Жарықшығаратын құрылымдардың электролюминесценциясының спектрлік сипаттамалары
Кіріспе
1 Электронды техниканың басты негізі.жарықшығаратын материалдар
1.1
Нанокристаллдармен кремний оксидінің және кремний композитті қабықшаларының негізгі қасиеттері
1.1.1 Жарық шығаратын материалдардың электрлік қасиеттері
1.2
1.3 Кремний негізіндегі наносым
Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
2 Жарықшығарушы құрылымдарды алу құрылымдары
2.1 Иондық имплантация әдісі
2.2 Иондық имплантация әдісінің ерекшеліктері
2.3 Иондық имплантация қондырғысы
3 Тәжірибелік нәтижелері
3.1
3.2
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
1 Электронды техниканың басты негізі.жарықшығаратын материалдар
1.1
Нанокристаллдармен кремний оксидінің және кремний композитті қабықшаларының негізгі қасиеттері
1.1.1 Жарық шығаратын материалдардың электрлік қасиеттері
1.2
1.3 Кремний негізіндегі наносым
Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
2 Жарықшығарушы құрылымдарды алу құрылымдары
2.1 Иондық имплантация әдісі
2.2 Иондық имплантация әдісінің ерекшеліктері
2.3 Иондық имплантация қондырғысы
3 Тәжірибелік нәтижелері
3.1
3.2
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
Қaзіргі тaңдa электроникaның ең мaңызды әрі қажетті материалы болып кремнийсаналады. Микроэлектроника технологиясындағы және қазіргі уақыттағы элементті база күйінің дамуындағы магистралдық жолы осы кремнийдің электрондық және физика-химиялық қасиеттері арқылы анықталды. Бұл көптеген ыңғайлы жағдайлар қатарларының сәйкес келуіне байланысты. Шолып кететін болсақ кремнийді алу үшін шикізаттың таусылмайтын қоры, басқамен салыстырғанда бағасының арзандығы, термиялық кремний тотығының және SiO2/Si бөлімдер шекараларының жоғары сапасында. Осы жағдайда кремний инфрақұрылымдарының және де кремний инфрақұрылым негізінде жасалған аппаратуралардың көптеп шығарылуы күнделікті тұрмыста және индустрияның барлық салаларында микроэлектрониканың өнімдерін енгізуіне алып келді. Бірақ таинфрақұрылымның оптоэлектронды элементтерін құрастыруда сәулелену көздері, жарық ендірілген күшейткіш құрылымдарында нақосы кремнийді қолдануға болады ма әлде болмайды ма деген сұрақ көптеп туындап жатады. Бұған фундаменталды кемшілігі себеп болады, демек кремнийдің энергетикалық құрылымының тік болмауы және люменесценция эффектілігінің төмендігінде.
Кеңзоналы диэлектрлік матрицасында нанокристалдардың құрылуы кремнийдің наноқұрылымдану әдісі сияқты люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бастысы болып табылады. Осы әдіс бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу үшін кванттық өлшемдік эффектті пайдаланудан тұрады. Тұрақты жарықшығаратын нанокристалдық кремний құрылуының кең көлемде тараған әдістеріне иондық имплантация әдісі немесе отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуын жатқызуға болады.
Осы жұмыстакремний нанокристалдарының жүйесін алу үшін кезекті термоөңдеумен жоғары беттік аумағында қоспаның қаныққан ерітіндісі түзіледі. Радиационды күйдіру әсерінен нанокристалдарда қоспалардың преципитациясы туындайды. Ионның әртүрлі түрлері имплантирленетін күйдіру мен реттіліктің режимдерін өзгерте отырып, құрамы бойынша күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасы мен өлшемі де ескеріледі. Бұл жағдайда иондық имплантация әдісі қолданылады.
Иондық имплантация әдісініңең басты артықшылығы – оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкестігі. Иондық имплантацияның мөлшері, иондар энергиясы, сәулелендіретін нысананың температурасы және иондық токтың тығыздығы сияқты параметрлерге тәуелділікте олардың сапасы меннанокластерлердің синтезінің сипаттамаларын түрлендіруге болады.
Кеңзоналы диэлектрлік матрицасында нанокристалдардың құрылуы кремнийдің наноқұрылымдану әдісі сияқты люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бастысы болып табылады. Осы әдіс бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу үшін кванттық өлшемдік эффектті пайдаланудан тұрады. Тұрақты жарықшығаратын нанокристалдық кремний құрылуының кең көлемде тараған әдістеріне иондық имплантация әдісі немесе отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуын жатқызуға болады.
Осы жұмыстакремний нанокристалдарының жүйесін алу үшін кезекті термоөңдеумен жоғары беттік аумағында қоспаның қаныққан ерітіндісі түзіледі. Радиационды күйдіру әсерінен нанокристалдарда қоспалардың преципитациясы туындайды. Ионның әртүрлі түрлері имплантирленетін күйдіру мен реттіліктің режимдерін өзгерте отырып, құрамы бойынша күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасы мен өлшемі де ескеріледі. Бұл жағдайда иондық имплантация әдісі қолданылады.
Иондық имплантация әдісініңең басты артықшылығы – оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкестігі. Иондық имплантацияның мөлшері, иондар энергиясы, сәулелендіретін нысананың температурасы және иондық токтың тығыздығы сияқты параметрлерге тәуелділікте олардың сапасы меннанокластерлердің синтезінің сипаттамаларын түрлендіруге болады.
1 K. D. Hirschman, L.Tysbekov, S.P.Duttagupta, P.M.Fauchet. Silicon-basedvisiblelight-emittingdevicesintegratedintomicroelectroniccircuits// Nature¬- 1996. - V.384. – P. 338.
2 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.
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-gaplight-emitting silicon. Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 7, p. 076 802-1, Aug.2002.
5 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.
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 aChemoreceptorInvolved in 2-Nitrobenzoate Chemotaxis. Surf. Sci. 130-132 (1998) 760.
9 Shimizu-Iwayama, T. Visible photoluminescence in Si+-implanted thermal oxide films on crystalline Si / T. Shimizu-Iwayama, S. Nakao, K. Saitoh // Appl. Phys. Lett. – 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 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 Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.
15 CheungN.W. Nucl. Instr. Meth., 1991. – Vol. B55. – P. 811–820.
16 Kenny M.J., Wielunski L.S., Tendys J., Collins G.A. Nucl. Instr. Meth., 1993. – Vol. B80/81. – P. 262–266.
17 Qin S., Jin Z., Chan C. J. Appl. Phys., 1995. – Vol. 78, N1. - P. 55–60.
18 Jones E.C., Linder B.P., Cheung N.W. Jpn. J. Appl. Phys, 1996. – Vol. 35, Part I, N2B. P. 1027–1036.
2 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.
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-gaplight-emitting silicon. Phys. Rev. Lett., vol. 89, no. 7, p. 076 802-1, Aug.2002.
5 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.
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 aChemoreceptorInvolved in 2-Nitrobenzoate Chemotaxis. Surf. Sci. 130-132 (1998) 760.
9 Shimizu-Iwayama, T. Visible photoluminescence in Si+-implanted thermal oxide films on crystalline Si / T. Shimizu-Iwayama, S. Nakao, K. Saitoh // Appl. Phys. Lett. – 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 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 Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М., 1983.
15 CheungN.W. Nucl. Instr. Meth., 1991. – Vol. B55. – P. 811–820.
16 Kenny M.J., Wielunski L.S., Tendys J., Collins G.A. Nucl. Instr. Meth., 1993. – Vol. B80/81. – P. 262–266.
17 Qin S., Jin Z., Chan C. J. Appl. Phys., 1995. – Vol. 78, N1. - P. 55–60.
18 Jones E.C., Linder B.P., Cheung N.W. Jpn. J. Appl. Phys, 1996. – Vol. 35, Part I, N2B. P. 1027–1036.
Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 41 бет
Таңдаулыға:
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 41 бет
Таңдаулыға:
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Курбаналиева М.К
ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН ҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯСЫНЫҢ СПЕКТРЛІК СИПАТТАМАЛАРЫ
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Мамандық: 5B071000 - Материалтану және жаңа материалдар технологиясы
Алматы, 2015 ж.
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика - техникалық факультеті
Қатты дене және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жебірілді
_______________ Кафедра меңгерушісі ___________ О.Ю.Приходько
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН ҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯСЫНЫҢ СПЕКТРЛІК СИПАТТАМАЛАРЫ тақырыбы бойынша
Мамандығы: 5B071000 - Материалтану және жаңа материалдар технологиясы
Орындаған:
4 курс студенті
________________
Курбаналиева М.К.
Ғылыми жетекші:
PhD докторы,
аға оқытушы
________________
Исмайлова Г.А.
Норма бақылаушы:
________________
Суюндыкова Г.С.
Алматы, 2015ж.
РЕФЕРАТ
Жұмыс кіріспеден, 3 бөлімнен, және қорытындыдан тұрады. Ол 40беттен, 1 кестеден, 14 суреттен және 64 пайдаланылған әдебиеттер мен ақпарат көздерінен тұрады.
Кілттік сөздер: монокристалдық кремний, жарық диодтары, иондық имплантация, электролюминесценция.
Жұмыстың мақсаты: Жарықшығаратын құрылымдардың электрлік қасиеттерін нанокристалдармен өзгешеліктерін анықтау.
Жұмыстың тапсырмасы: Жарықшығаратын құрылымдардың электрлік қасиеттерін нанокристалдармен зерттеу.
Зерттеу объектісі: Ш және V топтардың иондарымен имплантирленген монокристалдық кремний.
Зерттеу әдістері :электролюминесценция.
Жұмыстың маңыздылығы: Қазіргі кезде кремнийдің жарық шығару қабілетін арттыру мүмкін болатын барлық әдістермен зерттелуде. Кремнийдің оптикалық сәулеленуін арттыруға көп үміт арттыратын әдістердің біріне кванттық өлшем эффектісін қолдану жатады. Осыған байланысты зерттеу жұмыстары өте жоғары интегралдық сызбалардағы сигналды беру үшін электрлік импульс орнына жарықты қолдануға, жылдам әсерді арттыруға және сызба элементтерінің өлшемдерін азайтуға мүмкіндік беретін ИҚ және көрінетін диапазондағы жарықдиодты құрылымдарды алу үшін маңызды.
Практикалық қолданылуы: жартылай өткізгіш, оптоэлектроника, нанофотоника физикасында,оның ішінде жаңа композиттік қабаттардың құрылымдық және оптикалық қасиеттерін комплексті зерттеу бойынша жаңа эксперименттерді өткізу мен әдістемені жасаумен байланысқан фундаменталды және қолданбалы принципиалды жаңа нәтижелерді алу күрделі композитті жүйелердегі көптеген физикалық процестерді терең түсінуге мүмкіндік береді. Кремнийде жарықтың эффективті көзін жасау кремнийлі оптоэлектрониканың дамуында принципиалды мәнге ие.
РЕФЕРАТ
Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 40 страницах, 1 таблицах, иллюстрирована 14 рисунками и содержит 64 список использованных источников инаименований.
Ключевые слова: монокристаллический кремний, светоизлучающие материалы, ионная имплантация, электролюминесценция.
Цель работы: Выявить особенности электрических свойств светоизлучающих структур с нанокристаллами.
Задача работы: Исследовать электрических свойств светоизлучающих структур с нанокристаллами.
Объект исследование: монокристаллический кремний имплантированный ионами Ш и V групп.
Методы исследования: электролюминесценция.
Актуальность работы: В настоящее время активно изучаются возможные способы улучшения светоизлучающей способности кремния. Одним из наиболее многообещающих подходов к усилению оптического излучения кремния считается использование квантового размерного эффекта. В связи с этим тематика исследование является актуальной и направлена на решение оригинальной фундаментальной задачи- получение светодиодных структур в ИК и в видимом диапазоне, что позволяет использовать свет вместо электрического импульса для передачи сигнала в сверхбольших интегральных схемах и тем самым увеличить быстродействие и уменьшить размеры элементов схемы.
Практическое использование: получение источника излучения на кремний позволяет использовать свет вместо электрического импульса для передачи сигнала в сверхбольших интегральных схемах и тем самым увеличить быстродействие и уменьшить размеры элементов схемы. Получение принципиально новых результатов фундаментальных и прикладных исследований в физике полупроводников, оптоэлектроники, нанофотоники, в частности связанных с разработкой методик и проведением новых экспериментов по комплексному исследованию структурных и оптических свойств новых композитных слоев позволит глубже понять многие физические процессы в сложных композитных системах. Создание эффективного источника света на кремнии имеет принципиальное значение для развития кремниевой оптоэлектроники.
ABSTRACT
The work consists of an introduction, three chapters and a conclusion. She set out on 40 pages, 1 tables, illustrated with 14 figures and 64 includes references.
Keywords: monocrystalline silicon, light-emitting materials, ion implantation, electroluminescence.
Objective: Identify the features of the electrical properties of light-emitting structures with nanocrystals.
The task of the work: to study the electrical properties of light-emitting structures with nanocrystals.
Object research: monocrystalline silicon implanted W and V groups.
Methods: electroluminescence.
Relevance of the work: being actively explored possible ways to improve the ability of the light-emitting silicon. One of the most promising approaches to enhancing the optical radiation is to use silicon quantum size effect. In connection with this subject of research is relevant and addresses the fundamental problem of the original - receipt of LED structures in the IR and visible light, which allows the use of light instead of electrical pulse signal transmission in large scale integrated circuits and thereby increase the speed and reduce the size of the circuit elements .
Practical use: providing a source of radiation on the silicon can be used instead of electric light pulse signal transmission in large scale integrated circuits and thereby increase the speed and reduce the size of the circuit elements. Getting a fundamentally new results of fundamental and applied research in the physics of semiconductors, optoelectronics, nanophotonics, particularly related to the development of new techniques and conducting experiments on the complex research of structural and optical properties of new composite layers allow a deeper understanding of many physical processes in complex composite systems. Creation of an effective light source on silicon is of fundamental importance for the development of silicon optoelectronics.
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
БҚМ
Беткі қабаттардың морфологиясы
НК
Нанокристалдық кремний
D
Диаметр
G
Электр өткізгіштігі
кВ
Киловольт
c-Si
Кристалдық кремний
a-Si
Аморфты кремний
ac-Si
Аморфты кремнийдің нанокластері
ис-Si
Кремнийлік нанокристалл
ИҚ
Инфрақызыл
ЭЛ
Электролюминесценция
Нм
Нанометр
Материалтану
техникалық материалдардың құрамы, ішкі құрылымы және қасиеттері арасындағы тәуелділікті, сондай-ақ олардың сыртқы факторлар әсерінен өзгеру заңдылықтарын зерттейтін ғылым саласы.
Наноматериал
құрамында құрылымдық элементтер бар,өлшемі 100 нм-ден аспайтын геометриялық өлшемді, жаңа қасиеттерге ие, функционалды және эксплутациялық сипаттамаларға ие материалдар.
Жарықдиоды
электронды-кемтіктік өткел немесе металл-шалаөткізгіш түйіспесі арқылы электр тогі жүргенде спектрдің ИҚ көрінетін немесе УФ диапозонында оптикалық жарық шығаратын шалаөткізгіш диод.
Ионды имплантация
Нанотехнология
иондалған атомдар мен молекулаларды өрісте үдетіп қатты денеге енуіне негізделген әдіс.
атомдар және молекулаларға манипуляция жасау арқылы белгілі атомдық құрылымға ие өнім өндіру әдістері.
МАЗМҰНЫ
Кіріспе
1
Электронды техниканың басты негізі-жарықшығаратын материалдар
1.1
Нанокристаллдармен кремний оксидінің және кремний композитті қабықшаларының негізгі қасиеттері
1.1.1
Жарық шығаратын материалдардың электрлік қасиеттері
1.2
1.3
Кремний негізіндегі наносым
Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
2
Жарықшығарушы құрылымдарды алу құрылымдары
2.1
Иондық имплантация әдісі
2.2
Иондық имплантация әдісінің ерекшеліктері
2.3
Иондық имплантация қондырғысы
3
Тәжірибелік нәтижелері
3.1
3.2
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
КІРІСПЕ
Қaзіргі тaңдa электроникaның ең мaңызды әрі қажетті материалы болып кремнийсаналады. Микроэлектроника технологиясындағы және қазіргі уақыттағы элементті база күйінің дамуындағы магистралдық жолы осы кремнийдің электрондық және физика-химиялық қасиеттері арқылы анықталды. Бұл көптеген ыңғайлы жағдайлар қатарларының сәйкес келуіне байланысты. Шолып кететін болсақ кремнийді алу үшін шикізаттың таусылмайтын қоры, басқамен салыстырғанда бағасының арзандығы, термиялық кремний тотығының және SiO2Si бөлімдер шекараларының жоғары сапасында. Осы жағдайда кремний инфрақұрылымдарының және де кремний инфрақұрылым негізінде жасалған аппаратуралардың көптеп шығарылуы күнделікті тұрмыста және индустрияның барлық салаларында микроэлектрониканың өнімдерін енгізуіне алып келді. Бірақ таинфрақұрылымның оптоэлектронды элементтерін құрастыруда сәулелену көздері, жарық ендірілген күшейткіш құрылымдарында нақосы кремнийді қолдануға болады ма әлде болмайды ма деген сұрақ көптеп туындап жатады. Бұған фундаменталды кемшілігі себеп болады, демек кремнийдің энергетикалық құрылымының тік болмауы және люменесценция эффектілігінің төмендігінде.
Кеңзоналы диэлектрлік матрицасында нанокристалдардың құрылуы кремнийдің наноқұрылымдану әдісі сияқты люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бастысы болып табылады. Осы әдіс бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу үшін кванттық өлшемдік эффектті пайдаланудан тұрады. Тұрақты жарықшығаратын нанокристалдық кремний құрылуының кең көлемде тараған әдістеріне иондық имплантация әдісі немесе отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуын жатқызуға болады.
Осы жұмыстакремний нанокристалдарының жүйесін алу үшін кезекті термоөңдеумен жоғары беттік аумағында қоспаның қаныққан ерітіндісі түзіледі. Радиационды күйдіру әсерінен нанокристалдарда қоспалардың преципитациясы туындайды. Ионның әртүрлі түрлері имплантирленетін күйдіру мен реттіліктің режимдерін өзгерте отырып, құрамы бойынша күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасы мен өлшемі де ескеріледі. Бұл жағдайда иондық имплантация әдісі қолданылады.
Иондық имплантация әдісініңең басты артықшылығы - оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкестігі. Иондық имплантацияның мөлшері, иондар энергиясы, сәулелендіретін нысананың температурасы және иондық токтың тығыздығы сияқты параметрлерге тәуелділікте олардың сапасы меннанокластерлердің синтезінің сипаттамаларын түрлендіруге болады.
1 ЭЛЕКТРОНДЫ ТЕХНИКАНЫҢ басты НЕГІЗІ-ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН МАТЕРИАЛДАР
Қазіргі таңда кремнийдің жарық сәулелендіру қабілетін күшейтудің мүмкін болатын тәсілдері ынталы түрде зерттелініп жатыр. Электронды аймағы тік емес жартылайөткізгіш ол - кремний және де аймақ аралық сәулелену рекомбинациясының төмен кванттық эффектілігімен сипатталынады. Алайдабіріктірілген кремнийлі опто- және микроэлектронды жүйелерді жасау перспективасы қазіргі замандағы кремний қабықшаларының жарық шығаратын қасиетін жоғарылату әдістерін ынталы түрде қарастыруға талпындырады. Балқыған қышқылдардың ерітіндісінде монокристалдық кремнийді өңдеу арқылы алынған кеуекті кремнийді жасау үшін кванттық өлшемдік эффектті қолдану - үміт күттіретін және кремнийдің оптикалық сәулеленуін күшейтетін мәселелердің бірі болып табылады [1].Жалпы соңғы 15 жылда кеуекті кремнийді алу әдістерінің көптеген жолдары қарастырылған. Бірақоптоэлектроникада кеуекті кремнийді қолдану аздап қиындықтар тудырды. Кеуекті кремнийдің морттылығы мен материалдардың жоспарсыз қышқылдануы жарық шығаратын қабілетінің тұрақсыз болуына алып келеді. Кремний оптоэлектроникасының дамуындағы келесібір бағыт люминесценцияның қоспа активатормен (яғни, сирек кездесетін элементтермен Er, Eu, Yb, Tb) легирленген кремнийдегі жарықшығаратын құрылғы болып табылуында [2, 3]. Бұл амалдың практика жүзінде қолданылуы:легирленген материалдардың оптикалық қасиеттерінің тұрақсыздығымен, люминесценцияның температуралық өшуімен және рекомбинацияның сәуле шығаруының үлкен уақыт санымен анықталады. Міне, осылайша қазір зерттеушілердің күшінің көп бөлігі оптоэлектрондық қасиеті жақсартылған кремний негізіндегі микро- және наноқұрылымдарды дамыту технологиясына бөлінген.Оның SiSiO2асқынтор, кеуекті кремний қабықшаларын [4],SiGe құрылымдарын қалыптастыру [5], германийлі немесе кремнийлі нанопреципитаттарды SiO2-де [6,7], сондай-ақSi және SiO2 -дегі А3В5 тікаумақты жартылайөткізгішті нанокристалдарының қалыптасуы сияқты аздаған амал-тәсілдері бар.
Кремниймен бірге бір кристаллдағы А3В5 негізіндегі оптоэлектронды құрылғылардың интеграциясы көптеген жылдар бойы жоғары дәрежелі қызығушылықтар тудырды. Бірінші зерттеушілер кремнийдегі А3В5 материалының қабықшаларын өсіруге талпынды, бірақкейіннен кремний кристалдық тор құрылымының А3В5 қосылысына сәйкес еместігінің үлкендігі оптоэлектронды және электронды қасиеттерімен қабықшалар өсіруді әлдеқайда қиындатты. Мысалы, алып қарайтын болсақ Si және InAs тор параметрлерінің бір-біріне деген сәйкессіздігі 10,6%-ды құрайды. Кванттық нүктелерді зерттеудің басталуымен жаңа көптеген мүмкіндіктер пайда бола бастады. Жалпы кристаллдық кремнийде А3В5 кванттық нүктесінің тік өсіруі кремнийдің интеграциясындағыжәне А3В5 материалындағы басты бағыт болып саналады. Осындай кванттық нүктелердің үйлесімділігі толқын ұзындығының инфрақызыл диапазонындағы оптоэлектронды құрылғыларды (яғни, жартылайөткізгіш лазерлер, фотодиодтар, фотодетекторлар,) шығаруда аса зор қызығушылық туғызды. Кванттық нүктелердің массивтерін жасаудағы ең басты мәселе өлшемі бойынша кванттық нүктелердің таралуын жоғары құрылымдық жетілуі және олардың эффективті басқаруы болып отыр. Кванттық нүктелердің біртекті өлшемі оптоэлектроникада пайдаланудааса маңызды рөл атқарады. Бір жағынан көпөлшемді кванттық нүктелерді пайдаланғанда, мысалыға алатын болсақ ИҚ фотодетекторларында детекторлы жүйесінде көптүстілікті қамтамасыз етуге болады [8].
1.1 Нанокристаллдармен кремний оксидініңжәне кремний композитті қабықшаларының негізгі қасиеттері
Дәл қaзіргі кезде жaртылайөткізгіш нaноқұрылымдaрының құрылу технологиясы мен олaрдың негізгі қaсиеттерін зерттеу жaн-жaқты қaрaстырылуда. Кристалдық кремний (c-Si) микроэлектроника мен компьютерлік техниканың ең басты материалы болып саналғандықтан, кремний нанокристалдарына (ис-Si) аса қатты көңіл бөлінеді, ал оның қасиеті аморфтық (a-Si)және монокристалдық (c-Si) кремнийдің көлемдік фазаларынан әлдеқайда ерекшелігі бар. Нанокристалдық кремний жүйесінің қасиеттері үшін кванттық өлшемдік эффектпен бірге ис-Si бетіндегі екі күйі, яғни электрондық және тербелмелі күйлері маңызды рөл атқаратындығы зерттелінген. Осы күйлердің қасиеттері әсіресе нанокристалдардың орналасқан матрицасына байланысты анықталынады.
Интегралдық жүйенің планарлық кремний технологиясына сәйкес жарықшығарушы құрылғының жаңа түрі шығарылғанда қолдану үшін қажет. ис-Si- дің электрлік және оптикалық қозуы қаттыденелік матрица арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Жарықшығарушы құрылғының маңызды материалы ретінде кремний оксидінің аморфты матрицасына ендірілген нанокомпозит wc-SiSiC2В қарастырылады. Ол ис-Si материалымен жарасымды материал ретінде қарастырылады. 2-5 нм өлшемдегі ис-Si c-Si- ден тиімді ажырататын люминесценцияның жоғарғы эффектілігін көрсететіндігін айта кеткен жөн, сондықтан берілген жартылайөткізгіштің сәуле шығаратын заряд тасымалдаушыларының рекомбонациясының ықтималдығы төмен болады. Сонымен қатар перспективті жүйе ретінде құрылуы үшін төмен сығу температурасын қажет ететін аморфты кремний нанокластерлерінің (ac-Si) бөлшекті немесе толық құрылымын пайдалану ұсынылған.Оксидті матрицада эрбиймен легирленген ac-Si үлгісі нанокристалды құрылымдарға қарағанда люменесцентті қасиеттері жоғары болады[9].
1.1.1 Жарықшығаратын материалдардың электрлік қасиеттері
Жaрық шығaрaтын мaтериaлдaрдың электрлік қaсиеті aйтaрлықтaй дәрежеде оның құрылымдық ерекшеліктерінде aнықтaлaды. Негізінде, жaрық диодтaрының сондaй мaңызды сипaттaмaлары тыйым сaлынған aумақтың ені және өткізгіштік сипaттамaсы және т.б. болып тaбылaды[10].
Суретте кейбір жaртылайөткізгіш мaтериaлдар үшін вольт - aмперлік сипaттaмaсы көрсетілген, және олaрдың тыйым сaлынғaн aумaқ енінің мәндері берілген. Экспериментaлды тәуелділіктерден aлынғaн осы мaтериaлдaрдың деңгейлік кернеуі Eg мәніне сәйкес келетінін бaйқaуғa болaды.
Сурет 1 - Бөлме темперaтурaсындa aлынғaн әр түрлі жaртылайөткізгіштердің p-n aуысуының вольт - aмперлік сипaттамасы
Келесі суретте толқын ұзындығының ультрaкүлгін, көрінетін және инфрaқызыл диaпaзонындaғы жaрық диодтaры үшін диод aрқылы өтетін 20 мA тоқтaғы тыйым сaлынған aймақ еніне диодтaғы тік кернеудің тәуелділігі көрсетілген. Потенциaлдaрдың контaктті aйырмaшылығын (деңгейлік кернеу) бaғaлaу үшін келесі формулaны пaйдaлaнaмыз.
V ≈ VD≈ Eg̸ e
(1.1)
Осы формулaaрқылы құрылған тік сызық тік кернеудің мәніне сәйкес келеді. Көптеген жaртылaйөткізгіш диодтaрының сипaттaмaлaры осы сызықтa жaтaтыны суреттен белгілі.
Сурет 2 - Әр түрлі типтегі жарық диодтары үшін тыйым салынған аймақ енінің диодтағы тік кернеуге тәуелділігі
Сәулелену энергиясы
Жартылайөткізгіштер арқылы сәулеленген фотон энергиясы тыйым салынған аймақ ені арқылы анықталады.
hʋ≈Eg
(1.2)
Кесте 1- Әр түрлі диапазондағы сәулеленулердің фотон энергиясының мәні
Шашырау түсі
Толқын ұзындығы, нм
Фотон энегиясы, эВ
Қозу кернеуі, В
Көк
470
2,6
2,6
Жасыл
550
2,2
2,2
Қызыл
650
1,9
1,9
Инфрақызыл
870
1,4
1,4
Инфрақызыл
1550
0,8
0,8
Кейбір диапазондағы сәулеленулердің фотон энергиясының мәнін жоғарыдағы кестеден анықтауға болады.
Идеалды диодта бір электронның активті аумаққа инжекциялануы бір фотонның генерациясына алып келеді. Энергияның сақталу заңына сәйкес электронның энергиясы фотонның энергиясына сәйкес келуі керек. Яғни,
eV =hʋ
(1.3)
Осы формуладан фотон энергиясы жарық диодына орнатылған кернеудің әсер етуіне тәуелді екенін көруге болады[11,12].
1.2 Кремний негізіндегі наносым
Наносым, наноөткізгіш немесе квантты мұрт (эффективті диаметрде 1-100 нм және ұзындыққа микрондар) бұл кеңістікте квантты өлшемді эффектті және объекттің басты белдігін бойлаған электрондардың еркін қозғалысын демонстрация жасайтын, мұрттың басты белдігіне перпендикуляр объект. Ережеге сай наносымдар, еркін тұратын өте үлкен болып келетін құрылымдар болып келеді. Квантты мұрт ұзындықтын диаметрге қатынасы аздау болатын еңдірілген құрылым болып келеді [13], немесе бір (субстратпен немесе металлдық катализатордың тамшысымен) немесе бірнеше аралық қабаттардан тұратын апериодтық құрылым.
Квантты нанообъектті жасаудың қарапайым әдісі болып, жартылай өткізгішті гетероқұрылымда электростатикалық тосқауыл немесе химиялық өңдеу технологиясын қолдана отырып электронды газдың қозғалғыштығын шектеу атқарады. Бұндай манипуляциялар квантты нүктенің 0D потенциалы немесе квантты наномұрттың 1D потенциалын тудырады, олар өткізгіш зонаның электрондарының сипатын анықтайды [14]. Осындай құрылымдарды технологиялық реализация жасау спецификалық әлі де толық зерттелмеген квантты эффекттің негіздерін шығарды.
Күшті квантты өлшемді эффект объекттердің базалық қасиеттерін бақылайды. Мысал ретінде Холлдың квантты эффектісін, баллистикалық өткізгіштікті және кулондық блокаданы айтуға болады [15]. Өз кезегінде жоғарыда айтылған физикалық құбылыстар наномұрттағы электронның жоғары қозғалғыштығын, квантты шығуды жоғарылатады, квант өлшемді шектеудің дәрежесі көбейгенде лазерлі сәулеленудің төменгі генерация табалдырығын және наномұрт негізіндегі күн батареясы, ИҚ детекторлар, жазықтық трансизторлар сияқты жаңа құрылымдарды дайындауда көбірек тиімділігін алып келеді [16].
Ережеге сай жартылай өткізгішті наномұрттар бу-сұйықтық-қатты дене технологиясын және катализатор ретінде металлдық кластерлерді қолдану арқылы синтезделеді. Бұл процессте нанокластер жартылайөткізгішті заттың буының көзі бар металл - жартылайөткізгіш жүйе үшін эвтектика балқуынан жоғары температураға дейін қыздырылады. Процессте жартылайөткізгішті затты будың көзі металлжартылайөткізгіш балқымасының нанотамшысын түзілуіне әкеледі. Жартылайөткізгішті будың реагентінің металлжартылайөткізгіш тамшысына тұрақты беріліп отыруы жартылайөткізгішті нанокластердің кристаллизациясына әкеліп соғады. Сұйықтыққатты дене шекарасы мұрттың құрылымы мен өсуінің параметрін анықтайтын құйманың тамшысы бар нанокристаллдың шекарасының өсуінің түзілуіне алып келеді. CVD процессінде металлдық нанокластерлер жартылайөткізгішті реагенттің газтәрізді көзін тудыратын прекурсорлардың жайылуының жағындағы жеріндегі катализатор қызметін атқарады. Мысалға кремний наномұртының өсуі үшін моносилан және кристаллдық кремнийге қондырылған алтынның, темір немесе алюминийдің нонокластері қолданылады. Нанокластерлі металы бар моно және нанокристаллдық кремнийдің интерфейс рөлін анықтайтын, ерекше теориялық әдістері осы объекттердің күрделілігінен әлі толық зерттелмеген [17].
Идеалды наноқұрылымды кремнийдің электронды қасиеттері теориялық зерттелгеніне қарамастан екі немесе одан да көп түрлі бөліктерден құралған күрделі реалды нанокұрылымдардың қасиеттері әлі күнге дейін теориялық зерттелмеген болып есептеледі. Осылай көрсетілген кремний наномұртының зоналық құрылымы ‹110› әртүрлі еңдікті түзу және түзу емес рұқсат етілмеген саңылаулы болатыны байқалған [18].
Голдберг типті кремнийлі квантты нүктенің және олардың негізіндегі конгломератты құрылымдар атомдық құрылысы зерттелген болатын [18]. Голдберг типті квантты нүкте жоғарысимметриялы фуллерен тәрізді ортақталған қуыс тәрізді, бір немесе бірнеше тетрагональды кремний қабатымен қоршаған. Квантты нүктенің симметриясы мен электронды құрылымы орталық фрагментттің симметриясымен анықталады. Факт жүзінде берілген нанокластерлер екілік құрылымдарды бейнелейді, қосылыс кезінде кристаллдық кремнийдің жиырма немесе одан да көп тетраэдрлік фрагменттерін түзейді.
1.3 Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
Кристалдық кремний,аморфты кремнийді қайта кристалдау кезінде түзіледі, жартылай өткізгіштік қасиеті бар.
Оның электроөткізгіштігі қыздырған және жарық түсірген кезде өседі. Бұл кристалдардың құрылысымен байланысты, ондағы кремнийдің әрбіратомы басқа төрт атоммен тэтраэдрлік қоршалған және олармен әлсіз ковалентті байланыстармен байланысқан. Бұл байланыстар тіпті қалыпты жағдайларда да ішінара бұзылады, олар сияқты қоспалар қатысында бұзылатын байланыстар саны артады, бұл электрөткізгіштік жоғарылауына әкеледі.
Нанокремнийді қолдану аясы сәуле шығару көзі ретінде ғана шектелмейді. Күн энергетикасында SiO2:nc-Si көрінетін жүйенің құны екінші ұрпақпен салыстырып, 1 м2 ауданға санағанда екі еседен көп емес, жоғарылаған сайын эффективтігі 20-дан 70% - ға дейін өсетін, үшінші ұрпақтың батареясында, құрам элементтері ретінде пайдаланады. Бұл жағдайда эффективтіліктің жоғарылауы тыйым салынған аймақ енінің жетіспеуінен күн элементтерінің кремний массивті базасында пайдаланбайтын нанокремнийдің жұту қабілетіне және электр энергиясының бірнеше бөлігін күн сәулесінің энергиясына айналдыруға негізделеді[19].
НК Si-дің тағы бір қолдануы - толқын ұзындығы 1,54 мкм болғанда сәуле шығаратын сирек кездесетін эрбий(Er) элементінің люменесценция сенсибилизациясы[20]. Ол оптикалық кремний талшықтарының мөлдір терезесіне түседі және сол себепті болашақта оптоэлектроникада маңызды рөлдердің бірінде болады деп үміт күтілуде. Кремний немесе SiO2матрицасындағы эрбий фотолюминесценция интенсивтілігі жеткіліксіз (кванттық шығыс төмен болуымен сипатталады). Егер Er атомдары НК Si- ге жақын орналасса, онда жарықпен немесе өріспен қоздырылған НК Er атомдарына өзінің энергиясын бере алады және сонымен қатар эрбийлік люминесценцияның интенсивтілігін жоғарылата алатын болады.
НК Si энергияға тәуелсіз есте сақтау жадының (флэш-жады) қондырғыларында да қолданады.Бұл қондырғыларда жад элементі өрістік транзисторды ұсынады, онда басқарушы бекітпе (затвор) мен канал арасында басқарушы бекітпенің (ақпарат жазу) бір полярлықтатранзистор каналынан электрондарды қабылдап, бекітпенің басқа полярлығында (санау) беретін әдетте кремний нитридінен жасалған балқыған бекітпе орналасады.Кремний нитриді қабыршақтарын жұқа SiO2:nc-Si беткі қабатымен ауыстырудың бірнеше артықшылықтары бар, олар: ақпараттарды сенімді сақтау, жұмыс атқарушы кернеудің төмендеуі, тезқимылдаудың жоғарылауы,азаю токтарының кемуі және т.б[21].
Сонымен қатар нанокристаллдық кремний химия, биология және медицина салаларында кеңінен қолданылады. Мысалы, НК Si-дің фотоқоздырылған энергиясы жоғары биологиялық активтілікпен оттек молекулаларына резонанстық жолмен беріле алады. НК Si-дің бұл қасиеті қатерлі ісіктердіемдеуде пайдалануға ұсынылған. Осы мақсатпен қанға ендірілген және радиоактивті фосформен легирленген НК Si қолданады. ХимиядаНК Si дің жоғары каталитикалық активтілік қасиеті пайдаланылады.
Фундаменталдық көзқарас бойынша нанокремнийді зерттегенде өз шешімін күтетін біраз мәселелер туындайды: люминесценция механизмін анықтау, НК Si диэлектрлік матрицасында өздігімен және басқа объекттермен (мысалы, нанокластерлермен металл атомдары) электронды әсерлесу физикасы, кремний лазерін құру мәселелері және т.б. Бұл материал оқымыстылар мен инженерлер үшін қызметтің кең аумағын ашады және осы материалды зерттеу кезінде жиналған тәжірибелері басқа наноматериалдар үшін, әсіресе көпкомпонентті жүйе үшін пайдалы болады[22].
2 ЖАРЫҚШЫҒАРУШЫ ҚҰРЫЛЫМДАРДЫ ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ МЕН АЛУ ҚҰРЫЛЫМДАРЫ
Әдістердің бірінде төсемше бетіне (кремнийлік электроникада төсемше ретінде әдетте ИЖ-нің басқа да элементтері дайындалатын монокристалдық кремний пластиналарын қолданады) стехиометриялық емес кремний оксидінің SiOx(x 2) қабықшалары сол әдіспен, болмаса басқа әдіспен жағылады. Көбіне қолданылатын SiOx жағу жолдарына: бір уақытта дозаланған оттек ағынына SiO ұнтақтарын термиялық буландыру, оттек пен силан қоспасының плазмохимиялық ыдырауы ("Plasma-enhanced chemical vapor deposition"), SiO2 және Si нысаналарының біріктірілген магнетрондық тозаңдату жатады. Қондырғанан кейін SiOx SiO2- ге таралатын және элементарлы кремнийдің наноқосылуы болатын жоғарытемпературалы күйдіру жүргізіледі. Берілген әдістің әртүрлілігі - SiOx және SiO2жұқа қабықшаларын кезектесіп отырғызу жолы арқылы көпқабатты (нанопериодикалық) құрылымдарды жасау болып табылады. Сонымен бірге SiOx-тің вертикальды өлшемінің таралуынан кейін SiOxқабықшасының қалыңдығымен Si наноқосылуы шектеулі, ол НК өлшемдерді қабықша қалыңдығын таңдау арқылы реттеуге мүмкіндік береді. SiO2 нің орнына наноэлектроникада перспективті қолданылатын диэлектрлік тұрақтысы жоғары (Al2O3, ZrO2, HfO2 және т.б) басқа диэлектриктердің қабықшаларын қондыруға болады[23].
Кремнийлі наноқұрылымды алудың екінші әдісі аморфты кремний (a-Si) қабықшаларын әрі қарайғы босаңдату арқылы отырғызу болып табылады. Онда a-Si қабықшаларында Si кристаллиттері өседі. НК концентрациясы мен өлшемін сығу температурасы мен ұзақтығын таңдау арқылы реттеуге болады. Алайда бұл әдісте a-Si- дің кристаллизация процесі оның құрылымы (жақын реттік) мен қоспалық құрамына тәуелді болғандықтанқайта өндіру мүмкіндігі төмен. Монокристалдық кремнийдің иондық сәулелену жолымен алынған a-Si матрицадағы НК Si ансамблін қайта өндіру мүмкіндігі жоғарырақ болады[24]. Белгілі бір дозаларда (ион массасынан сонымен қатар иондық токтың тығыздығына тәуелді) аморфты фазада кристалдық Si- дің наноаралшықтарын қалдырып, жергілікті аморфтануы арқылы беткі қабықшаларда дозалар артқан сайын өзара қосылатын a-Si аумағы түзіледі. Олардың өлшемдері мен концентрациясы сәулелендіру дозасы арқылы реттеледі. Бұл әдісте наноқұрылым түзілуі үшін сығудың қажеті жоқ, бірақ олардың оптикалық қасиеттері болуы үшін салыстырмалы түрде аса жоғары емес температурада сығады.
SiO2:nc-Si(nc-Si - нанокристалдық Si) типтегі наноқұрылымдарды алудың негізгі жолы термиялық SiO2-де (немесе кварцта) Si+-ді ионды имплантациялау әдісі болып табылады.
Бұл әдістің артықшылықтары:
* Концентрация мен ендірілген атомдар таралуын қатаң қадағалау;
* Жақсы жаңғыртылуы(воспроизводимость);
* Қоспалармен иондық легирлеу арқылы модификацияның қосымша жүйесінің жақсы мүмкіндікке ие болуы.
Имплантациядан кейін бірінші әдістегідей НК Si түзілетін 1000 - 1200°С-та сығу жүргізіледі. НК Si-дің өлшемі мен концентрациясы Si+ иондарының дозасы, сонымен қатар температура мен сығу ұзақтығымен реттеледі[25].
2.1 Иондық имплантация әдісі
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[26]. Сонымен, ионды-сәулелі қоспаларды материалдарға енгізу нәтижесі иондық шоқтың тогымен 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[27]. 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 кремнийге орналастырудың орташа шамасы 14 нм, ал энергиясы 1 МэВ бордың ионына шамамен 1756 нм құрайды. Ионды бомардировка іс жүзінде қатты дененің беткейіндегі 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 дейін 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[28].
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[29]. 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 жүгіруRp және стандартты ауытқуы бар Rp гаусстық (қалыпты) үлестірілуімен сипаттауға болады[30].
2.2 Иондық имплантация әдісінің 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 дейін қысқарту, беткейіне үлестіру біркелкілігі мен параметрлерін қайталай алу;
2) Нысана бетіне енгізілетін қоспалардың атомдар санын, иондар тогымен 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 тазалығы;
4) Үрдістің төмен температурасы;
5) Ірі оксидті, нитридті, металды несмесе фоторезистивті қатпарларды қолдану арқылы легирлеуді қажет ететін немесе қажет етпейтін кристалл бетіне бөлімдерді бүркеу әдісінің қарапайымдылығы;
6) Жұқа пассивтеуші қатпарлар арқылы легирлеу мүмкіндігі (мысалы SiO2 немесе Si3N4);
7) Иондарды енгізу тереңдігінің аздығы (әдетте бірнеше микроннан аз, кейде ондаған нанометрлерге дейін). Бұл концентрация градиенті өте күшті қоспалары бар жұқа беткейлік қатпарларды легирлеу мүмкіндін береді;
8) Үдетілетін кернеуді (полиэнергетикалық имплантация) өзгерту арқылы жасалатын көпсатылы имплантация көмегімен алдын-ала берілген түрлі пішіндегі имплантацияланған атомдардың үлестірілу профилін жасауға болады;
9) Болмашы бүйірлік шашырау нәтижесінде зиянды сыйымдылығы төмен болып келетін ерекше кішкентай (миниатюрлы) құралдарды (субмикронды технология) жасау мүмкін болады[30,31].
Әдістің артықшылықтарына ЭЕМ көмегімен ионды түйіндерді басқару жеңілдігі мен әмбебаптылығын яғни толық автоматтандыру мүмкіндігін де жатқызуға болады. Сонымен қатар, белгілі болғандай, айнымалы метастабильді жүйелерді жасау мүмкіншілігі және планаралы технология үрдістерімен сәйкестілігі.
Тәжірибеде иондық шоқтарды қолдану ион флюенстерінің аудан бірлігіне (ионсм2) байланытсы, әдетте қатты дененің ауыспалы қасиеті 1011-ден 1018 ионсм2 ауданды қамтиды. Нысанаға токты тіркеу әдісі көбінесе шоқ интенсивтілігін мккулсм2 немесе ионсм2-та ақпарат береді. Осы бірліктер арасындағы байланыс 1 мккулсм2 = ионсм2 қатынасымен сипатталады. D үлгісінің беткі сәулеленуінің интегралдық дозасын анықтау үшін (көбінесе доза дейді), шоқ интенсивтілігін j сәулелену уақытына t көбейтеді.
(2.1)
Иондық енгізудің едәуір елеулі кемшілігі жартылайөткізгіш немесе металдың (диэлектрик) кристалды құрылымының бұзылысы, яғни иондардың нысана атомдарымен алғашқы соқтығысулары нәтижесінде немесе кристалды тордың түйіндерінен жылжыған жылдам атомдардың матрицаның басқа атомдарымен екінші реттік соқтығысулары нәтижесінде пайда болаған ақаулардың болуы. Құрылымдардағы бұл ақаулар жартылайөткізгіштердің электрофизикалық қасиеттерінің өзгерістерін туғызады. Сонымен қатар, көптеген имплантацияланған атомдар торда тұрақсыз күйде болады, сол себепті электрлік белсенді болмайды.Пайда болған бұзылулардыжою, сонымен қатар торда имплантирленген атомдарды электрлі активті жағдайға ауыстыру (қоспа атомдарын активтендіру) үшін, ионды-легирленген үлгілерге қажетті термоөңдеу жүргізу керек.Бұл пеште тепе-теңдік жасыту немесе тепе-теңсіз (жылдам) фотонды, электронды, лазерлі жасыту болуы мүмкін.Имплантирленген кремнийді жасыту төмен (400 - 600°C) немесежоғары (200 - 1000°C) температураларда жүргізіледі. 1000° С-тан жоғары температурада термиялық өңдеу жасытумен бірге жүргізілген кезде ендірілген қоспа атомдарын айдау пайда болады.
Кремнийді төменгі температураларда жасыту кезінде елеулі бұзылулары сақталады, бірақ олардың таралуы жоғары емес.Ақаулары легирленген атомдарда емес, төсеніштің бетінде көп мөлшері орналасқандықтан, олардың электронды-кемтіктік (яғни p-n) ауысуға әсері болмашы. Сондықтан төмен температуралы жасыту жақын ауысудаға бұзылуын жояды, бұл оның жоғары сапасын қамтамасыз етеді. Металлизация қабаты, сонымен қатар жартылайөткізгіш құрылғылары және АЖ жоғарғы температураны көтере алмаған кезде, төменгі температуралы жасытуды пайдаланады.
Жоғарғы температуралы жасыту кезінде бұзылудың көп бөлігі қалпына келеді, бірақ қалдығыда көп, ережеге сай , құрылғы және АЖ жасауда соны ескерген жөн. 1000° С - тан жоғары температурада ендірілген қоспа атомының айдауымен бірге жүргенде кейде ақау мөлшері артады және имлантирленген атом ауданынан тыс тарағаны байқалады. Бұл жоғарғы температурада жасытудың өзі кристалдық торда бұзылуды толық жоюға кепілдік бере алмайтынын білдіреді.
Металл-оксид-жартылайөткізгіш құрылымын иондық өңдеу кезінде кремний мен кремний-диоксиді арасындағы шекарада бекітілген оң заряд және жылдам беттік күйі пайда болады. Сәулелену дозасын көтерген сайын бұл құбылыс күшейеді, кейін қанығу жүреді. Бекітілген оң зарядты 150 - 500° C - та жасытумен немесе ультракүлгін сәулесімен өңдеумен жояды. Жылдам беттік күйді азот атмосферасында 400 - 500° С температурасында төсенішті өңдеумен алады [32].
Иондық имплантация әдісінің екінші кемшілігіне электрондық құрылғы қатарын құруға кедергі болатын, мысалға күштік диод және транзисторларды құруға, легирлеудің аз тереңдігі жатады. Жылдамдататын кернеуді бірнеше МэВ-тен ондаған МэВ-ке дейін көтерсе ендірілетін атомадардың ену тереңдігін үлкейтуге болады, алайда осындай қондырғылар өте қымбат тұрады: 1 МэВ -- 1 млн АҚШ доллары, 2 МэВ -- 2 млн доллар және осылай пропорционалды. Тағыда айтылытын жайт, ол берілген материалдың балқу температурасына жақын температурада жасытылмайды, яғни жоғарыэнергиялы имплантациялау күрделі ақаулар құрылымымен сүйемелдененді[33].
Имплантация әдісінің үшінші кемшілігіне имлантация процесі кезінде және имплантациядан кейін пайда болатын эффект, иондарды бағыттау және радиационды-жылдамдатылған ендірілген атомдар диффузиясы жатады. Бұл эффекттер профильдің теориялық болжамын мүлдем мүмкін емес қылады. Көбінесе олар имплантирленген атомдардың неғұрлым терең енуінде және нысананың тереңдігі бойынша күрделі гаусстық үлестірілу фомасында ендірілген атомда көрінеді.
Сондықтан жартылайөткізгішті иондық имплантациялау әдісінің негізгі мәселесіне: радиационды ақауды жасыту, ендіретін атомның электрлік активтілігін көтеру, имплантирленген атом қоспасының таралу формасын анықтау, ток (заряд) тасымалдаушылардың өмір сүру уақыты және қозғалғыштығы сияқты сипаттамаларына имплантация процесінің әсерін зерттеу.
Қазіргі уақытта иондық имплантация жартылайөткізгішті құрылғылар мен ақпараттық жүйе технологиясында ғана терең қолданылмайды.Күшті нүктелі имплантерлерді жасап шығудың нәтижесінде жартылайөткізгіштерді легирлеу мүмкіншілігі ғана емес (әдетте иондар флюенсі 1016 ионсм2 кем болады), сонымен қатар қатты дененің химиялық, механикалық және оптикалық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Курбаналиева М.К
ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН ҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯСЫНЫҢ СПЕКТРЛІК СИПАТТАМАЛАРЫ
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Мамандық: 5B071000 - Материалтану және жаңа материалдар технологиясы
Алматы, 2015 ж.
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика - техникалық факультеті
Қатты дене және бейсызық физика кафедрасы
Қорғауға жебірілді
_______________ Кафедра меңгерушісі ___________ О.Ю.Приходько
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН ҚҰРЫЛЫМДАРДЫҢ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯСЫНЫҢ СПЕКТРЛІК СИПАТТАМАЛАРЫ тақырыбы бойынша
Мамандығы: 5B071000 - Материалтану және жаңа материалдар технологиясы
Орындаған:
4 курс студенті
________________
Курбаналиева М.К.
Ғылыми жетекші:
PhD докторы,
аға оқытушы
________________
Исмайлова Г.А.
Норма бақылаушы:
________________
Суюндыкова Г.С.
Алматы, 2015ж.
РЕФЕРАТ
Жұмыс кіріспеден, 3 бөлімнен, және қорытындыдан тұрады. Ол 40беттен, 1 кестеден, 14 суреттен және 64 пайдаланылған әдебиеттер мен ақпарат көздерінен тұрады.
Кілттік сөздер: монокристалдық кремний, жарық диодтары, иондық имплантация, электролюминесценция.
Жұмыстың мақсаты: Жарықшығаратын құрылымдардың электрлік қасиеттерін нанокристалдармен өзгешеліктерін анықтау.
Жұмыстың тапсырмасы: Жарықшығаратын құрылымдардың электрлік қасиеттерін нанокристалдармен зерттеу.
Зерттеу объектісі: Ш және V топтардың иондарымен имплантирленген монокристалдық кремний.
Зерттеу әдістері :электролюминесценция.
Жұмыстың маңыздылығы: Қазіргі кезде кремнийдің жарық шығару қабілетін арттыру мүмкін болатын барлық әдістермен зерттелуде. Кремнийдің оптикалық сәулеленуін арттыруға көп үміт арттыратын әдістердің біріне кванттық өлшем эффектісін қолдану жатады. Осыған байланысты зерттеу жұмыстары өте жоғары интегралдық сызбалардағы сигналды беру үшін электрлік импульс орнына жарықты қолдануға, жылдам әсерді арттыруға және сызба элементтерінің өлшемдерін азайтуға мүмкіндік беретін ИҚ және көрінетін диапазондағы жарықдиодты құрылымдарды алу үшін маңызды.
Практикалық қолданылуы: жартылай өткізгіш, оптоэлектроника, нанофотоника физикасында,оның ішінде жаңа композиттік қабаттардың құрылымдық және оптикалық қасиеттерін комплексті зерттеу бойынша жаңа эксперименттерді өткізу мен әдістемені жасаумен байланысқан фундаменталды және қолданбалы принципиалды жаңа нәтижелерді алу күрделі композитті жүйелердегі көптеген физикалық процестерді терең түсінуге мүмкіндік береді. Кремнийде жарықтың эффективті көзін жасау кремнийлі оптоэлектрониканың дамуында принципиалды мәнге ие.
РЕФЕРАТ
Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 40 страницах, 1 таблицах, иллюстрирована 14 рисунками и содержит 64 список использованных источников инаименований.
Ключевые слова: монокристаллический кремний, светоизлучающие материалы, ионная имплантация, электролюминесценция.
Цель работы: Выявить особенности электрических свойств светоизлучающих структур с нанокристаллами.
Задача работы: Исследовать электрических свойств светоизлучающих структур с нанокристаллами.
Объект исследование: монокристаллический кремний имплантированный ионами Ш и V групп.
Методы исследования: электролюминесценция.
Актуальность работы: В настоящее время активно изучаются возможные способы улучшения светоизлучающей способности кремния. Одним из наиболее многообещающих подходов к усилению оптического излучения кремния считается использование квантового размерного эффекта. В связи с этим тематика исследование является актуальной и направлена на решение оригинальной фундаментальной задачи- получение светодиодных структур в ИК и в видимом диапазоне, что позволяет использовать свет вместо электрического импульса для передачи сигнала в сверхбольших интегральных схемах и тем самым увеличить быстродействие и уменьшить размеры элементов схемы.
Практическое использование: получение источника излучения на кремний позволяет использовать свет вместо электрического импульса для передачи сигнала в сверхбольших интегральных схемах и тем самым увеличить быстродействие и уменьшить размеры элементов схемы. Получение принципиально новых результатов фундаментальных и прикладных исследований в физике полупроводников, оптоэлектроники, нанофотоники, в частности связанных с разработкой методик и проведением новых экспериментов по комплексному исследованию структурных и оптических свойств новых композитных слоев позволит глубже понять многие физические процессы в сложных композитных системах. Создание эффективного источника света на кремнии имеет принципиальное значение для развития кремниевой оптоэлектроники.
ABSTRACT
The work consists of an introduction, three chapters and a conclusion. She set out on 40 pages, 1 tables, illustrated with 14 figures and 64 includes references.
Keywords: monocrystalline silicon, light-emitting materials, ion implantation, electroluminescence.
Objective: Identify the features of the electrical properties of light-emitting structures with nanocrystals.
The task of the work: to study the electrical properties of light-emitting structures with nanocrystals.
Object research: monocrystalline silicon implanted W and V groups.
Methods: electroluminescence.
Relevance of the work: being actively explored possible ways to improve the ability of the light-emitting silicon. One of the most promising approaches to enhancing the optical radiation is to use silicon quantum size effect. In connection with this subject of research is relevant and addresses the fundamental problem of the original - receipt of LED structures in the IR and visible light, which allows the use of light instead of electrical pulse signal transmission in large scale integrated circuits and thereby increase the speed and reduce the size of the circuit elements .
Practical use: providing a source of radiation on the silicon can be used instead of electric light pulse signal transmission in large scale integrated circuits and thereby increase the speed and reduce the size of the circuit elements. Getting a fundamentally new results of fundamental and applied research in the physics of semiconductors, optoelectronics, nanophotonics, particularly related to the development of new techniques and conducting experiments on the complex research of structural and optical properties of new composite layers allow a deeper understanding of many physical processes in complex composite systems. Creation of an effective light source on silicon is of fundamental importance for the development of silicon optoelectronics.
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
БҚМ
Беткі қабаттардың морфологиясы
НК
Нанокристалдық кремний
D
Диаметр
G
Электр өткізгіштігі
кВ
Киловольт
c-Si
Кристалдық кремний
a-Si
Аморфты кремний
ac-Si
Аморфты кремнийдің нанокластері
ис-Si
Кремнийлік нанокристалл
ИҚ
Инфрақызыл
ЭЛ
Электролюминесценция
Нм
Нанометр
Материалтану
техникалық материалдардың құрамы, ішкі құрылымы және қасиеттері арасындағы тәуелділікті, сондай-ақ олардың сыртқы факторлар әсерінен өзгеру заңдылықтарын зерттейтін ғылым саласы.
Наноматериал
құрамында құрылымдық элементтер бар,өлшемі 100 нм-ден аспайтын геометриялық өлшемді, жаңа қасиеттерге ие, функционалды және эксплутациялық сипаттамаларға ие материалдар.
Жарықдиоды
электронды-кемтіктік өткел немесе металл-шалаөткізгіш түйіспесі арқылы электр тогі жүргенде спектрдің ИҚ көрінетін немесе УФ диапозонында оптикалық жарық шығаратын шалаөткізгіш диод.
Ионды имплантация
Нанотехнология
иондалған атомдар мен молекулаларды өрісте үдетіп қатты денеге енуіне негізделген әдіс.
атомдар және молекулаларға манипуляция жасау арқылы белгілі атомдық құрылымға ие өнім өндіру әдістері.
МАЗМҰНЫ
Кіріспе
1
Электронды техниканың басты негізі-жарықшығаратын материалдар
1.1
Нанокристаллдармен кремний оксидінің және кремний композитті қабықшаларының негізгі қасиеттері
1.1.1
Жарық шығаратын материалдардың электрлік қасиеттері
1.2
1.3
Кремний негізіндегі наносым
Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
2
Жарықшығарушы құрылымдарды алу құрылымдары
2.1
Иондық имплантация әдісі
2.2
Иондық имплантация әдісінің ерекшеліктері
2.3
Иондық имплантация қондырғысы
3
Тәжірибелік нәтижелері
3.1
3.2
Қорытынды
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
КІРІСПЕ
Қaзіргі тaңдa электроникaның ең мaңызды әрі қажетті материалы болып кремнийсаналады. Микроэлектроника технологиясындағы және қазіргі уақыттағы элементті база күйінің дамуындағы магистралдық жолы осы кремнийдің электрондық және физика-химиялық қасиеттері арқылы анықталды. Бұл көптеген ыңғайлы жағдайлар қатарларының сәйкес келуіне байланысты. Шолып кететін болсақ кремнийді алу үшін шикізаттың таусылмайтын қоры, басқамен салыстырғанда бағасының арзандығы, термиялық кремний тотығының және SiO2Si бөлімдер шекараларының жоғары сапасында. Осы жағдайда кремний инфрақұрылымдарының және де кремний инфрақұрылым негізінде жасалған аппаратуралардың көптеп шығарылуы күнделікті тұрмыста және индустрияның барлық салаларында микроэлектрониканың өнімдерін енгізуіне алып келді. Бірақ таинфрақұрылымның оптоэлектронды элементтерін құрастыруда сәулелену көздері, жарық ендірілген күшейткіш құрылымдарында нақосы кремнийді қолдануға болады ма әлде болмайды ма деген сұрақ көптеп туындап жатады. Бұған фундаменталды кемшілігі себеп болады, демек кремнийдің энергетикалық құрылымының тік болмауы және люменесценция эффектілігінің төмендігінде.
Кеңзоналы диэлектрлік матрицасында нанокристалдардың құрылуы кремнийдің наноқұрылымдану әдісі сияқты люменесцентті қасиеттерін жоғарылататын эффективті шешімдердің бастысы болып табылады. Осы әдіс бөлме температурасында жоғарыинтенсивті люменесценцияны алу үшін кванттық өлшемдік эффектті пайдаланудан тұрады. Тұрақты жарықшығаратын нанокристалдық кремний құрылуының кең көлемде тараған әдістеріне иондық имплантация әдісі немесе отырғызу арқылы алынған қалың кремний қабаттарының босаңдатуын жатқызуға болады.
Осы жұмыстакремний нанокристалдарының жүйесін алу үшін кезекті термоөңдеумен жоғары беттік аумағында қоспаның қаныққан ерітіндісі түзіледі. Радиационды күйдіру әсерінен нанокристалдарда қоспалардың преципитациясы туындайды. Ионның әртүрлі түрлері имплантирленетін күйдіру мен реттіліктің режимдерін өзгерте отырып, құрамы бойынша күрделі преципитаттарының құрылымдық сапасы мен өлшемі де ескеріледі. Бұл жағдайда иондық имплантация әдісі қолданылады.
Иондық имплантация әдісініңең басты артықшылығы - оның микро- және оптоэлектрониканың өндірістік технологиясымен сәйкестігі. Иондық имплантацияның мөлшері, иондар энергиясы, сәулелендіретін нысананың температурасы және иондық токтың тығыздығы сияқты параметрлерге тәуелділікте олардың сапасы меннанокластерлердің синтезінің сипаттамаларын түрлендіруге болады.
1 ЭЛЕКТРОНДЫ ТЕХНИКАНЫҢ басты НЕГІЗІ-ЖАРЫҚШЫҒАРАТЫН МАТЕРИАЛДАР
Қазіргі таңда кремнийдің жарық сәулелендіру қабілетін күшейтудің мүмкін болатын тәсілдері ынталы түрде зерттелініп жатыр. Электронды аймағы тік емес жартылайөткізгіш ол - кремний және де аймақ аралық сәулелену рекомбинациясының төмен кванттық эффектілігімен сипатталынады. Алайдабіріктірілген кремнийлі опто- және микроэлектронды жүйелерді жасау перспективасы қазіргі замандағы кремний қабықшаларының жарық шығаратын қасиетін жоғарылату әдістерін ынталы түрде қарастыруға талпындырады. Балқыған қышқылдардың ерітіндісінде монокристалдық кремнийді өңдеу арқылы алынған кеуекті кремнийді жасау үшін кванттық өлшемдік эффектті қолдану - үміт күттіретін және кремнийдің оптикалық сәулеленуін күшейтетін мәселелердің бірі болып табылады [1].Жалпы соңғы 15 жылда кеуекті кремнийді алу әдістерінің көптеген жолдары қарастырылған. Бірақоптоэлектроникада кеуекті кремнийді қолдану аздап қиындықтар тудырды. Кеуекті кремнийдің морттылығы мен материалдардың жоспарсыз қышқылдануы жарық шығаратын қабілетінің тұрақсыз болуына алып келеді. Кремний оптоэлектроникасының дамуындағы келесібір бағыт люминесценцияның қоспа активатормен (яғни, сирек кездесетін элементтермен Er, Eu, Yb, Tb) легирленген кремнийдегі жарықшығаратын құрылғы болып табылуында [2, 3]. Бұл амалдың практика жүзінде қолданылуы:легирленген материалдардың оптикалық қасиеттерінің тұрақсыздығымен, люминесценцияның температуралық өшуімен және рекомбинацияның сәуле шығаруының үлкен уақыт санымен анықталады. Міне, осылайша қазір зерттеушілердің күшінің көп бөлігі оптоэлектрондық қасиеті жақсартылған кремний негізіндегі микро- және наноқұрылымдарды дамыту технологиясына бөлінген.Оның SiSiO2асқынтор, кеуекті кремний қабықшаларын [4],SiGe құрылымдарын қалыптастыру [5], германийлі немесе кремнийлі нанопреципитаттарды SiO2-де [6,7], сондай-ақSi және SiO2 -дегі А3В5 тікаумақты жартылайөткізгішті нанокристалдарының қалыптасуы сияқты аздаған амал-тәсілдері бар.
Кремниймен бірге бір кристаллдағы А3В5 негізіндегі оптоэлектронды құрылғылардың интеграциясы көптеген жылдар бойы жоғары дәрежелі қызығушылықтар тудырды. Бірінші зерттеушілер кремнийдегі А3В5 материалының қабықшаларын өсіруге талпынды, бірақкейіннен кремний кристалдық тор құрылымының А3В5 қосылысына сәйкес еместігінің үлкендігі оптоэлектронды және электронды қасиеттерімен қабықшалар өсіруді әлдеқайда қиындатты. Мысалы, алып қарайтын болсақ Si және InAs тор параметрлерінің бір-біріне деген сәйкессіздігі 10,6%-ды құрайды. Кванттық нүктелерді зерттеудің басталуымен жаңа көптеген мүмкіндіктер пайда бола бастады. Жалпы кристаллдық кремнийде А3В5 кванттық нүктесінің тік өсіруі кремнийдің интеграциясындағыжәне А3В5 материалындағы басты бағыт болып саналады. Осындай кванттық нүктелердің үйлесімділігі толқын ұзындығының инфрақызыл диапазонындағы оптоэлектронды құрылғыларды (яғни, жартылайөткізгіш лазерлер, фотодиодтар, фотодетекторлар,) шығаруда аса зор қызығушылық туғызды. Кванттық нүктелердің массивтерін жасаудағы ең басты мәселе өлшемі бойынша кванттық нүктелердің таралуын жоғары құрылымдық жетілуі және олардың эффективті басқаруы болып отыр. Кванттық нүктелердің біртекті өлшемі оптоэлектроникада пайдаланудааса маңызды рөл атқарады. Бір жағынан көпөлшемді кванттық нүктелерді пайдаланғанда, мысалыға алатын болсақ ИҚ фотодетекторларында детекторлы жүйесінде көптүстілікті қамтамасыз етуге болады [8].
1.1 Нанокристаллдармен кремний оксидініңжәне кремний композитті қабықшаларының негізгі қасиеттері
Дәл қaзіргі кезде жaртылайөткізгіш нaноқұрылымдaрының құрылу технологиясы мен олaрдың негізгі қaсиеттерін зерттеу жaн-жaқты қaрaстырылуда. Кристалдық кремний (c-Si) микроэлектроника мен компьютерлік техниканың ең басты материалы болып саналғандықтан, кремний нанокристалдарына (ис-Si) аса қатты көңіл бөлінеді, ал оның қасиеті аморфтық (a-Si)және монокристалдық (c-Si) кремнийдің көлемдік фазаларынан әлдеқайда ерекшелігі бар. Нанокристалдық кремний жүйесінің қасиеттері үшін кванттық өлшемдік эффектпен бірге ис-Si бетіндегі екі күйі, яғни электрондық және тербелмелі күйлері маңызды рөл атқаратындығы зерттелінген. Осы күйлердің қасиеттері әсіресе нанокристалдардың орналасқан матрицасына байланысты анықталынады.
Интегралдық жүйенің планарлық кремний технологиясына сәйкес жарықшығарушы құрылғының жаңа түрі шығарылғанда қолдану үшін қажет. ис-Si- дің электрлік және оптикалық қозуы қаттыденелік матрица арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Жарықшығарушы құрылғының маңызды материалы ретінде кремний оксидінің аморфты матрицасына ендірілген нанокомпозит wc-SiSiC2В қарастырылады. Ол ис-Si материалымен жарасымды материал ретінде қарастырылады. 2-5 нм өлшемдегі ис-Si c-Si- ден тиімді ажырататын люминесценцияның жоғарғы эффектілігін көрсететіндігін айта кеткен жөн, сондықтан берілген жартылайөткізгіштің сәуле шығаратын заряд тасымалдаушыларының рекомбонациясының ықтималдығы төмен болады. Сонымен қатар перспективті жүйе ретінде құрылуы үшін төмен сығу температурасын қажет ететін аморфты кремний нанокластерлерінің (ac-Si) бөлшекті немесе толық құрылымын пайдалану ұсынылған.Оксидті матрицада эрбиймен легирленген ac-Si үлгісі нанокристалды құрылымдарға қарағанда люменесцентті қасиеттері жоғары болады[9].
1.1.1 Жарықшығаратын материалдардың электрлік қасиеттері
Жaрық шығaрaтын мaтериaлдaрдың электрлік қaсиеті aйтaрлықтaй дәрежеде оның құрылымдық ерекшеліктерінде aнықтaлaды. Негізінде, жaрық диодтaрының сондaй мaңызды сипaттaмaлары тыйым сaлынған aумақтың ені және өткізгіштік сипaттамaсы және т.б. болып тaбылaды[10].
Суретте кейбір жaртылайөткізгіш мaтериaлдар үшін вольт - aмперлік сипaттaмaсы көрсетілген, және олaрдың тыйым сaлынғaн aумaқ енінің мәндері берілген. Экспериментaлды тәуелділіктерден aлынғaн осы мaтериaлдaрдың деңгейлік кернеуі Eg мәніне сәйкес келетінін бaйқaуғa болaды.
Сурет 1 - Бөлме темперaтурaсындa aлынғaн әр түрлі жaртылайөткізгіштердің p-n aуысуының вольт - aмперлік сипaттамасы
Келесі суретте толқын ұзындығының ультрaкүлгін, көрінетін және инфрaқызыл диaпaзонындaғы жaрық диодтaры үшін диод aрқылы өтетін 20 мA тоқтaғы тыйым сaлынған aймақ еніне диодтaғы тік кернеудің тәуелділігі көрсетілген. Потенциaлдaрдың контaктті aйырмaшылығын (деңгейлік кернеу) бaғaлaу үшін келесі формулaны пaйдaлaнaмыз.
V ≈ VD≈ Eg̸ e
(1.1)
Осы формулaaрқылы құрылған тік сызық тік кернеудің мәніне сәйкес келеді. Көптеген жaртылaйөткізгіш диодтaрының сипaттaмaлaры осы сызықтa жaтaтыны суреттен белгілі.
Сурет 2 - Әр түрлі типтегі жарық диодтары үшін тыйым салынған аймақ енінің диодтағы тік кернеуге тәуелділігі
Сәулелену энергиясы
Жартылайөткізгіштер арқылы сәулеленген фотон энергиясы тыйым салынған аймақ ені арқылы анықталады.
hʋ≈Eg
(1.2)
Кесте 1- Әр түрлі диапазондағы сәулеленулердің фотон энергиясының мәні
Шашырау түсі
Толқын ұзындығы, нм
Фотон энегиясы, эВ
Қозу кернеуі, В
Көк
470
2,6
2,6
Жасыл
550
2,2
2,2
Қызыл
650
1,9
1,9
Инфрақызыл
870
1,4
1,4
Инфрақызыл
1550
0,8
0,8
Кейбір диапазондағы сәулеленулердің фотон энергиясының мәнін жоғарыдағы кестеден анықтауға болады.
Идеалды диодта бір электронның активті аумаққа инжекциялануы бір фотонның генерациясына алып келеді. Энергияның сақталу заңына сәйкес электронның энергиясы фотонның энергиясына сәйкес келуі керек. Яғни,
eV =hʋ
(1.3)
Осы формуладан фотон энергиясы жарық диодына орнатылған кернеудің әсер етуіне тәуелді екенін көруге болады[11,12].
1.2 Кремний негізіндегі наносым
Наносым, наноөткізгіш немесе квантты мұрт (эффективті диаметрде 1-100 нм және ұзындыққа микрондар) бұл кеңістікте квантты өлшемді эффектті және объекттің басты белдігін бойлаған электрондардың еркін қозғалысын демонстрация жасайтын, мұрттың басты белдігіне перпендикуляр объект. Ережеге сай наносымдар, еркін тұратын өте үлкен болып келетін құрылымдар болып келеді. Квантты мұрт ұзындықтын диаметрге қатынасы аздау болатын еңдірілген құрылым болып келеді [13], немесе бір (субстратпен немесе металлдық катализатордың тамшысымен) немесе бірнеше аралық қабаттардан тұратын апериодтық құрылым.
Квантты нанообъектті жасаудың қарапайым әдісі болып, жартылай өткізгішті гетероқұрылымда электростатикалық тосқауыл немесе химиялық өңдеу технологиясын қолдана отырып электронды газдың қозғалғыштығын шектеу атқарады. Бұндай манипуляциялар квантты нүктенің 0D потенциалы немесе квантты наномұрттың 1D потенциалын тудырады, олар өткізгіш зонаның электрондарының сипатын анықтайды [14]. Осындай құрылымдарды технологиялық реализация жасау спецификалық әлі де толық зерттелмеген квантты эффекттің негіздерін шығарды.
Күшті квантты өлшемді эффект объекттердің базалық қасиеттерін бақылайды. Мысал ретінде Холлдың квантты эффектісін, баллистикалық өткізгіштікті және кулондық блокаданы айтуға болады [15]. Өз кезегінде жоғарыда айтылған физикалық құбылыстар наномұрттағы электронның жоғары қозғалғыштығын, квантты шығуды жоғарылатады, квант өлшемді шектеудің дәрежесі көбейгенде лазерлі сәулеленудің төменгі генерация табалдырығын және наномұрт негізіндегі күн батареясы, ИҚ детекторлар, жазықтық трансизторлар сияқты жаңа құрылымдарды дайындауда көбірек тиімділігін алып келеді [16].
Ережеге сай жартылай өткізгішті наномұрттар бу-сұйықтық-қатты дене технологиясын және катализатор ретінде металлдық кластерлерді қолдану арқылы синтезделеді. Бұл процессте нанокластер жартылайөткізгішті заттың буының көзі бар металл - жартылайөткізгіш жүйе үшін эвтектика балқуынан жоғары температураға дейін қыздырылады. Процессте жартылайөткізгішті затты будың көзі металлжартылайөткізгіш балқымасының нанотамшысын түзілуіне әкеледі. Жартылайөткізгішті будың реагентінің металлжартылайөткізгіш тамшысына тұрақты беріліп отыруы жартылайөткізгішті нанокластердің кристаллизациясына әкеліп соғады. Сұйықтыққатты дене шекарасы мұрттың құрылымы мен өсуінің параметрін анықтайтын құйманың тамшысы бар нанокристаллдың шекарасының өсуінің түзілуіне алып келеді. CVD процессінде металлдық нанокластерлер жартылайөткізгішті реагенттің газтәрізді көзін тудыратын прекурсорлардың жайылуының жағындағы жеріндегі катализатор қызметін атқарады. Мысалға кремний наномұртының өсуі үшін моносилан және кристаллдық кремнийге қондырылған алтынның, темір немесе алюминийдің нонокластері қолданылады. Нанокластерлі металы бар моно және нанокристаллдық кремнийдің интерфейс рөлін анықтайтын, ерекше теориялық әдістері осы объекттердің күрделілігінен әлі толық зерттелмеген [17].
Идеалды наноқұрылымды кремнийдің электронды қасиеттері теориялық зерттелгеніне қарамастан екі немесе одан да көп түрлі бөліктерден құралған күрделі реалды нанокұрылымдардың қасиеттері әлі күнге дейін теориялық зерттелмеген болып есептеледі. Осылай көрсетілген кремний наномұртының зоналық құрылымы ‹110› әртүрлі еңдікті түзу және түзу емес рұқсат етілмеген саңылаулы болатыны байқалған [18].
Голдберг типті кремнийлі квантты нүктенің және олардың негізіндегі конгломератты құрылымдар атомдық құрылысы зерттелген болатын [18]. Голдберг типті квантты нүкте жоғарысимметриялы фуллерен тәрізді ортақталған қуыс тәрізді, бір немесе бірнеше тетрагональды кремний қабатымен қоршаған. Квантты нүктенің симметриясы мен электронды құрылымы орталық фрагментттің симметриясымен анықталады. Факт жүзінде берілген нанокластерлер екілік құрылымдарды бейнелейді, қосылыс кезінде кристаллдық кремнийдің жиырма немесе одан да көп тетраэдрлік фрагменттерін түзейді.
1.3 Кристалдық кремнийдің қолдану аясы
Кристалдық кремний,аморфты кремнийді қайта кристалдау кезінде түзіледі, жартылай өткізгіштік қасиеті бар.
Оның электроөткізгіштігі қыздырған және жарық түсірген кезде өседі. Бұл кристалдардың құрылысымен байланысты, ондағы кремнийдің әрбіратомы басқа төрт атоммен тэтраэдрлік қоршалған және олармен әлсіз ковалентті байланыстармен байланысқан. Бұл байланыстар тіпті қалыпты жағдайларда да ішінара бұзылады, олар сияқты қоспалар қатысында бұзылатын байланыстар саны артады, бұл электрөткізгіштік жоғарылауына әкеледі.
Нанокремнийді қолдану аясы сәуле шығару көзі ретінде ғана шектелмейді. Күн энергетикасында SiO2:nc-Si көрінетін жүйенің құны екінші ұрпақпен салыстырып, 1 м2 ауданға санағанда екі еседен көп емес, жоғарылаған сайын эффективтігі 20-дан 70% - ға дейін өсетін, үшінші ұрпақтың батареясында, құрам элементтері ретінде пайдаланады. Бұл жағдайда эффективтіліктің жоғарылауы тыйым салынған аймақ енінің жетіспеуінен күн элементтерінің кремний массивті базасында пайдаланбайтын нанокремнийдің жұту қабілетіне және электр энергиясының бірнеше бөлігін күн сәулесінің энергиясына айналдыруға негізделеді[19].
НК Si-дің тағы бір қолдануы - толқын ұзындығы 1,54 мкм болғанда сәуле шығаратын сирек кездесетін эрбий(Er) элементінің люменесценция сенсибилизациясы[20]. Ол оптикалық кремний талшықтарының мөлдір терезесіне түседі және сол себепті болашақта оптоэлектроникада маңызды рөлдердің бірінде болады деп үміт күтілуде. Кремний немесе SiO2матрицасындағы эрбий фотолюминесценция интенсивтілігі жеткіліксіз (кванттық шығыс төмен болуымен сипатталады). Егер Er атомдары НК Si- ге жақын орналасса, онда жарықпен немесе өріспен қоздырылған НК Er атомдарына өзінің энергиясын бере алады және сонымен қатар эрбийлік люминесценцияның интенсивтілігін жоғарылата алатын болады.
НК Si энергияға тәуелсіз есте сақтау жадының (флэш-жады) қондырғыларында да қолданады.Бұл қондырғыларда жад элементі өрістік транзисторды ұсынады, онда басқарушы бекітпе (затвор) мен канал арасында басқарушы бекітпенің (ақпарат жазу) бір полярлықтатранзистор каналынан электрондарды қабылдап, бекітпенің басқа полярлығында (санау) беретін әдетте кремний нитридінен жасалған балқыған бекітпе орналасады.Кремний нитриді қабыршақтарын жұқа SiO2:nc-Si беткі қабатымен ауыстырудың бірнеше артықшылықтары бар, олар: ақпараттарды сенімді сақтау, жұмыс атқарушы кернеудің төмендеуі, тезқимылдаудың жоғарылауы,азаю токтарының кемуі және т.б[21].
Сонымен қатар нанокристаллдық кремний химия, биология және медицина салаларында кеңінен қолданылады. Мысалы, НК Si-дің фотоқоздырылған энергиясы жоғары биологиялық активтілікпен оттек молекулаларына резонанстық жолмен беріле алады. НК Si-дің бұл қасиеті қатерлі ісіктердіемдеуде пайдалануға ұсынылған. Осы мақсатпен қанға ендірілген және радиоактивті фосформен легирленген НК Si қолданады. ХимиядаНК Si дің жоғары каталитикалық активтілік қасиеті пайдаланылады.
Фундаменталдық көзқарас бойынша нанокремнийді зерттегенде өз шешімін күтетін біраз мәселелер туындайды: люминесценция механизмін анықтау, НК Si диэлектрлік матрицасында өздігімен және басқа объекттермен (мысалы, нанокластерлермен металл атомдары) электронды әсерлесу физикасы, кремний лазерін құру мәселелері және т.б. Бұл материал оқымыстылар мен инженерлер үшін қызметтің кең аумағын ашады және осы материалды зерттеу кезінде жиналған тәжірибелері басқа наноматериалдар үшін, әсіресе көпкомпонентті жүйе үшін пайдалы болады[22].
2 ЖАРЫҚШЫҒАРУШЫ ҚҰРЫЛЫМДАРДЫ ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ МЕН АЛУ ҚҰРЫЛЫМДАРЫ
Әдістердің бірінде төсемше бетіне (кремнийлік электроникада төсемше ретінде әдетте ИЖ-нің басқа да элементтері дайындалатын монокристалдық кремний пластиналарын қолданады) стехиометриялық емес кремний оксидінің SiOx(x 2) қабықшалары сол әдіспен, болмаса басқа әдіспен жағылады. Көбіне қолданылатын SiOx жағу жолдарына: бір уақытта дозаланған оттек ағынына SiO ұнтақтарын термиялық буландыру, оттек пен силан қоспасының плазмохимиялық ыдырауы ("Plasma-enhanced chemical vapor deposition"), SiO2 және Si нысаналарының біріктірілген магнетрондық тозаңдату жатады. Қондырғанан кейін SiOx SiO2- ге таралатын және элементарлы кремнийдің наноқосылуы болатын жоғарытемпературалы күйдіру жүргізіледі. Берілген әдістің әртүрлілігі - SiOx және SiO2жұқа қабықшаларын кезектесіп отырғызу жолы арқылы көпқабатты (нанопериодикалық) құрылымдарды жасау болып табылады. Сонымен бірге SiOx-тің вертикальды өлшемінің таралуынан кейін SiOxқабықшасының қалыңдығымен Si наноқосылуы шектеулі, ол НК өлшемдерді қабықша қалыңдығын таңдау арқылы реттеуге мүмкіндік береді. SiO2 нің орнына наноэлектроникада перспективті қолданылатын диэлектрлік тұрақтысы жоғары (Al2O3, ZrO2, HfO2 және т.б) басқа диэлектриктердің қабықшаларын қондыруға болады[23].
Кремнийлі наноқұрылымды алудың екінші әдісі аморфты кремний (a-Si) қабықшаларын әрі қарайғы босаңдату арқылы отырғызу болып табылады. Онда a-Si қабықшаларында Si кристаллиттері өседі. НК концентрациясы мен өлшемін сығу температурасы мен ұзақтығын таңдау арқылы реттеуге болады. Алайда бұл әдісте a-Si- дің кристаллизация процесі оның құрылымы (жақын реттік) мен қоспалық құрамына тәуелді болғандықтанқайта өндіру мүмкіндігі төмен. Монокристалдық кремнийдің иондық сәулелену жолымен алынған a-Si матрицадағы НК Si ансамблін қайта өндіру мүмкіндігі жоғарырақ болады[24]. Белгілі бір дозаларда (ион массасынан сонымен қатар иондық токтың тығыздығына тәуелді) аморфты фазада кристалдық Si- дің наноаралшықтарын қалдырып, жергілікті аморфтануы арқылы беткі қабықшаларда дозалар артқан сайын өзара қосылатын a-Si аумағы түзіледі. Олардың өлшемдері мен концентрациясы сәулелендіру дозасы арқылы реттеледі. Бұл әдісте наноқұрылым түзілуі үшін сығудың қажеті жоқ, бірақ олардың оптикалық қасиеттері болуы үшін салыстырмалы түрде аса жоғары емес температурада сығады.
SiO2:nc-Si(nc-Si - нанокристалдық Si) типтегі наноқұрылымдарды алудың негізгі жолы термиялық SiO2-де (немесе кварцта) Si+-ді ионды имплантациялау әдісі болып табылады.
Бұл әдістің артықшылықтары:
* Концентрация мен ендірілген атомдар таралуын қатаң қадағалау;
* Жақсы жаңғыртылуы(воспроизводимость);
* Қоспалармен иондық легирлеу арқылы модификацияның қосымша жүйесінің жақсы мүмкіндікке ие болуы.
Имплантациядан кейін бірінші әдістегідей НК Si түзілетін 1000 - 1200°С-та сығу жүргізіледі. НК Si-дің өлшемі мен концентрациясы Si+ иондарының дозасы, сонымен қатар температура мен сығу ұзақтығымен реттеледі[25].
2.1 Иондық имплантация әдісі
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[26]. Сонымен, ионды-сәулелі қоспаларды материалдарға енгізу нәтижесі иондық шоқтың тогымен 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[27]. 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 кремнийге орналастырудың орташа шамасы 14 нм, ал энергиясы 1 МэВ бордың ионына шамамен 1756 нм құрайды. Ионды бомардировка іс жүзінде қатты дененің беткейіндегі 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 дейін 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[28].
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[29]. 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 жүгіруRp және стандартты ауытқуы бар Rp гаусстық (қалыпты) үлестірілуімен сипаттауға болады[30].
2.2 Иондық имплантация әдісінің 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 дейін қысқарту, беткейіне үлестіру біркелкілігі мен параметрлерін қайталай алу;
2) Нысана бетіне енгізілетін қоспалардың атомдар санын, иондар тогымен 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 тазалығы;
4) Үрдістің төмен температурасы;
5) Ірі оксидті, нитридті, металды несмесе фоторезистивті қатпарларды қолдану арқылы легирлеуді қажет ететін немесе қажет етпейтін кристалл бетіне бөлімдерді бүркеу әдісінің қарапайымдылығы;
6) Жұқа пассивтеуші қатпарлар арқылы легирлеу мүмкіндігі (мысалы SiO2 немесе Si3N4);
7) Иондарды енгізу тереңдігінің аздығы (әдетте бірнеше микроннан аз, кейде ондаған нанометрлерге дейін). Бұл концентрация градиенті өте күшті қоспалары бар жұқа беткейлік қатпарларды легирлеу мүмкіндін береді;
8) Үдетілетін кернеуді (полиэнергетикалық имплантация) өзгерту арқылы жасалатын көпсатылы имплантация көмегімен алдын-ала берілген түрлі пішіндегі имплантацияланған атомдардың үлестірілу профилін жасауға болады;
9) Болмашы бүйірлік шашырау нәтижесінде зиянды сыйымдылығы төмен болып келетін ерекше кішкентай (миниатюрлы) құралдарды (субмикронды технология) жасау мүмкін болады[30,31].
Әдістің артықшылықтарына ЭЕМ көмегімен ионды түйіндерді басқару жеңілдігі мен әмбебаптылығын яғни толық автоматтандыру мүмкіндігін де жатқызуға болады. Сонымен қатар, белгілі болғандай, айнымалы метастабильді жүйелерді жасау мүмкіншілігі және планаралы технология үрдістерімен сәйкестілігі.
Тәжірибеде иондық шоқтарды қолдану ион флюенстерінің аудан бірлігіне (ионсм2) байланытсы, әдетте қатты дененің ауыспалы қасиеті 1011-ден 1018 ионсм2 ауданды қамтиды. Нысанаға токты тіркеу әдісі көбінесе шоқ интенсивтілігін мккулсм2 немесе ионсм2-та ақпарат береді. Осы бірліктер арасындағы байланыс 1 мккулсм2 = ионсм2 қатынасымен сипатталады. D үлгісінің беткі сәулеленуінің интегралдық дозасын анықтау үшін (көбінесе доза дейді), шоқ интенсивтілігін j сәулелену уақытына t көбейтеді.
(2.1)
Иондық енгізудің едәуір елеулі кемшілігі жартылайөткізгіш немесе металдың (диэлектрик) кристалды құрылымының бұзылысы, яғни иондардың нысана атомдарымен алғашқы соқтығысулары нәтижесінде немесе кристалды тордың түйіндерінен жылжыған жылдам атомдардың матрицаның басқа атомдарымен екінші реттік соқтығысулары нәтижесінде пайда болаған ақаулардың болуы. Құрылымдардағы бұл ақаулар жартылайөткізгіштердің электрофизикалық қасиеттерінің өзгерістерін туғызады. Сонымен қатар, көптеген имплантацияланған атомдар торда тұрақсыз күйде болады, сол себепті электрлік белсенді болмайды.Пайда болған бұзылулардыжою, сонымен қатар торда имплантирленген атомдарды электрлі активті жағдайға ауыстыру (қоспа атомдарын активтендіру) үшін, ионды-легирленген үлгілерге қажетті термоөңдеу жүргізу керек.Бұл пеште тепе-теңдік жасыту немесе тепе-теңсіз (жылдам) фотонды, электронды, лазерлі жасыту болуы мүмкін.Имплантирленген кремнийді жасыту төмен (400 - 600°C) немесежоғары (200 - 1000°C) температураларда жүргізіледі. 1000° С-тан жоғары температурада термиялық өңдеу жасытумен бірге жүргізілген кезде ендірілген қоспа атомдарын айдау пайда болады.
Кремнийді төменгі температураларда жасыту кезінде елеулі бұзылулары сақталады, бірақ олардың таралуы жоғары емес.Ақаулары легирленген атомдарда емес, төсеніштің бетінде көп мөлшері орналасқандықтан, олардың электронды-кемтіктік (яғни p-n) ауысуға әсері болмашы. Сондықтан төмен температуралы жасыту жақын ауысудаға бұзылуын жояды, бұл оның жоғары сапасын қамтамасыз етеді. Металлизация қабаты, сонымен қатар жартылайөткізгіш құрылғылары және АЖ жоғарғы температураны көтере алмаған кезде, төменгі температуралы жасытуды пайдаланады.
Жоғарғы температуралы жасыту кезінде бұзылудың көп бөлігі қалпына келеді, бірақ қалдығыда көп, ережеге сай , құрылғы және АЖ жасауда соны ескерген жөн. 1000° С - тан жоғары температурада ендірілген қоспа атомының айдауымен бірге жүргенде кейде ақау мөлшері артады және имлантирленген атом ауданынан тыс тарағаны байқалады. Бұл жоғарғы температурада жасытудың өзі кристалдық торда бұзылуды толық жоюға кепілдік бере алмайтынын білдіреді.
Металл-оксид-жартылайөткізгіш құрылымын иондық өңдеу кезінде кремний мен кремний-диоксиді арасындағы шекарада бекітілген оң заряд және жылдам беттік күйі пайда болады. Сәулелену дозасын көтерген сайын бұл құбылыс күшейеді, кейін қанығу жүреді. Бекітілген оң зарядты 150 - 500° C - та жасытумен немесе ультракүлгін сәулесімен өңдеумен жояды. Жылдам беттік күйді азот атмосферасында 400 - 500° С температурасында төсенішті өңдеумен алады [32].
Иондық имплантация әдісінің екінші кемшілігіне электрондық құрылғы қатарын құруға кедергі болатын, мысалға күштік диод және транзисторларды құруға, легирлеудің аз тереңдігі жатады. Жылдамдататын кернеуді бірнеше МэВ-тен ондаған МэВ-ке дейін көтерсе ендірілетін атомадардың ену тереңдігін үлкейтуге болады, алайда осындай қондырғылар өте қымбат тұрады: 1 МэВ -- 1 млн АҚШ доллары, 2 МэВ -- 2 млн доллар және осылай пропорционалды. Тағыда айтылытын жайт, ол берілген материалдың балқу температурасына жақын температурада жасытылмайды, яғни жоғарыэнергиялы имплантациялау күрделі ақаулар құрылымымен сүйемелдененді[33].
Имплантация әдісінің үшінші кемшілігіне имлантация процесі кезінде және имплантациядан кейін пайда болатын эффект, иондарды бағыттау және радиационды-жылдамдатылған ендірілген атомдар диффузиясы жатады. Бұл эффекттер профильдің теориялық болжамын мүлдем мүмкін емес қылады. Көбінесе олар имплантирленген атомдардың неғұрлым терең енуінде және нысананың тереңдігі бойынша күрделі гаусстық үлестірілу фомасында ендірілген атомда көрінеді.
Сондықтан жартылайөткізгішті иондық имплантациялау әдісінің негізгі мәселесіне: радиационды ақауды жасыту, ендіретін атомның электрлік активтілігін көтеру, имплантирленген атом қоспасының таралу формасын анықтау, ток (заряд) тасымалдаушылардың өмір сүру уақыты және қозғалғыштығы сияқты сипаттамаларына имплантация процесінің әсерін зерттеу.
Қазіргі уақытта иондық имплантация жартылайөткізгішті құрылғылар мен ақпараттық жүйе технологиясында ғана терең қолданылмайды.Күшті нүктелі имплантерлерді жасап шығудың нәтижесінде жартылайөткізгіштерді легирлеу мүмкіншілігі ғана емес (әдетте иондар флюенсі 1016 ионсм2 кем болады), сонымен қатар қатты дененің химиялық, механикалық және оптикалық ... 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