Использование дефектов, возникающих при имплантации водорода или гелия, для формирования глубинных структур в кремнии (стр. 1 из 2)
Использование дефектов, возникающих при имплантации водорода или гелия, для формирования глубинных структур в кремнии
(реферат)
В данной работе представлены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможность формирования различных структур в стандартных пластинах монокристаллического кремния с использованием дефектов, создаваемых имплантацией водорода или гелия.
Сформированные в результате имплантации водорода или гелия дефекты могут быть использованы для создания структур “кремний-на-оксиде” (КНО) [1-3]. Данный метод получения структур КНО основан на способности сформированного в результате имплантации водорода или гелия захороненного дефектного слоя служить центром геттерирования различных примесей, в том числе, кислорода. В наших экспериментах пластины кремния имплантировались водородом или гелием дозой 1×1015 - 4×1016 см-2, причем энергия ионов соответствовала проективному пробегу 0,9 мкм. Затем в имплантированные пластины из низкоэнергетичной плазмы вводился кислород, который геттерировался на дефектах захороненного слоя. На заключительном этапе образцы отжигались в вакууме.
Ниже приведены результаты экспериментального исследования полученных структур. Представленные на рисунке 1 профили распределения кислорода по глубине пластин, полученные методом масс-спетроскопии вторичных ионов (ВИМС), показывают, что на глубине, соответствующей захороненному слою, наблюдается накопление кислорода с концентрацией 1,4×1017 и 3,5×1017 см-2 для образцов, имплантированных водородом дозами 2×1016 и 4×1016 см-2, соответственно. Таким образом, представленный метод позволяет собирать на необходимой глубине кислород в концентрациях, приблизительно на порядок величины превышающих дозу имплантированного водорода.
Рис.1. ВИМС-профили распределения кислорода в пластинах кремния со сформированным захороненным кислородсодержащим слоем: а - доза имплантации водорода 2×1016 см-2, б - доза имплантации водорода 4×1016 см-2
На рисунке 2 представлены результаты измерения поперечной проводимости сформированных структур. Кривые 1 измерены после имплантации водорода (до введения кислорода), кривые 2 - после проведения всех операций.
Как видно из представленных данных, сформированный в глубине пластин кислородсодержащий слой обладает изолирующими свойствами.
Сопоставление графиков показывает, что сопротивление слоя и напряжения его пробоя увеличиваются с ростом дозы имплантированного водорода.
Рис.2. Электрополевые зависимости поперечной проводимости пластин кремния со сформированным захороненным кислородсодержащим слоем а - доза имплантации водорода 2×1016 см-2, б - доза имплантации водорода 4×1016 см-2
Как показали проведенные исследования, реализация описанной выше последовательности технологических операций (имплантация водорода или гелия, введение кислорода из плазмы, отжиг) при определенном выборе режимов позволяет создавать в кремнии системы нанотрубок, перпендикулярных поверхности пластины. На рисунке 3 представлены СЭМ-изображения поверхности и торца пластины кремния со сформированными в ней одномерными дефектами (нанотрубками).
На рисунке 4а представлены полученные методом ВИМС профили распределения кислорода и кремния по глубине в такой структуре. Спектры резерфордовского обратного рассеяния (РОР) в случайном (кривая 1) и каналированном (кривая 2) режимах приведены на рисунке 4б. В экспериментах по РОР энергия падающих ионов составляла 2,4 МэВ, угол рассеяния - 170о. Изучение влияния переменных магнитных полей на сверхпроводники представляет не только научный, но и практический интерес. В ряде криогенных гравиинерциальных приборов на сверхпроводящие элементы их конструкций действуют магнитные поля, звукового диапазона частот 10 - 104 Гц. При этом безразлично, будет ли эта переменная составляющая действовать извне или наводиться за счет циклических движений сверхпроводника в постоянном магнитном поле. Изучение отклика сверхпроводника на подобные внешние воздействия обычно проводится индуктивными и механическими методами [1 - 3]. По величине и характеру изменения определяемых параметров обычно судят о проникновении магнитного поля, диссипативных процессах в сверхпроводнике. Для экспериментального изучения магнитомеханических эффектов используется механический метод [1, 2]. Где измеряется величина затухания (авторы обозначили символом Q-1) и частота (f) колебаний в различных внешних условиях.
Наиболее существенные изменения частоты
[1, 2] и затухания колебаний [1] происходят в смешанном состоянии сверхпроводника [3]. Отмечено, что величины Q-1 и 
зависят от квадрата частоты, кристаллической структуры сверхпроводника [5], ориентации в магнитном поле [1]. В сверхпроводнике 1 рода наблюдается ступенька при Нe = Нk, а в сверхпроводнике 2 рода на кривой Q-1 появляется пик.Для объяснения наблюдаемых магнитомеханических эффектов предлагались различные модельные представления. В работе [4] введено понятие эффективной жесткости сверхпроводников, обусловленной вихрями увлекаемых деформирующейся кристаллической решеткой, с чем не согласны авторы [5, 6], поскольку зависимость частоты от поля Не проявляется как в смешанном, так и в нормальном состоянии. С точки зрения электродинамики магнитомеханические эффекты можно рассматреть как результат воздействия на сверхпроводник переменных полей малой амплитуды, проникающих на глубину скин-слоя. В докладе рассматривается модель комплексной магнитной поляризуемости, где устанавливается связь величины αij с комплексными проводимостью и магнитной проницаемостью сверхпроводника [7]. В высокочастотном пределе при |qd| >> 1, когда глубина скин-слоя λ превосходит лондоновскую глубину проникновения λL, получено:
, (4) 
. (5)В низкочастотном пределе |qd| >> 1:
, (6) 
, (7)где μ0 - статическая магнитная проницаемость сверхпроводника;
σ1 и σ2 - действительная и мнимая части комплексной проводимости;
d - толщина пластины;
q - волновой вектор.
Комплексная магнитная проницаемость выражается как
.Для сверхпроводника второго рода в смешанном состоянии с закрепленными на центрах пиннинга вихрями, используя модель Гиттлемана - Розенблюма [8], получим:
, (8)где σf - проводимостьв смешанном состоянии; σn - проводимость в нормальном состоянии; ωp - пиннинговая частота.
Частоту ωp, при которой пиннинг перестает влиять на сопротивление сверхпроводника определим [9]:
. (9)Оценки дают значение ωp = 103 - 104 Гц.
Рис.4. Профили распределения кислорода и кремния по глубине (а) и спектры РОР (б) для структуры со сформированными одномерными дефектами.
Приведенные на рисунках 3 и 4 результаты позволяют утверждать, что в приповерхностной области кремния толщиной приблизительно 1,4 мкм возникают одномерные дефекты, представляющие собой окисленные кремниевые трубки.
Исследование процессов молекулярной релаксации методами колебательной спектроскопии дает богатую информацию о структурно-динамических свойствах солевой системы. Такого рода исследования основаны на том факте, что ширины полос в колебательном спектре обратно пропорциональны временам молекулярной релаксации [1 - 3]. При этом каждый из релаксационных процессов дает вклад в общую ширину колебательной полосы. Молекулярная релаксация может быть разделена на ориентационную и колебательную. Процессы колебательной релаксации, в свою очередь, подразделяются на адиабатические и неадиабатические. Среди адиабатических наибольшее значение имеют процессы колебательной дефазировки. К неадиабатическим процессам относится релаксация за счет отталкивательных, диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий, а также резонансный обмен колебательными квантами и внутримолекулярный распад колебательных состояний с участием фононов. В последнем случае внутримолекулярная колебательная релаксация рассматриваемой моды сопровождается рождением колебания с меньшей частотой и возмущением ближайшего окружения. В свете этих рассуждений, в настоящей работе предпринята попытка, проанализировать возможные дополнительные механизмы колебательной релаксации в бинарных солевых системах с молекулярными ионами по сравнению с индивидуальными солями.
Все перечисленные выше факторы молекулярной релаксации, имеющие место в индивидуальных солях [4], актуальны и для бинарных солевых систем. Надо иметь в виду, что в бинарной солевой системе кристаллическая структура исходных солей меняется, и это может сказаться на изменении характеристик соответствующих спектральных переходов. Однако, в бинарных солевых системах, имеющих два сорта молекулярных ионов, возможен еще один релаксационный механизм, если различные молекулярные ионы имеют близкие по частотам внутримолекулярные колебания (ВМК). При этом релаксация колебания ni молекулярного иона одного сорта может сопровождаться возбуждением соответствующего nj колебания молекулярного иона другого сорта, а разница энергий передаваться фононам решетки. Такой межмолекулярный фононный распад реализуется при условиях: