Научно-образовательный центр "Физика твердотельных наноструктур"

Полезные ссылки

Формирование наноразмерных включений в диэлектрических матрицах SiO2 и ZrO2(Y) ионно-лучевым методом и исследование их свойств

Участники проекта:  НИФТИ ННГУ, ФФ ННГУ, ИФМ РАН, ФТСН СЗМ ННГУ 

Руководители проекта:

Профессор, д.ф.-.м.н. Д.И. Тетельбаум, в.н.с. НИФТИ ННГУ Tetelbaum@phys.unn.ru

Доцент, к.ф.-м.н. О.Н. Горшков, директор НИФТИ ННГУ Gorshkov@nifti.unn.ru

Исполнители:

Е.С. Демидов, профессор, зав. кафедрой электроники твердого тела – ФФ ННГУ

А.П. Касаткин, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник – НИФТИ ННГУ

Ю.И. Чигиринский, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник – НИФТИ ННГУ

В.А. Новиков, к.ф.-м.н., научный сотрудник – НИФТИ ННГУ

С.А. Трушин, к.ф.-м.н., научный сотрудник – НИФТИ ННГУ

А.Н. Михайлов, аспирант (ФФ ННГУ), младший научный сотрудник – НИФТИ ННГУ

А.С. Осташов, аспирант (ФФ ННГУ), инженер – НИФТИ ННГУ

С.В. Морозов, к.ф.-м.н., научный сотрудник – ИФМ РАН

Д.М. Гапонова, к.ф.-м.н., научный сотрудник – ИФМ

Общая научная проблема, на решение которой направлен данный проект

В настоящее время наноструктурированный кремний привлекает большое внимание исследователей и технологов в связи с его способностью к интенсивной видимой люминесценции при комнатной температуре. Это делает кремний одним из перспективных материалов для опто- и наноэлектроники. Одним из наиболее подходящих для современной электронной технологии методов наноструктурирования является применение ионных пучков. Помимо непосредственно формирования наноразмерных систем ионная имплантация может быть успешно применена и для дальнейшего контроля и модификации их свойств с использованием, например, дополнительного легирования примесями.

Главными задачами настоящего проекта являются ионно-лучевое формирование светоизлучающих наноструктур на основе кремния и поиск путей улучшения их люминесцентных свойств. Первая наноструктурированная система – это кремниевые нанокристаллы в матрице диоксида кремния (SiO₂:nc-Si), а вторая – двухфазная аморфно-нанокристаллическая система (a-Si:nc-Si), впервые разработанная в рамках проекта.

Конкретные цели и задачи НИР:

1	Экспериментальное и теоретическое исследование формирования кремниевых нанокристаллов в матрице SiO2 при ионной имплантации кремния и отжиге (зависимость плотности и морфологии нанокристаллов от дозы ионов Si и температуры отжига);
2	Выявление основных механизмов влияния ионного легирования на люминесцентные свойства системы SiO2:nc-Si (примеси P, H, B, N);
3	Комплексное исследование формирования и фотолюминесценции системы a-Si:nc-Si, созданной путем облучения ионами больших и средних масс (Kr, Ge, As, Ar, Ne).

Основные результаты

Система SiO₂:nc-Si

Методика эксперимента

Материал: пластины плавленого кварца и пленки SiO2 (300-600 нм), термически выращенные при 1100°C во влажном кислороде и в цикле «сухой-влажный-сухой». Ионная имплантация: Si+ с энергией E = 140 кэВ и дозой (F) в интервале от 0,5´1017 до 1´1018 см-2; P+ с E = 150 кэВ и F = 1´1014-1´1017 см-2; H+ в три шага с E = 5 кэВ и F = 8´1015 см-2, E = 10 кэВ и F = 6´1015 см-2, E = 15 кэВ и F = 1´1016 см-2; B+ с E = 60 кэВ и F = 1´1015-1´1017 см-2; N+ с E = 70 кэВ и F = 1´1014-1´1017 см-2. Постимплантационный отжиг: при Tann = 1000°C и 1100°C в потоке сухого N2 (2 ч.) для формирования нанокристаллов и Tann = 1000°C (2 ч.) после имплантации примесей. Микроскопия: сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) в контактном режиме атомно-силовой микроскопии (АСМ) на воздухе. Измерения фотолюминесценции (ФЛ): при комнатной температуре с возбуждением Ar-лазером (488 нм).

Рис.1. Схема и топография АСМ системы SiO2:nc-Si.

Зависимость ФЛ от дозы Si и температуры отжига

Рис.2. Спектры ФЛ системы SiO2:nc-Si, сформированной при 1000°C и различных дозах Si.

Вариация дозы Si (концентрации избыточного кремния в матрице) позволяет контролировать интенсивность ФЛ (Рис.2) и морфологию кремниевых нанокристаллов (Рис.3), которая была исследована методами Рамановского рассеяния, спектроскопии фотолюминесценции и СЗМ. Максимальная интенсивность ФЛ после отжига при 1000ºC достигается при дозе 4×1017 см-2, когда количество нанокристаллов максимально. При больших дозах имеет место смыкание нанокристаллов. Оптимальная доза сдвигается в область меньших значений с увеличением Tann. Это поведение было описано теоретически, основываясь на моделях созревания по Оствальду и коалесценции ближайших нанокристаллов (Рис.4).

Рис.3. Дозовые зависимости среднего диаметра нанокристаллов Si, сформированных при 1000°C.

Рис.4. Экспериментальные (точки) и теоретические зависимости интенсивности ФЛ SiO2:nc-Si для различных Tann.

Влияние ионного легирования

Ионное легирование фосфором и водородом нанокристаллов, сформированных при 1000°C, приводит к усилению ФЛ. Легирование же бором и азотом не вызывает улучшения люминесцентных свойств. Были выявлены следующие механизмы влияния ионного легирования (Рис.5).

Рис.5. Схема возможных механизмов влияния ионного легирования на ФЛ SiO2:nc-Si.

Рис.6. Сравнение интенсивностей ФЛ при легировании различными примесями.

На рис.6 приведено сравнение максимальных интенсивностей ФЛ системы SiO2:nc-Si, полученных при различных режимах имплантации и отжига. Это позволяет выбрать оптимальные условия формирования нанокристаллов и ионного легирования с целью достижения максимальной интенсивности ФЛ.

Система a-Si:nc-Si

Методика эксперимента

Материал: монокристаллический Si с r = 0,1 или 2000 Ом∙см. Ионное облучение: Kr+ с E = 80 кэВ и F = 4´1013-1.5´1014 см-2; Ge+ с E = 80 кэВ и F = 2´1013-5´1014 см-2; As+ с E = 80 кэВ и F = 2´1013-5´1014 см-2; Ar+ с E = 150 кэВ и F = 4´1013-5´1015 см-2; Ne+ с E = 150 кэВ и F = 5´1014-5´1016 см-2. Постимплантационный отжиг: при Tann = 300°C (0,5 ч.) перед исследованием ФЛ. Измерения фотолюминесценции (ФЛ): при комнатной температуре с возбуждением Ar-лазером (488 нм). Измерения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР): при температуре жидкого азота с использованием эталона Mn2+:MgO.

Different ions Different ions 200 nm Different ions Different ions 0 200 nm Рис.7. The sketch and Monte-Carlo simulated picture of a-Si:nc-Si system.

Фотолюминесценция

Рис.8. Спектры ФЛ системы a-Si:nc-Si, полученной при облучении разными дозами ионов Ge, Ar и Ne.

Рис.9. Схема взаимной сенсибилизации ФЛ.

Спектры ФЛ образцов кремния, облученных и отожженных при 300°C (0,5 ч.) были обнаружены в определенном интервале доз ионов. В общем случае наблюдаются два пика ФЛ (Рис.8). Правый пик связан с аморфизованным слоем кремния, а второй был приписан излучению нанокристаллов Si, остающихся в аморфной кремниевой матрице. Установлено, что имеет место взаимная сенсибилизация ФЛ фаз a-Si и nc-Si (см. схему на рис.9).

Электронный парамагнитный резонанс

Рис.10. Дозовые зависимости концентрации оборванных связей в образцах a-Si:nc-Si, полученных при облучении ионами Ge, Ar и Ne.

Корреляция между дозовыми зависимостями интенсивности левого пика ФЛ и интенсивности сигнала ЭПР, обусловленного парамагнитными оборванными связями Si (Рис.10) свидетельствует в пользу формирования двухфазной композитной системы. Экстремальное поведение концентрации спинов вблизи дозы аморфизации связано с вкладом границ раздела a-Si/nc-Si.

Заключение

1	Различные экспериментальные и теоретические методы были успешно применены для описания формирования и свойств нанокристаллов Si, ионно-синтезированных в матрице SiO2.
2	Механизмы, ответственные за влияние ионного легирования на люминесцентные свойства системы SiO2:nc-Si, были выявлены и обобщены.
3	Новый метод наноструктурирования, основанный на ионном облучении был впервые предложен и реализован.

Публикации

1. D.I. Tetelbaum, O.N. Gorshkov, D.O. Filatov, A.P. Kasatkin, V.A. Novikov, M.V. Stepikhova. The fabrication of the nanocrystal structures ZrO₂(Y):Zr and SiO₂Si(P) by ion implantation. In: International workshop on nondestructive testing and computer simulations in science and engineering, Alexander I. Melker, Editor, proceeding of SPIE. 1999. V.3687. Р.258-263. 

2. D.I. Tetelbaum, O.N. Gorshkov, S.A. Trushin, D.G. Revin, D.M. Gaponova, W. Eckstein. The enhancement of luminescence in ion implanted Si quantum dots in SiO₂ matrix by means of dose alignment and doping.Nanotechnology. 2000. V.11. P.295-297. 

3. D.I. Tetelbaum, S.A. Trushin, Z.F. Krasil’nik, D.M. Gaponova, A.N. Mikhailov. Luminescence of silicon nanostructured by irradiation with heavy ions. Optical Materials.  2001. V.17. No.1-2. P.57-59.

4. D.I. Tetelbaum, S.A. Trushin, V.A. Burdov, A.I. Golovanov, D.G. Revin, D.M. Gaponova. The influence of phosphorus and hydrogen ion implantation on the photoluminescence of SiO₂ with Si nanoinclusions. Nucl.Instr.Meth.B. 2001. V.174. P.123-129. 

5. D.I. Tetelbaum, V.A. Burdov, S.A. Trushin, A.N. Mikhaylov, D.G. Revin, D.M. Gaponova. The influence of annealing temperature and doping on the red/near-infrared luminescence of ion implanted SiO₂:nc-Si.Proceeding of 201 MRS Fall Meeting. 2001. V.692. P.H10.8. 

6. D.I. Tetelbaum, V.A. Burdov, A.N. Mikhaylov and S.A. Trushin. About the "phosphorus" sensitization of silicon quantum dots in SiO₂ photoluminescence. Proceedings of 10-th International Symposium “Nanostructures: Physics and Technology” (17-21 June 2002, St. Petersburg, Russia). P.206-209.

7. S.A. Trushin, A.N. Mikhailov, D.I. Tetelbaum, O.N. Gorshkov, D.G. Revin, D.M. Gaponova. The optimization of photoluminescence properties of ion-implantation-produced nanostructures on the base of Si inclusions in SiO₂ matrix. Surface and Coating Technology. 2002. V.158-159. P.717-719. 

8. D.I. Tetelbaum, E.S. Demidov, A.N. Mikhaylov, S.A. Trushin, D.M. Gaponova, G.A. Kachurin, S.G. Yanovskaya, A.I. Kovalev, D.L. Wainstein. The properties of the phosphorus- and boron-doped SiO₂:Si nanostructures. Proceedings of 5^th ISTC (International Science and Technology Center) Seminar "Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology" (May 27-29, 2002, Saint-Petersburg, Russia). P.108-113.

9. D.I. Tetelbaum, S.A. Trushin, A.N. Mikhaylov, V.K. Vasil'ev, G.A. Kachurin, S.G. Yanovskaya, D.M. Gaponova. The influence of the annealing conditions on the photoluminescence of ion-implanted SiO₂:Si nanosystem at additional phosphorus implantation. Physica E. Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2003. V.16. No.3-4. P.410-413. 

10. D.I. Tetelbaum, A.A. Ezhevskii, S.A. Trushin, A.N. Mikhaylov, A.Yu. Azov, A.K. Mukhamatullin, S.E. Akis, D.M. Gaponova. The room temperature photoluminescence of Si nanocrystals in a-Si matrix composite system produced by the irradiation of silicon with ions of high and medium masses. Material Science and Engineering B. 2003. V.101. No.1-3. P.279-282. 

11. Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, Д.И. Тетельбаум, А.Н. Михайлов. Влияние имплантации ионов P на фотолюминесценцию нанокристаллов Si в слоях SiO₂. ФТП. 2003. Т.37. В. 6. С. 738-742. 

12. D.I. Tetelbaum, S.A. Trushin, A.N. Mikhaylov, A.K. Mukhamatullin, D.M. Gaponova. The formation of Si nanocrystals and modification of their properties by the ion-beam procedures. Proceedings of 8^th Japan-Russia International Symposium on Interaction of Fast Charged Particles with Solids (November 24-30, 2002, Kyoto University, Japan). 2003. P.167-171.

13. D.I. Tetelbaum, O.N. Gorshkov, S.A. Trushin, A.N. Mikhaylov, D.G. Revin, D.M. Gaponova, S.V. Morozov, G.A. Kachurin, S.G. Yanovskaya. About the impurity effect in the SiO₂:nc-Si system. Proceedings of Nanomeeting (May 20-23, 2003, Minsk, Belarus). P.37.

14. David I. Tetelbaum, Oleg N. Gorshkov, Alexandr P. Kasatkin, Vladimir A. Burdov, Sergey A. Trushin, Alexey N. Mikhaylov, Daria M. Gaponova. The Luminescent Properties of Ion-Implantation-Fabricated SiO₂:nc-Si Nanostructures Annealed at High Temperatures. Proceeding of MRS 2005 Spring Meeting. 2003. V.777. T5.6. 

15. Д.И. Тетельбаум, А.А. Ежевский, А.Н. Михайлов. Экстремальное поведение концентрации парамагнитных центров, обусловленных оборванными связями в Si, при ионном облучении, как свидетельство наноструктурирования. ФТП. 2003. Т. 37. В. 11. С. 1380-1382.  

Участие студентов и аспирантов в выполнении работы

По тематике проекта защищена диссертация С.А. Трушина «Закономерности формирования и свойства ионно-синтезированных систем на основе нанокристаллических включений кремния в диоксиде кремния и аморфном кремнии» на соискание степени кандидата физико-математических наук (научные руководители Д.И. Тетельбаум, НИФТИ ННГУ, О.Н. Горшков, НИФТИ ННГУ) (сентябрь 2002).

В рамках проекта были выполнены две выпускные квалификационные работы:

А.Н. Михайлов (научный руководитель Д.И. Тетельбаум, НИФТИ ННГУ) и А.С. Осташов (научный руководитель О.Н. Горшков, НИФТИ ННГУ)

А.Н. Михайлов и А.С. Осташов защитили работы на соискание степени магистра физики (июль 2002) и продолжают работу на степень кандидата физико-математических наук.

Источники дополнительного финансирования

1	Программы Минобразования России (Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники, подпрограмма 205, 1999-2004);
2	Гранты РФФИ (№ 00-02-17488, 03-02-17125a и “Поддержка молодых ученых” № 01-02-06397, 01-02-06399, 03-02-06304);
3	Грант INTAS (№ 00-0064).

Призы и награды

1	С.А. Трушин являлся обладателем стипендии имени академика Г.А. Разуваева;
2	А.Н. Михайлов является стипендиатом Президента РФ и академика Г.А. Разуваева;
3	Три доклада А.Н. Михайлова были награждены дипломами и премиями: III и IV Всероссийские конференции молодых ученых по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург (2001, 2002); E-MRS Spring Meeting, Strasbourg (2003).