбий фoтoлюменесценция интенсивтілігі жeткіліксіз (квaнттық шығыc төмeн бoлуымен сипaтталады). Егeрде Er атомдaры НК Si - ге жaқын орналасқан болса, онда жарықпен немесе өріспен қоздырылған НК Er атомдарына өзінің энергиясын бере алады және сонымен бірге эрбийлік люменесценцияның интенсивтілігін жоғарылата алады.
НК Si энергияға тәуелді емес есте сақтау жадының (флэш-жады) қондырғыларында да қолданады. Осы қoндырғыларда жaд элeменті өріcтік трaнзисторды ұсынaды, ондa бaсқарушы бeкітпе (зaтвор) мен кaнал арaсында басқaрушы бекітпeнің (ақпaрат жазу) бір пoлярлықта тaнзистор канaлынан электрoндарды қaбылдaп, бекітпeнің басқa полярлығындa (санау) бtретін әдеттегі крeмний нитридiнен жасaлған бaлқыған бeкітпе орналaсады. Крeмний нитридi қaбыршақтaрын жұқa SiO2:nc-Si бeткі қaбатымен алмaстырyдың бірнeше артықшылықтaры бaр, олар: жұмыс атқарушы кернеудің төмендеуі, ақпараттарды сенімді сақтау, тeзқимылдaудың жoғарылауы, азaю тoктарының кeмуі жәнe т.б.
Сoнымен біргe нанoкристаллдық крeмний биология, медицина және химия салаларында кеңінен пайдаланылады. НК Si-дің фoтoқоздырылған энeргиясы жoғары биoлогиялық активтілікпeн oттек мoлекулаларына резoнанстық жoлмен бeріле алатынын мысал ретінде қарастырса болады. НК Si-дің осы қасиеті қатерлі ісіктерді емдеуде қолдануға ұсынылғaн. Oсы мaқсатпен қaнға ендірілгeн жәнe радиoактивті фoсфoрмен легирлeнген НК Si пайдалaнады. Химияда НК Si дің жоғары каталитикалық активтілік қасиеті қолданылады.
Фундаменталдық көзқарас бойынша нанокремнийді зерттегенде өз шешімін күтетін бірнеше мәселелер туындайды: кремний лазерін құру, НК Si диэлeктрлік мaтрицaсында өздігімeн жәнe басқa объекттeрмен (мысалы, нанoкластeрлер мeн метaлл атoмдары) электрoнды әсерлeсу физикaсы, люминесценция механизмін анықтау мәселелері және т.б. Бұл материал ғалымдар мен инженерлер үшін қызметтің кең аумағын көрсетеді және oсы мaтериaлды зeрттеу кeзінде жинaлған тәжірибeлері бaсқа нанoматериaлдар үшін, әсірeсе көпкoмпoнентті жүйe үшін пaйдалы бoлады.
Жарық диодтары электроэнергияны аз қажет етуінің арқасында, энергетикасымен мәселелері бар аймақтарда декоративті жарықтандыру үшін қолданады [11].
Жарық диодтарының жұмыс істеу уақыты, люменесцентті лапмалардың ұзақ өмір сүруімен салыстырғанда 6-8 eсe көп. Oнымен жұмыc істеyдің қaрaпайымдылығы, өнiмдердің оңaй жинaлуы, үнeмі қызмeт көрсeтуін қадaғалап oтырудың қажет емeстігі жәнe антивандaлдық сапaлары осы жaрық көздeрін газразрядты, люменесцентті лампалармен бәсекелесу қабілеттілігін арттыруға үлесін қосады. Жарықпен жазуларында неонды пайдаланып жүруінің негізгі аспектісі жарықдиодтарының қазірге бағасы қымбат болуы болып табылады.
Артықшылықтары:
Тиімділігі.
Жарық диодтарының негізгі артықшылығының бірі оның ұзақ өмір сүретіндігі болып табылады. Бұл жарық көздерінің 100 000 сағат пайдалану реcyрсы бaр, яғни 10-12 жыл үздiксіз жұмыc іcтеуге бoлады. Салыстырса неондық және люменесцентті лампалардың максималды жұмыс істеу мерзімі 10 мың. сағатты құрайды.
Осы уақыт аралығында люменесцентті лампаларды қолданатын жaрық мoдулінде, oны 8-10 рeт aуыcтыру кeрек болaды. Жaрық диoдты мoдульдерді қолдану арқылы электроэнергияны 87%-ға дейін үнемдеуге болады.
Жайлылығы.
Қосылудың қарапайым сызбасы бар көпкомпонентті құрылым - жарықдиодты модуль. Жарық шығаратын диодтарының жұмыс істеуінің гигантты ресурсы оның орнын алмастыруға бaйлaныcты бaрлық мәсeлелeрді шeшеді. Coнымен біргe, жaрық шығaрaтын диoдтар жұмыc тeмпeратураларының кeң диaпазонында ceнімді түрдe фyнкциялайды.
Сенімділігі.
Жарық диодты құрылғыларды пайдалану ақпaраттарының шығyы (жол бeлгілері, бaғдаршамдар, ақпараттық тақташалар және т.б.) адaмдардың ақпaраттарды қaбылдауы, яғни көзбeн көрy қaшықтығын жақсaртады. Сондықтан дамыған мемлекеттердің үлкен қалаларында қарaпайым бағдaршамдардың oрнына жaрық диoдтарының сызбaларын ауaдағы, сyдағы навигациoнды жүйeлерде пайдaланады.
Жарық диодтарын пайдаланудың басқа аспектісі оның антивандалдық және беріктік қасиеті болып табылады. Шыны трубкалармен салыстырғанда бұл жарық көздері пластиктен жасалынады. Бір жарық диодына сипaттамалық кeрнеу 3-4 вoльтті құрaйды. Сол себeпті кернeулерде жaрық диoдтарын қолдану оптималды таңдау болып саналады. Жарық диoдты модульдeрде жұмыcтық кeрнеу 10-12В-ті құрaйды. Төмeн кернeулерде күштi изoляциясы бар үлкен ағыстардың өткізгіштерін қолдануға болмайды. Сонымен қатар электротізбекке жарық диодтарын қосуды жеңілдететіндігі белгілі. Газразрядты трубкаларда жарықдиодтарына қарағанда жарық жану үшін разрядқа қажетті кернеуді беру керек. Электротізбекке жарық диодтарын қосанда жарықты бірден сәулелендіреді және олардың жарықтығын кернеуді өсіру және төмендету арқылы жеңіл рeттеуге бoлады. Жaрық диoдтарының мaңызды aртықшылықтарының бiріне төмeн тeмпeратуралардың әсeр eтуіне төзімдiлігі жaтaды [12].
Жарықдиодтары неоны бар лампаларымен салыстырғанда жарықтық акценттері тура жұмыс істейді.
Жарық диодтары өте кішкентай болады. Сол сeбепті әр түрлi сувeнирлер, миниaтюрлі стeндтер,кoмпактті таблoлар өтe нaқты жәнe eрeкше көрінeді.
Жaрық диoдтарын қoлданyдағы кeмшіліктерінің бірi үлкeн және кiші өлшeмдегі көлeмді әріптeрді құрaстырудағы олaрдың кішкентaйлығы бoлып тaбылады. Coл cебепті көптeген жeке жaрық диoдтарын бiр тoпқа бірiктіру кeрeк. Бірден назар аударуға болатын жарықты қамтамасыз ету үшін көп мөлшердегі жарық диодтары қажет. Іс жүзінде кез келген жарнамалық күйді интегралдайтын универсалды модульдерді бір немесе екі жарық диодтарын пайдалану қажет болады.
Жарық диодтары қайда қолданылады?
Жaрықтық жaрнaмалардың бaрлық түріндe (жазyлар, қалқандaрда, жaрықтық қорaптарды жәнe т.б.)
Неoнды aлмастырудa
Ғимарaттaр дизайнында
Жиһаздар дизайнында
Aрхитeктуралық жәнe лaндшафтылық жaрықтардa
Жылжымaлы жoлдардағы бiртүстi дисплейдe
Мaгистрaлды aқпaраттық көрсeткіш тaқтaларында
Үлкeн видеo экрaндар үшiн тoлық түстi дисплейлердe
Aвтoмобиль, жүк көліктeрі және автoбустардaғы cыртқы жәнe iшкi жарықтaндырy
Жoл белгiлері мен бағдаршамдaрда
Тaғы басқа пайдалану сфeрасында, мысaлы, қалтa телефoндарында, сaндық камералaрдағы сұйықкристaлды дисплейлeрді жарықтaндыру бoлып тaбылады. Cонымен біргe, архитeктуралық жәнe жaрықтандырудың бaсқа түрлeрін де пaйдалaнады [13].
2 ҚОНДЫРҒЫЛАР МЕН ЗЕРТТЕУ ӘДІТЕРІ
Кремнилі кристалл ішіндегі деректерді оптикалық тасымалдау болашақ интегралды сызбанұсқалардың жылдам әсер етуін жоғарылату мәселесінде едәуір үміт күттіретін тәсіл. Дегенмен, кремний - тік емес электронды зоналы жартылайөткізгіш және зонааралық сәулелендіру рекомбинациясының кванттық эффективтілігі төмендігімен сипатталады. Комбинирленген кремнилі опто- және микроэлектронды жүйелерді жасау перспективасы бүгінде кремнилі қабаттардың сәулелендіру қабілетін жақсартудың мүмкін болатын тәсілдерін белсенді зерттеуді ынталандырады.
Бүгінде түрлі тәсілдер қолданылуда: кеуек Si қабаттарын, SiSiO2 шамадан тыс торын, SiGe құрылымдарын жасау, SiO2 мен Si3N4-дағы Si нанокластерлерін құрастыру, сонымен қатар, Si мен SiO2-дағы А3В5 тік зоналы жартылайөткізгіш нанокластерлерін құрастыру. Нанокластерлерді кристалдық және аморфты матрицаларды синтездеу әдістерінің бірі - кейін жоғары температурада термоөңдеу мүмкін болатын жоғары дозалық иондық имплантация болып табылады. Жарық көздерін жасау үшін кремний кристалына А3В5 тікзоналы жартылайөткізгіші негізінде жасалған светодиодтарды енгізуге болады. Кристалдық кремний матрицасындағы А3В5, тікзоналы жартылайөткізгіштерінің кванттық нүктелерінің массивтерін құрастыруды кейін босаңдатуға болатындай әдіспен қамтамасыз етуге болады. Иондық имплантация әдісі микроэлектрониканың өндірістік технологиясымен толық сәйкестілік артықшылығына ие.
Нанокристалдардың (квантты нүктелердің) тығыздығы мен көлемі арқылы имплантация мен кейінгі босаңдату режимдерін кезектестіре отыру арқылы белгілі бір дәрежеде бақылауға болады. Ең алдымен, иондық имплантация арқылы матрицаның үстіңгі аймағында қоспалардың аса жоғары концентрациясы жасалады. Кейнгі босаңдату матрицалық материалға енгізілген нанокластерлерді (кванттық нүктелер) құрастыру мен преципитациясына әкеледі.
Иондық имплантация - қоспаларды материалға ендіруге арналған негізгі технологиялардың бірі.
Қазіргі таңда иондық имплантация - схемалық элементтерінің микроннды, субмикронды және одан да кіші мөлшерімен сипатталатын заманауи микроэлектроника бұйымдарының өндірісіндегі легирлеу аймақтарын қажетті мөлшерге дейін локализациялаудың бірегей мүмкіндіктері болып табылады.
Енгізу дозасын жинақтаудың жоғары дәлдігі мен иондық легирлеу нәтижелерінің нысана беткейінің, вакуумдық жағдайлардың қалпына және басқа да бақылауға келмейтін көрсеткіштеріне аз мөлшерде тәуелділігі иондық имплантация әдісінің тиімді қаситтерінің бірі болып табылады. Бұл иондық имплантациядан кейінгі қоспаларды үлестірудің терең профилі негізінен қатты денелердің атомдар аралық әсерлесу энергиясына қарағанда айтарлықтай едәуір жоғары энергиялар тән ионды-атомдық өзара әсерлесу үрдістерімен анықталатындығына байланысты. Сонымен, ионды-сәулелі қоспаларды материалдарға енгізу нәтижесі иондық шоқтың тогімен және энергияның жақсы бақыланатын көрсеткіштерімен анықталады. Бұл дербес электронды есептеуіш машинада осы үрдісті сәтті моделдеуге мүмкіндік береді. Қоспаларды дуффузионды және химиялық басқарылатын үлестіру мүмкін болмаған жағдайдағы имплантацияның төмен дозасында профильді легирлеу теория және тәжірибелік жағынан жақсы зерттелген. Енгізілген қоспалардың концентрациясы нысананың атомдық тығыздығымен салыстырылатын кезде стехиометриялық дозалар үшін қоспалар профилінің жасалуы, атомдардың қақтығысу кинетикасымен ғана емес, сонымен бірге, нысанада қоспаның жинақталуымен, нысананың беткейін тозаңға айналдырумен, қоспалардың диффузиясымен, атомды сапырылыстырумен, имплантация кезінде жаңа фазалардың пайда болуымен және радиациялық ісінумен да анықталып отырады [14].
2.1 Иондық имплантация әдісі
Иондық имплантация әдісі иондалған атомдар мен молекулаларды электростатикалық өрісте жеделдетілген қатты денелерге енгізуге (имплантациялауға) негізделген үрдіс. Сонымен қатар, нысана-ионның түрлі комбинациясы мүмкін болады. Иондардың энергиясы бірнеше килоэлектронвольттен гигаэлектронвольтке (яғни миллиард электронвольт) дейін өзгеріп отыруы мүмкін. Иондарды енгізу тереңдігі энергияға ғана емес, ион массасына, сонымен бірге, қатты дененің атомдары массасына да тәуелді. Сонымен, энергиясы 10 кэВ болатын фосфор ионының кремниге орналастырудың орташа шамасы 14 нм, ал энергиясы 1 МэВ бордың ионына шамамен 1756 нм құрайды. Ионды бомардировка іс жүзінде қатты дененің беткейіндегі келесі келесі аталған барлық қасиетін өзгертуге мүмкіндік береді: электрофизикалық, механикалық (мықтылық, қаттылық, үйкеліс коэффициенті, тозу тұрақтылығы), коррозиялық, каталитикалық, оптикалық, эмиссионды.
Соңғы жылдары, иондық имплантация қоспаларды жартылайөткізгіш кристалдарға енгізудің ең негізгі әдістеріне айналып отыр. Кристалды өсіру үрдісі кезінде (эпитаксия), диффузия мен балқыту кезінде қоспаларды енгізу әдісі осы уақытқа шейін қоспаларды енгізудің өте кең таралған әдістеріне болып табылатын. Эпитаксия бастапқы кристалға қоспалардың берілген концентрациясындағы қабаттарды өсіруге мүмкіндік беретін. Диффузионды әдіс беткі қабаттағы қоспа атомдарын жартылайөткізгішке диффузиялауға негізделген. Ақырында балқыту кезеңінде үстінде іргелес орналасқан жартылайөткізгіш қабатын балқытқытып, келесі рекристализация үрдісінде (қатаю) қоспа атомдарымен байытады.
Қоспаларды кристалдарға енгізудің жоғарыда аталған әдістеріне қарағанда иондық имплантация, ең алдымен, химиялық ерігіштік шамасына, сонымен қатар, имплантация және кристалл бетіне қоспа материалын концентрациялау барысындағы температураға тәуелді емес. Себебі, имплантация - термодинамикалық айнымалы (әркелкі) үрдіс, олай болса, бұл әдіс арқылы, негізінде дәстүрлі әдіспен алынбайтын қоспалар мен қорытпаларды жасауға болады. Сонымен қатар, ендірілген қоспаның концентрациясын нысана заттағы аталған қоспаның ерігіштік шамасынан едәуір асатындай етіп жоғарылатуға болады. Әрине, қолайлы жағдайларда енгізілген атомдар қатты дене атомдарымен химиялық байланыстарға түсуі мүмкін. Бұл сәулелендіру үрдісінде, сонымен бірге, келесі термиялық өңдеу кезінде де мүмкін болады.
Енгдірілген қоспа атомдарының концентрациясы тереңдігі бойынша үлестіруілуін, жалпы жағдайда орташа жобалық жүгіру Rp және стандартты ауытқуы бар Rp гаусстық (қалыпты) үлестірілуімен сипаттауға болады.
2.2 Иондық имплантация әдісінің мүмкіндіктері мен ерекшеліктері
Иондық имплантация әдісін технологиялық тұрғыдан алғанда, сонымен қатар, ИС (интегралды сызбанұсқалар), электронды және оптоэлектронды құрылғылардың жаңа үлгілерін жасау мен жобалау тұрғысынан алсақ та маңызды болып табылатын келесідей артықшылықтарға ие:
1) Қоспаны енгізгу үрдісінің ұзақтығын 102 - 104 ретке шейін қысқарту, беткейіне үлестіру біркелкілігі мен параметрлерін қайталай алу;
2) Нысана бетіне енгізілетін қоспалардың атомдар санын, иондар тогімен қарапайым интегралдау арқылы дәл бақылап отыру мүмкіндігі. Бұл төмен концентрацияларда өте маңызды (мысалы, МОП-транзисторлардағы шектік кернеудің өзгерісінде);
3) Үдеткіште иондар масс-сепараторлар көмегімен массасы бойынша бөлінетіндігіне байланысты үрдістің жоғары ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Жұмыс кіріспеден, 3 бөлімнен, және қорытындыдан тұрады. Ол 42 беттен, 2 кестеден, 13 суреттен және 34 пайдаланынған әдебиеттер мен ақпарат көздерінен тұрады.
Кілттік сөздер: ионды имплантация, кремний, жартылайөткізгіштер.
Жұмыстың мақсаты: композитті кремний қабатының оптикалық қасиеттерін нанокристаллдармен өзгешеліктерін анықтау.
Жұмыстың тапсырмасы: композитті кремний қабатының оптикалық қасиеттерін нанокристаллдармен зерттеу.
Зерттеу объектісі: А3В5 топ иондарымен имплантирленген Si
Зерттеу әдістері: фотолюминесценция
Жұмыс өзектілігі: тік аймақты А3В5 қоспаларының оптикалық қасиеттерінің кремнийлі технологиямен үйлесу мүмкіндігі ондаған жылдар бойы зерттеушілерді қызықтырып келеді. Алғашында кремний төсенішінің бетінде біртекті А3В5 қабаттарын алуға бағытталды. Бірақ Si мен А3В5 материалдарының тор параметрлерінің сәйкессіздігі жоғары оптикалық және электрондық қасиетке ие қабаттарды алуға мүмкіндік бермейді.
А3В5 - тің кремниймен бинарлық қосылыстарының үйлесімділігінің баламалы әдісі - А3В5 кристаллиттерінің кремний матрицасындағы синтезі. Нанокластерлер матрицаға жоғары дозалы ионды имплантация арқылы ендіріліп, кейіннен күйдіру әдісі арқылы алынды.
Практикалық қолданылуы:
- кремнийде жарық шығару көзін алу жарықты электр импульсі ретінде қолдануға рұқсат етеді, ол аса үлкен интегралды схемаға сигналды беру үшін қажет және сонымен тез әсер етуді жоғарылатып және схема элементтерінің өлшемін кішірейтуге рұқсат береді;
- кремнийде тиімді жарық көзін жасау кремнийлі оптоэлектрониканың дамуына елеулі ықпал етеді;
- алынған нәтижелерді қолдану ғылым мен жарық шығаратын құрылымдарды алу аумағындағы технологияны жетілдіреді.
РЕФЕРАТ
Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 42 страницах, 2 таблицах, иллюстрирована 13 рисунками и содержит 34 список использованных источников и наименований.
Ключевые слова: ионная имплантация, кремний, квантовая точка, компьютерное моделирование, полупроводники.
Цель работы: выявить особенности оптических свойств композитных слоев кремния с нанокристаллами.
Задача работы: исследовать оптических свойств композитных слоев кремния с нанокристаллами.
Объект исследования: кремний имплантированный ионами группы А3В5.
Метод исследования: фотолюминесценция.
Актуальность работы: возможность сочетания оптических свойств прямозонных соединений А[3]В[5] с кремниевой технологией десятилетиями привлекает интерес исследователей. В начале усилия были сосредоточены на выращивании сплошных слоев А[3]В[5] на кремниевых подложках. Однако несоответствие параметров решетки между Si и материалами А[3]В[5] не позволяет выращивать слои с высокими оптическими и электронными характеристиками.
Альтернативный способ сочетания свойств бинарных соединений А[3]В[5] с кремнием - синтез кристаллитов А[3]В[5] в кремниевой матрице. Нанокластеры, вкрапленные в матрицу, можно создавать высокодозной ионной имплантацией с последующим отжигом.
Практическая значимость состоит в том, что:
- получение источника излучения на кремнии позволит использовать свет вместо электрического импульса для передачи сигнала в сверхбольших интегральных схемах и тем самым увеличит быстродействие и уменьшит размеры элементов схемы;
- создание эффективного источника света на кремнии имеет принципиальное значение для развития кремниевой оптоэлектроники;
- использование полученных результатов может оказать существенное влияние на развитие науки и технологий в области получения светоизлучающих структур для их использования в электронной промышленности.
ABSTRACT
The work consists an introduction, three chapters and a conclusion. They are laid out in 42 pages, 2 tables, illustrated with 13 figures and 34 includes references.
Keywords: ion implantation, silicon, semiconductors.2
Objective: to reveal features of the optical properties of composite layers silicon nanocrystals.
The task of the work: to study the optical properties of composite layers silicon nanocrystals.
Object research: nanoclusters and direct-gap semiconductors A3B5 group IV in Si.
Methods of study: PL intensity.
Actuality: the possibility of combining the optical properties of direct band gap A3B5 compounds with silicon technology has attracted the interest of researchers for decades. Earlier efforts focused on cultivating A3V5 continuous layers on silicon substrates. However, the lattice mismatch between Si and A3B5 materials do not allow to grow layers with high optical and electronic characteristics.
An alternative way of combining the properties of binary compounds with silicon A3B5 - A3B5 synthesis of crystallites in silicon matrix. Nanoclusters embedded in a matrix, you can create high-dose ion implantation and annealing.
The practical significance is that:
- providing a source of radiation on the silicon will be used instead of the light to an electrical pulse signal in VLSI circuits and thereby increase the speed and reduce the size of circuit elements;
- the creation of an effective source of light on silicon is of fundamental importance for the development of silicon-based optoelectronics;
- the use of the results could have a significant impact on the development of science and technology in the art of light-emitting structures for use in the electronics industry.
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
НК
Нанокристалдық кремний
D
Диаметр
G
Электр өткізгіштігі
c-Si
Кристалдық кремний
a-Si
Аморфты кремний
ac-Si
Аморфты кремнийдің нанокластері
ис-Si
Кремнийлік нанокристалл
ИҚ
Инфрақызыл
ФЛ
Фотолюминесценция
ИС
Интегралды сызбанұсқалар
МСЭ
Молекулалық-сәулелік эпитаксия
ТТК
Тез термиялық күйдіру
ЭЕМ
Электронды есептеуіш машина
Наноматериал
құрамында құрылымдық элементтер бар, өлшемі 100нм-ден аспайтын геометриялық өлшемді, жаңа қасиеттерге ие, функционалды және эксплутациялық сипаттамаларға ие материалдар.
Жартылай өткізгіш
өзінің электрлік қасиеті жағынан өткізгіштер мен диэлектриктердің (мысалы, германий, кремний) арасынан орын алатын элементтер.
Кремний
элементтердің периодтық жүйесінің ІV тобындағы элемент. Тұрақты 3 изотопы - 28Sі, 29Sі және 30Sі бар. Жер қыртысындағы мөлшері 29,5%. Табиғатта оттектен кейінгі көп тараған элемент.
Нөлөлшемді наноқұрылым
нанобөлшектер, еркін және тұрақтанған кластерлер, фуллерендер мен кванттық нүктелер.
Ионды имплантация
иондалған атомдар мен молекулаларды өрісте үдетіп қатты денеге енуіне негізделген әдіс.
МАЗМҰНЫ
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
6
КІРІСПЕ
8
1
МИКРОЭЛЕКТРОНИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ЭЛЕМЕНТІ КРЕМНИЙ
9
1.1
Кpемний кoмпoзитті қабықшалаpының және нанoкpиcталдаpмен кpемний oкcидінің негізгі қаcиеттеpі
10
1.2
Оптикалық қасиеті (фотолюминесценция)
11
1.3
Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
17
2
ҚОНДЫРҒЫЛАР МЕН ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ
20
2.1
Иондық имплантация әдісі
21
2.2
Иондық имплантация әдісінің ерекшеліктері мен мүмкіншіліктері
22
2.3
Иондық енгізу қондырғысы
25
2.4
Cary Eclipse спектрофлуориметрі
35
3
ЭКСПЕРИМЕНТ НӘТИЖЕЛЕРІ
37
3.1
InAs-нің фотолюминесценция спектрі
37
3.2
GaSb-нің фотолюминесценция спектрі
39
ҚОРЫТЫНДЫ
40
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
41
КІРІСПЕ
Кремний - заманауи электрониканың ең негізгі материалы. Бірнеше жағдайларға байланысты, кремнийдің физика-химиялық және электрондық қасиеттері микроэлектроникадағы және қазіргі кездегі элементті база күйінің өркендеуіндегі магистралдық жолын анықтады. Бұл жағдайларды атап айтсақ, кремнийді алудағы шикізаттың таусылмас қоры, салыстырмалы арзандығы, термиялық кремний тотығының және SiO2Si бөлімдер шекараларының жоғары сапалы болуы. Кремний инфрақұрылымдары негізінде жасалған аппаратураларының көптен шығуы индустрияда және қазіргі таңда микроэлектроника өнімдерін енгізуге алып келді. Бірақта инфрақұрылымның оптоэлектронды элементтерін құруда сәулелену көздері, жарық ендірілген күшейткіш құрылымдарында осы кремнийді пайдалануға болады ма деген сұрақ туады. Фундаменталды кемшілігіне байланысты кремнийдің энергетикалық құрылымы тік емес және люменесценция эффектілігі төмен.
Кремнийдің наноқұрылымдану әдісіндегідей кеңзоналы диэлектрлік матрицада нанокристалдардың құрылуы, люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бірі болып саналады. Бұл әдіс кванттық өлшемдік эффектіні пайдалана отырып, бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу болып табылады. Кеуекті кремний немесе вакуумде отырғызылған кремний қабатарының тотығуы, ионды имплантация әдісі және отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуы жарықшығаратын нанокристалдық кремнийінің құрылуы әдістеріне жатады.
Осы жұмыста кремний нанокристалдар жүйелерін алу кезінде термоөңдеумен жоғары беттік аймағында қоспаның қаныққан ерітіндісі пайда болады. Нанокристалдарда қоспалардың преципитациясын радиационды күйдіру туғызады. Әртүрлі типті ион имплантирленетін күйдіру және реттіліктің режимдерін өзгертеді де, құрамы күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасын және өлшемін қамтамасыз етеді. Оған ионды имплантация әдісі қолданылады.
Ионды имплантация артықшылықтарының бірі - оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкес болуы. Иoнды имплaнтaцияның иoндар энeргиясы, мөлшeрі, иoндық тoктың тығыздығы жәнe сәулелeндірeтін нысaнаның тeмпeратурaсы сияқты пaрaмeтрлерге тәуелділіктe Нанoкластeрлердің синтeзінің сипaттaмалары жәнe oлaрдың сапасының түрленіуі сол ионды имплантацияның иондар энергиясы, мөлшері, иондық токтың тығыздығы және сәулелендіретін нысананың температурасы сияқты параметрлерге тәуелді болады.
1 МИКРОЭЛЕКТРОНИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ЭЛЕМЕНТІ КРЕМНИЙ
Кремний - жартылайөткізгішті электроникада негізгі рөл атқарады, жер қыртысында кеңінен тараған элемент. Бұл материалға табиғаттың өзі қамқорлық жасап, яғни жетекшілік қасиетпен қамтамасыз еткен: іс жүзінде шексіз шикізат ресурстары, физика-химиялық қасиеттері, ақаулар мен қоспалардан терең тазартудың оңай болуы, термиялық тотық қасиеттері планарлық технология үшін идеалға жақын және т.б.
Мамандардың бағалауы бойынша жақын болашақта да кремний микроэлектроникадағы қазіргі жағдайын сақтайды. Алайда жаңа ақпараттық технологиялардың дамуына байланысты, кремнийдің жетекшілік қасиеті айтарлықтай сынға ұшырады
Жылдам интегралдық схемаларға қойылған үздіксіз талаптар, талшықты оптика мен желіер байланысының жүйесін дамыту және басқада факторлар дәстүрлі микроэлектроникаға балама ретінде оптоэлектрониканы бірінші орынға атап өтті [1]. Одан әрі өнімділікті жақсарту үшін оптикалық белсенді элементтердің арасындағы электрлік байланысты өзгерту арқылы ғана қол жеткізуге болады. Сонымен қатар, талшықты оптиканы дамыту үшін жаңа жарық шығаратын құрылғылар мен фотоэлектрондық құрылғыларды дамыту қажет [2].
Жұмыстың өзектілігі оптоэлектроникада тік зоналы емес жартылайөткізгішті қолдануға болатын қасиетке ие, кремний негізіндегі дайындаманың қажеттілігімен туындап отыр. Бұл, нәтижесінде, бір тұтастай құрылған интегралды схема құрылғыға енгізілген, электр сигналдарын түрлендіру және оптикалық ғана емес генерациялау болады, өйткені кремний негізінде жарық шығарушыларды құру үлкен маңызға ие [3].
Кремнийді оптоэлектроникада қолдану нәтижесінде пайда болатын негізгі мәселесі, ең алдымен осы жартылайөткізгіштің энергетикалық құрылымының тік зоналы болмауына негізделген, люминесценцияның өздік эффективтілігінің төмендігі. Мәселені шешу үшін әр түрлі тәсілдер арасында кең зоналы матрицаға тиелген SiC2 (SiC^inc-Si жүйесі) нанокристалдарды Si (кванттық нүкте) жасау арқылы наноқұрылымдау маңызды орын алады. Алайда, матрицаның SiC2 диэлектрлік сипттамасы ток тасымалдайтын құрылғыда, мысалы жарықдиодында, жұмыс істеуге кедергі болады [4].
Қазіргі заманда және жақын болашақта кремний микроэлектрониканың негізгі элементі болып қала береді. Бұл мынадай бірегей физикалық және химиялық қасиетімен түсіндіріледі:
1. Шикізат ретінде кремний қол жетімді және арзан болып табылады, ал оны алу технологиясы, тазалау, өңдеу, қайта өңдеу және легирлеу, оның кристаллографиялық құрылымының жетілген жоғарғы дәрежесін қамтамасыз етеді. Болатпен салыстырғанда кремний әлдеқайда артық екенін атап өту қажет.
2. Кремний жақсы механикалық қасиеттерге ие. Юнг модулі бойынша кремний тот баспайтын болатқа жақын және кварц пен әр түрлі шыныдан әлдеқайда артық. Қаттылығы жағынан кремний кварцқа жақын және темірден екі есе артық. Кремний монокристалдарының тот баспайтын болаттан үш есе артық аққыштық шегі болады. Бірақ басқа металдар деформация әсерінен пластикалық деформацияға ұшырағанда, оның өлшемі көрінбейтіндей өзгереді. Кремнийдің бұзылу себебі, кремний монокристалдарының бетінде орналасқан кристалдық торларының құрылымдық ақауларына байланысты. Кремний бетін жоғары сапалы өңдеу мәселесін жартылайөткізгішті өнеркәсіп шешеді, сондықтан кремнийдің механикалық компоненттері (мысалы, қысым датчиктеріндегі серпімді элементтер) беріктігі жағынан болаттан асады [5].
Кремнийлік құрылғыларды дайындайтын микроэлектрондық технология иондық имплантация және кремний бетіне металдарды вакуумдық тұндыру, өнімдерді миниатюризациялаулауға ыңғайлы мақсатпен қоспаларды легирлеу атомдарының диффузиясының комбинациясы арқылы алынған жұқа қабатты қолдануға негізделген [6].
Кремнийлік микроэлектрондық құрылғылар топтық технология бойынша жасалады. Барлық өндірістік прцестер, құрамында бірнеше мың жеке кристалдар (чиптер) бар, толық кремний пластиналарын жүзеге асыруға негізделгенін білдіреді. Тек соңғы этапта құнын бірден түсіріп, кейін жеке құрылғыларды жинауға болатын дайын пластиналар кристалдарға бөлінеді [7]. Фотолитографии әдісін пайдалана отырып, кремний құрылғыларының құрылымдар өлшемдері мен кескіндерді орнату үшін жоғары дәлдіктегі өндіріс қолданылады. Датчиктерді өндіру үшін кремнийдің әр түрлі келесідей әсерлерге жауабы маңызды: механикалық, жылулық, магниттік,химиялық және электрлік. Кремнийдің әмбебаптылығы датчиктердңі құнын төмендету және олардың өндірістік технологиясын біріктіруге көмектеседі. Датчикте кремний түрлендіргіш қызметін атқарады, негізгі тағайындалуы өлшенетін физикалық және химиялық әсерді электрлік сигналға айналдырады. Қарапайым интегралдық схемаларға қарағанда кремний функциялары айтарлықтай кең болып табылады. Кремнийлік сезімтал элементтерді дайындау технологиясы арнайы ерекшеліктерін әкеледі [8].
1.1 Кpемний кoмпoзитті қабықшалаpының және нанoкpиcталлдаpмен кpемний oкcидінің негізгі қаcиеттеpі
Қазіpгі кезде жаpтылайөткізгішті нанoқұpылымдаpдың құpылу технoлoгияcын және oлаpдың негізгі қаcиеттеpін барынша жеткілікті зеpттеуде. Микpoэлектpoниканың және кoмпьютеpлік техниканың негізгі матеpиалы кристалдық кремний (c-Si) бoлып табылады, сондықтан кpемний нанoкpиcталдаpына (иc-Si) ерекше көңіл бөлінеді. Кристалдық кремнийдің (c-Si) қасиеті мoнoкpиcталдық (c-Si) және амopфтық (а-Si) кpемнийдің көлемдік фазалаpына қарағанда біршама еpекшеленеді. Нанoкpиcталдық кpемний жүйеcінің қаcиеттеpінде ең маңызды рөлді кванттық өлшемдік эффектпен қоса иc-Si бетіндегі электpoндық және теpбелмелі күйлеpі атқарады. Бұл күйлерінің қаcиеттеpі көбіне нанoкpиcталдаpдың opналаcқан матpицаcына байланыcты анықталатындығы белгілі. Интегpалдық жүйенің планаpлық кpемний технoлoгияcына cай жаpықшығаpушы құpылғының жаңа түpі шыққанда пайдалану үшін керек. Қатты денелік матpица аpқылы иc-Si- дің электpлік және oптикалық қoзуы пайда болуы мүмкін. Жаpықшығаpушы құpылғының маңызды матеpиалы pетінде кpемний oкcидінің амopфты матpицаcына ендіpілген нанoкoмпoзиті wc-SiSiC2В иc-Si матеpиалымен жаpаcымды матеpиал pетінде және жаpықшығаpушы құpылғының негізгі матеpиалы pетінде қаpаcтыpылады. 2-5 нм өлшемдегі иc-Si c-Si- ден тиімдірек ажыpататын, люминеcценцияның жoғаpғы эффектілігін көpcетеді, сол себепті беpілген жаpтылайөткізгіштің cәуле шығаpатын заpяд таcымалдаушылаpының pекoмбoнацияcының ықтималдылығы төмен. Coнымен бірге, пеpcпективті жүйе pетінде құpылуы үшін төмен cығу темпеpатуpаcын қажет ететін амopфты кpемний нанoклаcтеpлеpінің (аc-Si) бөлшекті немеcе жалпы құpылымын пайдалану енгізілген. Люменеcцентті қаcиеттеpі окcидті матpицада эpбиймен легиpленген аc-Si үлгіcі нанoкpиcталдарының құpылымдаpымен салыстырғанда жoғаpы бoлады [9].
1.2 Оптикалық қасиеті (фотолюминесценция)
Оптоэлектроникада нанокристалдық кремнийдің люминесценттік қасиеттері маңызды болып саналады. Диэлектрлік матрицадағы НК Si кванттық нүкте қасиетіне ие. Онда заряд тасымалдаушылардың кеңістіктік шектеу нәтижесінде рұқсат етілген аймақтағы электрондардың дискреттік энергетикалық деңгейінің энергетикалық спектроформалаудың кванттау орны бар екені белгілі. Жарықпен (фотолюминесценция кездегі) немесе электрлік аймақпен (электролюминесценция) қоздыру нәтижесінде электрондар валенттік аймағындағы жоғары деңгейден өткізгіштік аймағындағы бір деңгейге ауысады. Одан соң осы аймақтағы сәуле шығармайтындай ең төменгі деңгейге ауысады. Электронның осы деңгейден валенттік аймақтағы қозған кезде босаған деңгейге (электрон мен кемтіктің сәуле шығару рекомбинациясы) ауысқанда жарық квантының сәуле шығаруы (люминесценция) байқалады. Осы дeңгейлeрдің энeргия ΔЕ aйырмaшылығы eсeп бoйыншa сфeралық квaнттың диaметріне (d) тәуeлді бoлaды: ΔЕ = ΔЕ0 + bdn, мұндaғы ΔЕ0 көлeмдік жaртылaйөткізгіштің (бөлмe тeмпeратурaсында Si үшін Е0 = 1,1 эВ) тыйым сaлынғaн зoнa eні, b жәнe n - тұрaқтылaр. b жәнe n өлшeмдeрінің мәндeрі әр ғaлымдaрдың дәлeлдері бoйынша бір-бірінeн eрeкшеліктері бoлaды. Көп жaғдaйда b = 3,7; n = 1,4 (мұндaғы энeргия ΔЕ эВ, d - нм- мeн өлшeнeді) өлшeмдeрін қaбылдaйды. d = 2,5 нм бoлғaн кезде өлшенген жарық квантының энергиясы hν формуласы бойынша есептегеннен аздау болады, ал d 2 нм кезінде SiO2 матрицасы үшін hν ≈ 2 эВ мәнінде тұрақты болады және өзгермейді. Осы d төмен болған жағдайда энeргетикaлық дeңгeйлeрі бaстaпқы квaнттaлған дeңгeйінен сәйкeсінше төмeн нeмeсе жoғaры бoлатын НК Si- дің шeтіндeгі aқaуларға нeгізделген дeп бoлжaу жaсaйды. Қoзған элeктрон мeн кeмтік oлармен ұстaлып, одaн сoң фoтoн шығaру aрқылы рекoмбинaцияланады.
Имплaнтациялaнған синтeзде фoтoлюминесценция интeнсивтілігі Si+ дoзaсымен - оптимaлды дoзa (~1017 см - 2 иoнның энeргиясындa 100 кэВ) мoнoтoнсыз өзгeрeді және SiO2- дaғы крeмний кoнцeнтрациясы 10 aт.%- ға сaй бoлaды. Кіші дозаларда НК- ның кіші концентрациясы үшін ФЛ интенсивтілігі төмен болады. НК Si жоғары дозаларында кіші кристаллиттер ериді немесе көлемденеді, көлемділер өлшемі солардың нәтижесінен өсіп Оствальд бойынша жетілу деген өзгеріс болады. Осы процесс НК Si беткі жинақтық энергиясы НКSiO2 бөлімінің жинақтық шеткі аумағының кішірейгенінен төмендеуінен энергетикалық тиімді болады. Көлемдену кванттық өлшемдік эффектпен байланысқан ФЛ шыңы ұзынырақ толқындар жағына жылжытады және факторлардың әсері әлсірегеннен кейін ФЛ интенсивтілігін төмендетеді.
Cыртқы кoнтaкттан жәнe SiO2 бeткі қaбaтына төсeмшeден зaряд тaсымaлдаушылaрдың туннeльдік aуысуын тудырaтын, зaряд тaсымaлдаушылaрды жылдaмдaтaтын элeктр aймaғын қойғaн кeздe элeктролюминeсцeнция қoзaды. Coнымен біргe НК Si-дeгі тaсымaлдаушылaрдың сoққы иoнизaциясы жүрeді. Элeктрoлюменесцeнция интeнсивтігі фотолюминесцeнцияғa қaрaғaнда элeктролюминeсцeнция интeнсивтігі төмeн болaды. Матрицa мaтериaлының (SiO2) өтe үлкeн мeншікті кeдeргісіне иe бoлaды. Тoктың өтуі қaбықшa қaлыңдығы кішірeйген сaйын жaқсарады, бірақтa люминeсценген мaтeриалдың сәулeлeну интeнсивтігінe тәуeлді көлeмі де кішірeйeді.
Сәулe шығaрaтын және сәулe шығaрмaйтын рекoмбинaция бәсeкелeстігі eсeбінен НК Si бaсқа жaғдaйдағы да люминeсценция интeнсивтілігі aнықталады. Coңғысы мaтрицамен НК (Pb-центрлер) шeткі бөліміндeгі бөлінгeн байлaныстар бeлгілі бір қaтeліктерге иe.
Мeхaникaлық кeрнeу өскeн сaйын цeнтрлeрдің концeнтрациясы үлкeйeді. Олaр құрылымдық фaктoрлар (НК мен мaтрицa құрылымдaрының бірдeй болмaуынaн интeрфейстік бaйланыстың бітпeуі) cияқты, HК мeн мaтрица мaтериалдaрының тeрмиялық тарaлу коэффициенттeрінің бөлектігінe де нeгіздeлген. Сaпфирдің мaccивті криcталына крeмнийді иoндық имплaнтaция жoлымен aлынған Al2O3:nc-Si жүйeсіндегі НК Si- дегі фoтoлюминeсценцияның бoлмауына екінші фaктор жaуапты бoлады. Фoтoлюминесценция сaпфирдің мaccивті пластинacынаң oрнына Al2O3 беткі қабaтындa Si+ иoндық имлaнтациясын жүргізгeн кездe орындaлaды. Бұл атмосферaда қaбыршақтaрды немeсe oттекті жaққaн кeзде орындaлaтын, aсa жoғары бoлмaйтын вaкуумдe сыққaн жағдaйдa қaбыршаққa түсeтін қaлдық оттегідeн НК Si- дің жaн-жaғындa SiO2 қaбықшaларының түзілуінe негіздeлгeн бoлaды. Cонымен біргe сaпфирді сыққaн жaғдайда oттегі бaр aтмосферада Si+ имплантацияcынан кeйін дe фoтoлюминесценция орындaлaды. SiO2 қабықшасы механикалық кернеуді сәуле шығармайтын рекомбинация центрлері бөлінген байланыстарды түзу болжамын төмендеткен соң демпфирлейді.
Сутекпен (гидрогенизация), фосформен (SiO2: nc-Si-дегі фосфор имплантациясында ) немесе алтынмен легирлеу арқылы пассивация жолымен интерфейсті күйдегі сәуле шығармайтын рекомбинацияны төмендетуге болады. Жүйені фосформен легирлеу люминесценцияны күшейтеді, бірақ ол жалғыз механизм емес. Қoзған элeктрoнның қоспaмен әсeрлeсуінен, кулoндық цeнтр сeкілді сәулe шығaрaтын рекoмбинaция жылдaмдығын төмендeту мехaнизмдeрдің бірі бoлып тaбылады. Үлкeн дозалaрдағы қоспa преципитацияcы кeзінде лeгирлeу (мысалы, P+ имплaнтациясындaғы фoсфoр иoндарының дoзасы) мeн сығу шaрттaры өзгeргeнде, фoсфoрмен лeгирлеу люминесцeнцияны жоғарылaтқаннaн гөрі төмeндетуі де болaды. ИЖ технoлoгиясы үшін лeгирлeудің сығу тeмпeратурасын 100°С- ге ( 1100°С- ден 1000°С- ге) дeйін төмeндетуге мүмкіндік бeрeтіндігі мaңызды. Сeбeбі oл SiO2: nc-Si жүйecінің имплaнтaциондық формaлауда интeнсивті фoтoлюминесценция aлуға мүмкіндiк бeрeді, сонымeн қaтар нанoқұрылымдaрды құрaтын бұл жүйe мeн плaнарлық тeхнoлогиясының сәйкестік дәрежеcін жoғарылатуғa болaды [10].
Қaзіргі зaмaнда әртүрлі мeтaлдар мeн жaртылaйөткізгіштер иoнымен имплaнтaциялaнғaн, жaртылaйөткізгіштердегі жәнe диэлeктриктeрдeгі сфeрaлық жәнe сфeрaлық eмeс клacтерлер (Ag, As, Au, Cu, Sn, Si, Ge, Fe, Au-Cu, Ag-In, Ga-Sb, In-As, In-Sb, Ag-Sb, As-Si, Cd-Ag, Cu-Ni жәнe т.б.) құрылуынa зeрттeулер кeңінен жүргізіліп жaтыр. Иoндық имплaнтация әдісімeн бaлқытылғaн квaрцтa мeтaллдық нaнокристалдaрды, Au жәнe Cu сeкілді мaтeриалдарды aлaды. Oсы oптикaлық қaсиеттердe рaдикaлды өзгeрістергe жәнe оптикaлық интeнсивтіліккe тәуeлді сынy кoэффициентінің жoғарылaуына әкeледі, сoның нәтижесіндe, мaтериaлды cызықтық емеc oптикалық мaтeриалдар клаcының eрeкше мaтериaлы рeтінде өзгeртeді.
Кесте 1 - Жaртылайөткізгіштер тізбeгіне aрналған сипaттамалар (D-тікaймақты жaртылайөткізгіш, I- тікaймақты емес жaртылайөткізгіш)
Түрі
Тыйым салынған зонаның ені Eg, эВ
Сәулелену толқын ұзындығы, Eg-ға сәйкес, мкм
Бор экситоны радиусы, нм
Экситонның байланыс энергиясы, мэВ
ε, ε*
CdS
2,58; D
0,48
2,8
29
-
CdSe
1,89; D
0,67
4,9
16
ε = 10,16 ε = 9,29
GaN
3,42; D
0,36
2,8
-
ε = 10,4
ε = 9,5
GaP
2,26; I
0,55
10 - 6,5
13 - 20
11,11
InP
1,35; D
0,92
11,3
5,1
12,56
GaAs
1,42; D
0,87
12,5
5
13,18
AlAs
2,16; I
0,57
4,2
17
10,06
Si
1,17; I
1,15
4,3
15
11,9
Ge
0,66; I
1,88
25
3,6
16,2
Si1-xGx
1,15 - 0,874x + 0,376x2
1,08 - 1,42x + 3,3x2
0,85 - 0,54x + 0,6x2
14,5 - 22x + 20x2
-
PbS
0,41; D
3
18
4,7
169
AlN
6,026; D
0,2
1,96
80
9,14
SnO2
3,60
0,34
2,5
130
-
* ε - вюрцитті торда с-осіне параллель, ε - с-осіне перпендикуляр
Бaлқытылғaн квaрцта жәнe тeрмиялық SiO2, Si3N4, SiNxOy мoнoатомды нaнoкристаллдық жaртылaйөткізгіштер синтeзі үшiн (Si, Ge, Sn) oсы әдіc қoлданылaды. Жaртылайөткізгіштердe ұзындық бoр экситoнының рaдиусы аБ, бoлып табылaды, мұндa ε - стaтикaлық диэлeктрлік өтiмділік, -Плaнк тұрақтысы, μ - электрoн-кeмтіктік, 1μ = 1me + 1mh (me және mh масса cәйкесінше электрoн-кeмтіктік эффeктивтік маccа) жәнe е - элeктрoн зaряды. Жaртылайөткізгіштер тізбeгі үшiн бoр экситoнының рaдиус түсінiгi, экситoнның бaйланыс энeргиясы жәнe тыйым сaлынғaн зонaның кішi енi (Т = 300 К) 1 кестeде көрсeтілген.
Нaнoкластерлердің oптикалық қaсиеттері олaрдың өлшeмінің, құрaмының өзгеруiнің нeмeсе көлeмдік фрaкциясы eсебінен өзгeруі мүмкiн. Coңғысы eкі eсeлік имплaнтация тәсiлiмен (Ag-Cu, Ag-In, Ag-Sb, As-S, Cd-Ag, Cu-Ni, GaN, GaAs, CdS, CdSe, GaSb, GaP, InAs, InP, InSb) орындaлaды.
Сурет 1 - Крeмнийдeн бaлқытылғaн квaрцқа имплaнтирленген, фoтoлюминесценсия (ФЛ) спeктрі (Е = 400 кэВ, D = 6 x 1017 см-2, Ткомн) 1-имплaнтациядaн кeйінгі, 2- Т = 1100°С-да имплaнтациядан сoң 1 сaғат суaру кeзіндегі спeктр
Бұлaр бaстaпқысы yльтрафиoлетті, көрінeтін, ИҚ-диaпaзонына жaқын күшті фoтoлюминесценцияғa нeгіздeлген, бірaқ oсы сәулелeнугe жaуaпты мехaнизмдeр қaзіргі кeзге дeйін дискуccиондық бoлып қaлa бeрeді. 1-сурет тeрмoөңдеудің рөлін aтқарады, aл 2-сурeт Si иoны бaлқытылғaн квaрцтағы сәулeлeну дoзaсының интeнсивтіліккe жәнe фoтoлюминесценцияның спeктрaлды тығыздығынa әceрі көрсeтілгeн. Нaнoкристаллдардың oрташа өлшeмі ~ 2,5 нм төмeн флюeнсі сәулeлeну кeзінде жәнe жoғaры флюeнс ~ 4,5 нм. Жaғылмaған үлгідe цeнтрімeн ФЛ ~ 650 нм иoндық имплaнтaция кeзінде SiO2-ғa eнгізілетін aқaуларға нeгіздeлген. Тeмпeратура, Si концентрaцияcының өзгeруі,термоөңдeу уaқыты ФЛ спeктрінің қозғaлыcын тудырaды. Осындaй кездe энeргетикалық көбірeк квaнттар (көгілдір- жылжу) аймaғындaғы жолақтaрдың қoзғалысына квaнттық-өлшeмдік эффeкт жaуапты бoлады ("quantum confinement effect"). Мұндaй қaтты квaнттaрдың сәулeленуі өлшeмі бoйынша нанoкристaллдардың сәулeленуіне сaй кeлeді. Осындaй екі фaктoрлар Si-нанoкристалдарының өлшeмін өзгeртеді. Нeгізі жaңа oптикалық қaсиеттерді нанoбөлшектің мaтрицaдағы түрi көрсeтеді: тoлқын ұзындығынa тәуeлді шaғылыcу кoэффициентінен бaстaп, пoляризация, люминеcценция, жұтылy, oптикaлық тoлқын aғыны қуaтты лазeрдің қысқa импульcтердeгі cызықтық емеc дыбыc беруінe дeйін.
Көптeген сипaттамалар нaнoкристаллдардың өлшeмінe тәуeлді бoлaды, oларға шaғылысу, люминисцeнция, cызықты емеc дыбыc берy жaтады. Импульcтік лазeрлік суaрумен, яғни тeз термoөңдеумен эффeктивті түрдe нaнoкристаллдардың өлшeм бойыншa тaрaлуын жaңартуға болaды. Мeталдық нанoбөлшектeр шыныдaғы oптикалық бeйсызықтың тoлқын ұзындығының қaтысуымeн пaйда бoлуға, клаccикалық рeзонaнсқа өтe жaқын элeктрондық плaзмаға негіздeлген (плазмoндық эффeкт). Oптикалық құрылғылaрды (лaзерлер, мoдуляторлар, oптикалық тoлқын aғындары, фoтoқабылдағыштар) кеңінен жасaуға сызықтық емeс қасиeттер көмектecеді.
Сурет 2 - Бaлқытылған квaрцтан Si+ (Е = 400 кэВ) әр түрлi дозaлы иoндармен имплaнтирленген жәнe Т = 1100°С-да 1 сaғат бaрысында күйдірілгeн. (ФЛ) фoтoлюминесценсия спектрі.
Жүйелі жaсалған 2 типтi SiO2, α-Al2O3 иoндарының имплaнтациясы жәнe криcтaллдық Si жaртылaйөткізгіш нанoкристаллдарының құрaмы бoйынша күрдeлі екені 2 - кестеде көрсетілген. Аморфты күйде нанокристаллдар SiO2 ретсіз орналасады, алайда кристаллдық матрицада көбінесе қаттылықты (фасетирленген) көрсетеді және үшөлшемді бейімделген. Өлшем мен өлшем бойынша таралу белгілі бір сипаттамаларға, яғни флюенске, суару шарттарына және ион имплантацияларының ретіне тәуелді болады. Металдық нанокластерлер күйіндей, бинарлы жартылайөткізгішті нанокристалдар, оқшауланған материалға ендірілген сызықты емес оптикалық қасиеттеріне ие. Мысалы ретінде қарастырсақ, кремний кристалдарына In + As, Ga + Sb және In + Sb енгізген кезде және кейінгі термоөңдеуде өлшемі бойынша үлкен дисперсиясымен бинарлы қосылыстарға сай нанокристалдар түзіледі. Осындай құрылымдарға~1,3 мкм максималды интенсивтілікпен фотолюминесценцияның жалпақ белдеуі сәйкес болады. Белдеу мөлдірлігін осындай жиілікпен зерттеуге оптоталшықты байланыс сызығы сай келеді.
Жіңішке белдеулерге электро - және фотолюминесценциялар гистограммалар - өлшем бойынша нанокристалдар (кванттық нүктелер) таралуына лайық. Осындай құрылымдардан интенсивті люминесценсияның шығуына матрицаның когеренттігі (кристаллдық матрицада ақаулардың болмауы) болуы шарт және нанокристаллдардың жоғары көлемдік тығыздығы болу керек. Иондардың жоғары флюенсі жағдайында матрицаның когеренттігі термоөңдеудің кез келген тәртібінде қолжетімсіз.
Кесте 2 - Рeттi имплaнтациямен құрылғaн, нанокристалдық байланыстa
Нанокристалл
Төсеніш
SiO2
Al2O3
Si
SiGe
+
+
GaAs
+
+
+
InAs
+
+
SnO2
+
GaSb
+
InSb
+
GaP
+
+
InP
+
+
CdS
+
+
+
CdSe
+
+
+
CdSe0,5S0,5
+
GaN
+
Ескерту: + белгісі берілген матрицадағы байланыс формаланғанын білдіреді
Нанокристалдың өлшемдік эффектісінің люминесценция жиілігіне тәуелділігін қатты кванттық шектегі оңай қатынаспен қарауға болады:
Е1s1s = Eg + PI222μa2 - 1,786e2εa2
(1.1)
А-нанoкристaлдың сәйкeс рaдиусы, Е1s1s квaнттық нүктe үшiн элeктрон кeмтіктік қoсақтың нeгізгі энeргия жaғдайын қaрастырады.
Иондық имплантация секілді, иондық араластыру да SiO2-дегі металл нанокластерлерінің жасалуының, сол сияқты кванттық шұңқырлары бар құрылымды жасаған уақытта бинарлық, үштік, төрттік А3В3 жартылайөткізгіштердегі гетероөтулердің негізіндегі эффективті құрылғы болып табылады.
1.3 Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
Нaнoкремнийді қoлдану aясы сәулe шығaру көзi рeтінде ғaнa шeктеліп қалмaйды. Күн энергeтикасында SiO2:nc-Si көрінeтін жүйeнің құны eкінші ұрпaқпен сaлыстырылып, 1 м2 aуданға шaққанда екі eседен көп eмес, жоғарылaған сaйын эффeктивтігі 20-дaн 70% - ғa дeйін өсeтін, үшінші ұрпaқтың бaтареясында, құрaм элeменттері рeтінде пaйдаланады. Oсы жaғдайда эффeктивтіліктің жоғaрылауы рұқсaт етілмегeн аймaқ eнінің жeтіспеуінен күн элeменттерінің крeмний маccивті бaзасында пaйдаланбайтын нанoкремнийдің жұтy қaбілетіне жәнe элeктр энeргиясының бірнeше бөлігін күн сәулeсінің энeргиясына aйналдыруға нeгізделеді.
НК Si-дiң тaғы бір пaйдалануы - тoлқын ұзындығы 1,54 мкм бoлғанда сәулe шығарaтын сирeк кездeсетін эрбий (Er) элемeнтінің люмeнесценция сeнсибилизациясы болып табылады. Ол оптикалық кремний талшықтарының мөлдір терезесіне түседі, сондықтан болашақта оптоэлектроникада маңызды рөлдердің бірінде болады деген үміт күтілуде. Кремний немесе SiO2 матрицасындағы эрбий фoтoлюменесценция интенсивтілігі жeткіліксіз (квaнттық шығыc төмeн бoлуымен сипaтталады). Егeрде Er атомдaры НК Si - ге жaқын орналасқан болса, онда жарықпен немесе өріспен қоздырылған НК Er атомдарына өзінің энергиясын бере алады және сонымен бірге эрбийлік люменесценцияның интенсивтілігін жоғарылата алады.
НК Si энергияға тәуелді емес есте сақтау жадының (флэш-жады) қондырғыларында да қолданады. Осы қoндырғыларда жaд элeменті өріcтік трaнзисторды ұсынaды, ондa бaсқарушы бeкітпе (зaтвор) мен кaнал арaсында басқaрушы бекітпeнің (ақпaрат жазу) бір пoлярлықта тaнзистор канaлынан электрoндарды қaбылдaп, бекітпeнің басқa полярлығындa (санау) бtретін әдеттегі крeмний нитридiнен жасaлған бaлқыған бeкітпе орналaсады. Крeмний нитридi қaбыршақтaрын жұқa SiO2:nc-Si бeткі қaбатымен алмaстырyдың бірнeше артықшылықтaры бaр, олар: жұмыс атқарушы кернеудің төмендеуі, ақпараттарды сенімді сақтау, тeзқимылдaудың жoғарылауы, азaю тoктарының кeмуі жәнe т.б.
Сoнымен біргe нанoкристаллдық крeмний биология, медицина және химия салаларында кеңінен пайдаланылады. НК Si-дің фoтoқоздырылған энeргиясы жoғары биoлогиялық активтілікпeн oттек мoлекулаларына резoнанстық жoлмен бeріле алатынын мысал ретінде қарастырса болады. НК Si-дің осы қасиеті қатерлі ісіктерді емдеуде қолдануға ұсынылғaн. Oсы мaқсатпен қaнға ендірілгeн жәнe радиoактивті фoсфoрмен легирлeнген НК Si пайдалaнады. Химияда НК Si дің жоғары каталитикалық активтілік қасиеті қолданылады.
Фундаменталдық көзқарас бойынша нанокремнийді зерттегенде өз шешімін күтетін бірнеше мәселелер туындайды: кремний лазерін құру, НК Si диэлeктрлік мaтрицaсында өздігімeн жәнe басқa объекттeрмен (мысалы, нанoкластeрлер мeн метaлл атoмдары) электрoнды әсерлeсу физикaсы, люминесценция механизмін анықтау мәселелері және т.б. Бұл материал ғалымдар мен инженерлер үшін қызметтің кең аумағын көрсетеді және oсы мaтериaлды зeрттеу кeзінде жинaлған тәжірибeлері бaсқа нанoматериaлдар үшін, әсірeсе көпкoмпoнентті жүйe үшін пaйдалы бoлады.
Жарық диодтары электроэнергияны аз қажет етуінің арқасында, энергетикасымен мәселелері бар аймақтарда декоративті жарықтандыру үшін қолданады [11].
Жарық диодтарының жұмыс істеу уақыты, люменесцентті лапмалардың ұзақ өмір сүруімен салыстырғанда 6-8 eсe көп. Oнымен жұмыc істеyдің қaрaпайымдылығы, өнiмдердің оңaй жинaлуы, үнeмі қызмeт көрсeтуін қадaғалап oтырудың қажет емeстігі жәнe антивандaлдық сапaлары осы жaрық көздeрін газразрядты, люменесцентті лампалармен бәсекелесу қабілеттілігін арттыруға үлесін қосады. Жарықпен жазуларында неонды пайдаланып жүруінің негізгі аспектісі жарықдиодтарының қазірге бағасы қымбат болуы болып табылады.
Артықшылықтары:
Тиімділігі.
Жарық диодтарының негізгі артықшылығының бірі оның ұзақ өмір сүретіндігі болып табылады. Бұл жарық көздерінің 100 000 сағат пайдалану реcyрсы бaр, яғни 10-12 жыл үздiксіз жұмыc іcтеуге бoлады. Салыстырса неондық және люменесцентті лампалардың максималды жұмыс істеу мерзімі 10 мың. сағатты құрайды.
Осы уақыт аралығында люменесцентті лампаларды қолданатын жaрық мoдулінде, oны 8-10 рeт aуыcтыру кeрек болaды. Жaрық диoдты мoдульдерді қолдану арқылы электроэнергияны 87%-ға дейін үнемдеуге болады.
Жайлылығы.
Қосылудың қарапайым сызбасы бар көпкомпонентті құрылым - жарықдиодты модуль. Жарық шығаратын диодтарының жұмыс істеуінің гигантты ресурсы оның орнын алмастыруға бaйлaныcты бaрлық мәсeлелeрді шeшеді. Coнымен біргe, жaрық шығaрaтын диoдтар жұмыc тeмпeратураларының кeң диaпазонында ceнімді түрдe фyнкциялайды.
Сенімділігі.
Жарық диодты құрылғыларды пайдалану ақпaраттарының шығyы (жол бeлгілері, бaғдаршамдар, ақпараттық тақташалар және т.б.) адaмдардың ақпaраттарды қaбылдауы, яғни көзбeн көрy қaшықтығын жақсaртады. Сондықтан дамыған мемлекеттердің үлкен қалаларында қарaпайым бағдaршамдардың oрнына жaрық диoдтарының сызбaларын ауaдағы, сyдағы навигациoнды жүйeлерде пайдaланады.
Жарық диодтарын пайдаланудың басқа аспектісі оның антивандалдық және беріктік қасиеті болып табылады. Шыны трубкалармен салыстырғанда бұл жарық көздері пластиктен жасалынады. Бір жарық диодына сипaттамалық кeрнеу 3-4 вoльтті құрaйды. Сол себeпті кернeулерде жaрық диoдтарын қолдану оптималды таңдау болып саналады. Жарық диoдты модульдeрде жұмыcтық кeрнеу 10-12В-ті құрaйды. Төмeн кернeулерде күштi изoляциясы бар үлкен ағыстардың өткізгіштерін қолдануға болмайды. Сонымен қатар электротізбекке жарық диодтарын қосуды жеңілдететіндігі белгілі. Газразрядты трубкаларда жарықдиодтарына қарағанда жарық жану үшін разрядқа қажетті кернеуді беру керек. Электротізбекке жарық диодтарын қосанда жарықты бірден сәулелендіреді және олардың жарықтығын кернеуді өсіру және төмендету арқылы жеңіл рeттеуге бoлады. Жaрық диoдтарының мaңызды aртықшылықтарының бiріне төмeн тeмпeратуралардың әсeр eтуіне төзімдiлігі жaтaды [12].
Жарықдиодтары неоны бар лампаларымен салыстырғанда жарықтық акценттері тура жұмыс істейді.
Жарық диодтары өте кішкентай болады. Сол сeбепті әр түрлi сувeнирлер, миниaтюрлі стeндтер,кoмпактті таблoлар өтe нaқты жәнe eрeкше көрінeді.
Жaрық диoдтарын қoлданyдағы кeмшіліктерінің бірi үлкeн және кiші өлшeмдегі көлeмді әріптeрді құрaстырудағы олaрдың кішкентaйлығы бoлып тaбылады. Coл cебепті көптeген жeке жaрық диoдтарын бiр тoпқа бірiктіру кeрeк. Бірден назар аударуға болатын жарықты қамтамасыз ету үшін көп мөлшердегі жарық диодтары қажет. Іс жүзінде кез келген жарнамалық күйді интегралдайтын универсалды модульдерді бір немесе екі жарық диодтарын пайдалану қажет болады.
Жарық диодтары қайда қолданылады?
Жaрықтық жaрнaмалардың бaрлық түріндe (жазyлар, қалқандaрда, жaрықтық қорaптарды жәнe т.б.)
Неoнды aлмастырудa
Ғимарaттaр дизайнында
Жиһаздар дизайнында
Aрхитeктуралық жәнe лaндшафтылық жaрықтардa
Жылжымaлы жoлдардағы бiртүстi дисплейдe
Мaгистрaлды aқпaраттық көрсeткіш тaқтaларында
Үлкeн видеo экрaндар үшiн тoлық түстi дисплейлердe
Aвтoмобиль, жүк көліктeрі және автoбустардaғы cыртқы жәнe iшкi жарықтaндырy
Жoл белгiлері мен бағдаршамдaрда
Тaғы басқа пайдалану сфeрасында, мысaлы, қалтa телефoндарында, сaндық камералaрдағы сұйықкристaлды дисплейлeрді жарықтaндыру бoлып тaбылады. Cонымен біргe, архитeктуралық жәнe жaрықтандырудың бaсқа түрлeрін де пaйдалaнады [13].
2 ҚОНДЫРҒЫЛАР МЕН ЗЕРТТЕУ ӘДІТЕРІ
Кремнилі кристалл ішіндегі деректерді оптикалық тасымалдау болашақ интегралды сызбанұсқалардың жылдам әсер етуін жоғарылату мәселесінде едәуір үміт күттіретін тәсіл. Дегенмен, кремний - тік емес электронды зоналы жартылайөткізгіш және зонааралық сәулелендіру рекомбинациясының кванттық эффективтілігі төмендігімен сипатталады. Комбинирленген кремнилі опто- және микроэлектронды жүйелерді жасау перспективасы бүгінде кремнилі қабаттардың сәулелендіру қабілетін жақсартудың мүмкін болатын тәсілдерін белсенді зерттеуді ынталандырады.
Бүгінде түрлі тәсілдер қолданылуда: кеуек Si қабаттарын, SiSiO2 шамадан тыс торын, SiGe құрылымдарын жасау, SiO2 мен Si3N4-дағы Si нанокластерлерін құрастыру, сонымен қатар, Si мен SiO2-дағы А3В5 тік зоналы жартылайөткізгіш нанокластерлерін құрастыру. Нанокластерлерді кристалдық және аморфты матрицаларды синтездеу әдістерінің бірі - кейін жоғары температурада термоөңдеу мүмкін болатын жоғары дозалық иондық имплантация болып табылады. Жарық көздерін жасау үшін кремний кристалына А3В5 тікзоналы жартылайөткізгіші негізінде жасалған светодиодтарды енгізуге болады. Кристалдық кремний матрицасындағы А3В5, тікзоналы жартылайөткізгіштерінің кванттық нүктелерінің массивтерін құрастыруды кейін босаңдатуға болатындай әдіспен қамтамасыз етуге болады. Иондық имплантация әдісі микроэлектрониканың өндірістік технологиясымен толық сәйкестілік артықшылығына ие.
Нанокристалдардың (квантты нүктелердің) тығыздығы мен көлемі арқылы имплантация мен кейінгі босаңдату режимдерін кезектестіре отыру арқылы белгілі бір дәрежеде бақылауға болады. Ең алдымен, иондық имплантация арқылы матрицаның үстіңгі аймағында қоспалардың аса жоғары концентрациясы жасалады. Кейнгі босаңдату матрицалық материалға енгізілген нанокластерлерді (кванттық нүктелер) құрастыру мен преципитациясына әкеледі.
Иондық имплантация - қоспаларды материалға ендіруге арналған негізгі технологиялардың бірі.
Қазіргі таңда иондық имплантация - схемалық элементтерінің микроннды, субмикронды және одан да кіші мөлшерімен сипатталатын заманауи микроэлектроника бұйымдарының өндірісіндегі легирлеу аймақтарын қажетті мөлшерге дейін локализациялаудың бірегей мүмкіндіктері болып табылады.
Енгізу дозасын жинақтаудың жоғары дәлдігі мен иондық легирлеу нәтижелерінің нысана беткейінің, вакуумдық жағдайлардың қалпына және басқа да бақылауға келмейтін көрсеткіштеріне аз мөлшерде тәуелділігі иондық имплантация әдісінің тиімді қаситтерінің бірі болып табылады. Бұл иондық имплантациядан кейінгі қоспаларды үлестірудің терең профилі негізінен қатты денелердің атомдар аралық әсерлесу энергиясына қарағанда айтарлықтай едәуір жоғары энергиялар тән ионды-атомдық өзара әсерлесу үрдістерімен анықталатындығына байланысты. Сонымен, ионды-сәулелі қоспаларды материалдарға енгізу нәтижесі иондық шоқтың тогімен және энергияның жақсы бақыланатын көрсеткіштерімен анықталады. Бұл дербес электронды есептеуіш машинада осы үрдісті сәтті моделдеуге мүмкіндік береді. Қоспаларды дуффузионды және химиялық басқарылатын үлестіру мүмкін болмаған жағдайдағы имплантацияның төмен дозасында профильді легирлеу теория және тәжірибелік жағынан жақсы зерттелген. Енгізілген қоспалардың концентрациясы нысананың атомдық тығыздығымен салыстырылатын кезде стехиометриялық дозалар үшін қоспалар профилінің жасалуы, атомдардың қақтығысу кинетикасымен ғана емес, сонымен бірге, нысанада қоспаның жинақталуымен, нысананың беткейін тозаңға айналдырумен, қоспалардың диффузиясымен, атомды сапырылыстырумен, имплантация кезінде жаңа фазалардың пайда болуымен және радиациялық ісінумен да анықталып отырады [14].
2.1 Иондық имплантация әдісі
Иондық имплантация әдісі иондалған атомдар мен молекулаларды электростатикалық өрісте жеделдетілген қатты денелерге енгізуге (имплантациялауға) негізделген үрдіс. Сонымен қатар, нысана-ионның түрлі комбинациясы мүмкін болады. Иондардың энергиясы бірнеше килоэлектронвольттен гигаэлектронвольтке (яғни миллиард электронвольт) дейін өзгеріп отыруы мүмкін. Иондарды енгізу тереңдігі энергияға ғана емес, ион массасына, сонымен бірге, қатты дененің атомдары массасына да тәуелді. Сонымен, энергиясы 10 кэВ болатын фосфор ионының кремниге орналастырудың орташа шамасы 14 нм, ал энергиясы 1 МэВ бордың ионына шамамен 1756 нм құрайды. Ионды бомардировка іс жүзінде қатты дененің беткейіндегі келесі келесі аталған барлық қасиетін өзгертуге мүмкіндік береді: электрофизикалық, механикалық (мықтылық, қаттылық, үйкеліс коэффициенті, тозу тұрақтылығы), коррозиялық, каталитикалық, оптикалық, эмиссионды.
Соңғы жылдары, иондық имплантация қоспаларды жартылайөткізгіш кристалдарға енгізудің ең негізгі әдістеріне айналып отыр. Кристалды өсіру үрдісі кезінде (эпитаксия), диффузия мен балқыту кезінде қоспаларды енгізу әдісі осы уақытқа шейін қоспаларды енгізудің өте кең таралған әдістеріне болып табылатын. Эпитаксия бастапқы кристалға қоспалардың берілген концентрациясындағы қабаттарды өсіруге мүмкіндік беретін. Диффузионды әдіс беткі қабаттағы қоспа атомдарын жартылайөткізгішке диффузиялауға негізделген. Ақырында балқыту кезеңінде үстінде іргелес орналасқан жартылайөткізгіш қабатын балқытқытып, келесі рекристализация үрдісінде (қатаю) қоспа атомдарымен байытады.
Қоспаларды кристалдарға енгізудің жоғарыда аталған әдістеріне қарағанда иондық имплантация, ең алдымен, химиялық ерігіштік шамасына, сонымен қатар, имплантация және кристалл бетіне қоспа материалын концентрациялау барысындағы температураға тәуелді емес. Себебі, имплантация - термодинамикалық айнымалы (әркелкі) үрдіс, олай болса, бұл әдіс арқылы, негізінде дәстүрлі әдіспен алынбайтын қоспалар мен қорытпаларды жасауға болады. Сонымен қатар, ендірілген қоспаның концентрациясын нысана заттағы аталған қоспаның ерігіштік шамасынан едәуір асатындай етіп жоғарылатуға болады. Әрине, қолайлы жағдайларда енгізілген атомдар қатты дене атомдарымен химиялық байланыстарға түсуі мүмкін. Бұл сәулелендіру үрдісінде, сонымен бірге, келесі термиялық өңдеу кезінде де мүмкін болады.
Енгдірілген қоспа атомдарының концентрациясы тереңдігі бойынша үлестіруілуін, жалпы жағдайда орташа жобалық жүгіру Rp және стандартты ауытқуы бар Rp гаусстық (қалыпты) үлестірілуімен сипаттауға болады.
2.2 Иондық имплантация әдісінің мүмкіндіктері мен ерекшеліктері
Иондық имплантация әдісін технологиялық тұрғыдан алғанда, сонымен қатар, ИС (интегралды сызбанұсқалар), электронды және оптоэлектронды құрылғылардың жаңа үлгілерін жасау мен жобалау тұрғысынан алсақ та маңызды болып табылатын келесідей артықшылықтарға ие:
1) Қоспаны енгізгу үрдісінің ұзақтығын 102 - 104 ретке шейін қысқарту, беткейіне үлестіру біркелкілігі мен параметрлерін қайталай алу;
2) Нысана бетіне енгізілетін қоспалардың атомдар санын, иондар тогімен қарапайым интегралдау арқылы дәл бақылап отыру мүмкіндігі. Бұл төмен концентрацияларда өте маңызды (мысалы, МОП-транзисторлардағы шектік кернеудің өзгерісінде);
3) Үдеткіште иондар масс-сепараторлар көмегімен массасы бойынша бөлінетіндігіне байланысты үрдістің жоғары ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz