Формирование, моделирование и анализ полупроводниковых квантово-размерных структур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Медетов, Нурлан Амирович

• Медетов, Нурлан Амирович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Медетов, Нурлан Амирович

Глава 1. Введение. Квантово-размерные структуры на моноатомных и многокомпонентных полупроводниках. Аналитический обзор, обоснование и постановка задачи.

1.1 Наноэлектроника - новое направление электронной техники.

1.2 Современное состояние технологических методов создания полупроводниковых квантово-размерных структур.

1.3 Методы исследования квантово-размерных структур. Возможности выявления эффектов размерного квантования.

1.4 Преимущества квантово-размерных структур при создании приборов и устройств наноэлектроники.

1.4.1 Проявление эффектов размерного квантования в оптических явлениях.

1.4.2 Радиационная стойкость кристаллов с квантовыми точками.

1.4.3 Создание приборов на системах с размерным квантованием.

1.5 Методы математического и компьютерного анализа изображений образцов наноразмерных структур.

1.5.1 Фурье-анализ.

1.5.2 Фрактальный анализ.

1.5.3 Вейвлет анализ.

1.5.4 Сравнение методов математического анализа.

1.6 Выводы по первой главе.

Глава 2. Формирование и анализ квантово-размерных структур Si-Ge полученных методом ионной имплантации.

2.1 Формирование наноразмерных структур.

2.2 Анализ структур методами сканирующей зондовой микроскопии.

2.3 Пространственное распределение внедренных ионов германия с образованием наноразмерных кластеров. ВИМС анализ и Оже спектроскопия высокого пространственного разрешения: результаты анализа.

2.4 Контроль проявления квантово-размерных свойств методом Рамановского рассеяния света.

2.5 Фотолюминесценция на квантовых точках Si-Ge.

2.6 Фрактальный и Фурье анализы синтезированных наноразмерных структур Si-Ge.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Медетов, Нурлан Амирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Диссертация является частью комплексной работы, выполненной группой исследователей с участием автора. В ходе работы были впервые получены наноструктуры дисилицида кобальта на кремнии и наноразмерные системы Si-Ge с помощью ионного синтеза. Исследование свойств кремний -германий нанокластеров показало, что в них реализуется эффект размерного квантования, что подтверждено экспериментами по исследованию спектров Рамановского рассеяния и фотолюминесценции. Для анализа степени упорядоченности массива наноразмерных элементов предложены методы математического анализа, среди которых наиболее перспективным количественным методом оказался метод анализа фрактальной размерности.

Необходимо отметить, что как полученные экспериментальные результаты, так и результаты компьютерного моделирования и связанная с ними методика, основанная на использовании фрактальной размерности, представлены впервые. Часть из них вошла в совместную монографию автора диссертации с научными руководителями, которая на момент её публикации была первым мировым опытом для рассматриваемого направления. Поставленные в работе задачи выполнены полностью. Работа является пионерской, её технико-экономическая эффективность может быть оценена в будущем при получении сравнительных результатов другими коллективами.

Конкретные результаты работы представлены в каждой из глав диссертации. Среди наиболее значительных результатов можно выделить следующие:

1. Впервые показано (на примере C0SÍ2, SiGe), что с помощью ионного синтеза можно формировать наноразмерные структуры.

2. Для наноструктур SiGe продемонстрирована возможность проявления такими структурами квантово размерных эффектов. В частности обнаружена люминесценция на длине волны 1,54 мкм с высокой квантовой эффективностью.

3. Показано, что степень упорядоченности наноразмерных структур может быть охарактеризована количественно путем анализа фрактальной размерности.

4. Проведено моделирование величины фрактальной размерности для структур с меняющимися параметрами. Это моделирование подтвердило эффективность использования фрактальной размерности для количественной оценки степени упорядоченности

Личный вклад автора.

Автор диссертационной работы участвовал в проведении экспериментов, обсуждении полученных результатов и постановке задачи по разработке методики фрактального анализа и модели, объясняющей получаемые результаты. Автором проведено компьютерное моделирование, для которого разработаны соответствующие программы, сформулированы выводы (в каждой главе в отдельности), а также идеи, положенные в основу проведенной работы и предложения по ее развитию. Представленные публикации написаны автором лично.

Выражаю глубокую благодарность моим научным руководителям профессору Герасименко H.H. и профессору Джаманбалину К.К. за помощь оказанную при выполнении этой работы. i» ч

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Медетов, Нурлан Амирович, 2005 год

1. Леденцов H.H., Устинов В.М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры // ФТП. 1998. - Т.32. -№ 4. - С. 385-410.

2. Двуреченский A.B., Якимов А.И. Квантовые точки в системе Ge/Si. // Изв. ВУЗов. Материалы электронной техники. 1999. - № 4. - стр. 4-10.

3. Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский A.B., Соколов Л.В., Никифоров А.И., Якимов А.И., Фойхтлендер Б. Кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками: механизмы образования и электрические свойства // ФТП. 2000. - Т. 34. - С. 1281-1299.

4. Максимов К. С., Герасименко Н. Н., Вернер И. В., Павлюченко М.Н. Эффекты упорядочения при формировании наноструктур на основе SiGe/Si. // Известия вузов. Электроника. 2001. - № 2. - С. 3-16.

5. Болховитянов Ю.Б., Пчеляков О.П., Чикичев С.И. Кремний-германиевые эпитаксиальные пленки: физические основы получения напряженных и полностью релаксированных гетероструктур. // УФН. 2001. — Т. 171. -№7.-С. 689-715.

6. Алферов Ж.И. Формирование квантовых точек InAs в матрице GaAs при росте на разориентированных подложках. // ФТП. 1998. - Т.32. - №1. -С. 3-18.

7. Бухараев A.A. Диагностика поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии. // Заводская лаборатория. 1994. - № 10. -С. 15-26.

8. Бухараев A.A., Овчинников Д.В., Бухараева A.A. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии. // Заводская лаборатория. 1997. - № 5. - стр. 10-27.

9. Хирш П., Хови А., Николсон Р., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов. Москва, Мир. — 1968. - 574 с.

10. Latyshev A.V., Krasilnikov A.B., Aseev A.L. Near surface defects in epitaxialfilms. // Microsc. Res. Technique. 1992. - v. 20. - p. 341-345.

11. Пчеляков О.П., Двуреченский A.B., Марков В.А., Никифоров А.И., Якимов А.И. Прямой синтез наноструктур при молекулярно-лучевой эпитаксии германия на кремнии. // Изв. РАН, сер. физ. 1999. - Т. 63. -№ 2. - С. 228-234.

12. Алешкин В.Я. Бекин Н.А., Калугин Н.Г., Красильник З.Ф., Новиков А.В., Постников В.В., Сейрингер X. Самоорганизующиеся наноостровки германия в кремнии, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. // Письма в ЖТФ. 1998. - Т. 67. - № 1. - С. 46-50.

13. А.В. Двуреченский, А.И. Якимов. Квантовые точки 2 типа в системе Ge/Si //ФТП. 2001. - т. 35. - вып. 9. - С. 1143-1153.

14. С.В. Гапоненко. Электронные процессы в полупроводниковых нанокристаллах (квантовых точках) //ФТП. 1996. - т. 30 - с. 577-619.

15. V. Ya. Aleshkin, N.A. Bekin. The conduction band and selection rules for interband optical transitions in strained Gei.xSix/Ge and GeixSix/Si heterostructures. //J. Phys.: Condens. Matter. 1997. - v.9. - p.4841-4852.

16. V .A. Markov, H.H. Cheng, Chih-ta Chia, A.I. Nikiforov et al. RHEED studies of nucleation of Ge islands on Si(001) and optical properties of ultra-small Ge quantum dots. // Thin Solid Films. 2000. - v.369. - N.l-2. - p. 79-83.

17. L. C. Lenchyshyn, M. L. W. Thewalt, D. C. Houghton et al. Photoluminescence mechanisms in thin SiixGex quantum wells. // Phys. Rev. B. 1993. - v.47.-P.16655-16658.

18. T. Baier, U. Mantz, K. Thonke, R. Sauer, F. Schaffler, HJ. Herzog. // Proc. 22nd Int Conf. on the Phys. Semicond. (Vancouver, 1994), ed. by D.J. Lockwood (World Scientific, Singapore, 1995) v. 2. p. 1568.

19. N.N. Ledentsov, J. Bohrer, M. Beer et al. Radiative states in type-II GaSb/GaAs quantum wells. // Phys. Rev. B. 1995. - v.52. - p.14058-14066.

20. T. M. Бурбаев, Т. H. Заварицкая, В. А. Курбатов и др. Исследование люминесценции и комбинационного рассеяния света сверхтонких слоев германия на кремнии // Изв. РАН, Сер. Физ. 2002. - Т.66. - № 2. - С.154.156.'

21. М.В. Huang, J. Zhu, S. Oktyabrsky. Enhanced radiation hardness of photoluminescence from InAs quantum dots embedded in an AlAs/GaAs superlattice structure // NIMB. 2003. - v.211. - P. 505-511.

22. R. Leon, G.M. Swift, B. Magness et al. Changes in luminescence emission induced by proton irradiation: InGaAs/GaAs quantum wells and quantum dots. // Appl. Phys. Lett. 2000. - v.76. - N. 15 - P. 2074-2076.

23. N.A. Sobolev, A. Cavaco, M.C. Carmo, M. Grundmann et al. Enhanced Radiation Hardness of InAs/GaAs Quantum Dot Structures. // Phys. Stat. Sol. B. 2001. - v.224. - N. 1. - P. 93-96.

24. T. Surkova, A. Patane, L. Eaves et al. Indium interdiffusion in annealed and implanted InAs/(AlGa)As self-assembled quantum dots. // J. Appl. Phys. -2001. v. 89. - N. 11. - P. 6044 - 6047.

25. C. Ribbat, R. Sellin, M. Grundmann, D. Bimberg, N.A. Sobolev, M.C. Carmo. Enhanced radiation hardness of quantum dot lasers to high energyproton irradiation. // Electron. Lett. 2001. - v.37. - N.3 - P. 174 - 175.

26. P.G. Piva, R.D. Goldberg, I.V. Mitchel, D. Labrie, R. Leon, S. Charbonneau, Z.R. Wasilewski, and S. Fafard. Enhanced degradation resistance of quantum dot lasers to radiation damage. // Appl. Phys. Lett. 2000. - v.77. - No.5 - pp. 624-626.

27. Tinkham M. "Coulomb blockade and an electron in a mesoscopic box" // Am. J. Phys. 1996. - № 64. - 343-347.

28. Неизвестный И.Г. Соколова O.B., Шамирян Д.Г. Одноэлектроника. 4.1 // Микроэлектроника. 1999. - Т. 28. - вып. 2. - С. 83-107.

29. Неизвестный И.Г. Соколова О.В., Шамирян Д.Г. Одноэлектроника. Ч.Н. Применение одноэлектронных приборов // Микроэлектроника. 1999. - Т. 2.-вып.З.-С. 163-174.

30. Хакен Г. Синергетика. Москва: Мир. - 1980. - 406 с. (Haken H. Synergetics. An introduction. Non-equilibrium phase transitions and self-organization in physics, chemistry and biology - Berlin, Heidelberg, New

31. York: Springer-Verlag, 1978.)

32. Sherrington I. and Smith E. H., Fourier models of the surface topography of engineering components. // Surface topography. 1988. - v.l. - pp. 167-181.

33. Gomez-Rodriguez J. M., Baro A. M., Salvarezza R. C. Fractal characterization of gold deposits by scanning tunneling microscopy // Journal of Vacuum Science and Technology. 1991. - v.B9. - pp.495^199.

34. Chesters S., Wang H. C., Kasper G. A fractal based method for describing surface roughness and texture // In Proc. of Institute of Environmental Science. -1990. -p.316-322.

35. Chui C.K. An introduction to wavelets. New York: Academic Press. 1992. — 321 p.

36. Герасименко H. H., Протасенко В. В., Вернер И. В., Троицкий В. Ю. Самоорганизация поверхности кремния при ионном синтезе дисилицида кобальта. // Известия вузов. Электроника. 2000. - № 4-5. - с. 80-85.

37. Teichert С., Bean J. С., Lagally М. G. Self-organized nanostructures in Sii.xGex films on Si(001). // Appl. Phys. A. 1998. - v.67. - N.6. - pp. 675-685.

38. Vinh Le Thanh, Yam V., Boucaud P., Fortuna F., Ulysse C., Bouchier D., VervoortL., Lourtioz J.-M. Vertically self-organized Ge/Si(001) quantum dots in multiplayer structures. // Phys. Rev. B. 1999. - v.60. - N.8. - p. 5851-5857.

39. Kumar Sunil, Trodahi HJ. Raman spectroscopy studies of progressively annealed amorphous Si/Ge superlattices. // J. Appl. Phys. 1991. - v.70(6). -pp.3088-3092

40. Бурбаев Т.М., Заварицкая Т.Н., Курбаров В.А., Мельник Н.Н., Цветков В.А., Журавлев К.С., Марков В.А., Никифоров А.И. Оптические свойства монослоев германия на кремний. // ФТП. 2001. - т. 35. - №8. -стр. 979-984

41. Alonso M.I., Winner К. Raman spectra of oSii.xGex alloys. // Phys. Rev. B. -1989. v.39. - p. 10056-10062,

42. Баллах М.Я., Востоков H.B., Гусев C.A., Дроздов Ю.Н. и др. Влияние диффузии Si на рост, параметры и фотолюминесценцию самоорганизующихся островков GeSi/Si(001). // Известия АН. Серия Физическая. 2002. - т. 66. - №2. - стр. 161-164.

43. L.E. Brus. Electron-electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state // J. Chem. Phys. 1984. - v.80. - No.9. - 4403-4409.

44. Frank Tinjod and Henri Mariette. Self-assembled quantum dot formation induced by surface energy change of a strained two-dimensional layer. // Phys. stat. sol. (b). 2004. - v.241. - No.3. - pp. 550-557.

45. Murarka Sh. Silicide thin films and their applications in microelectronics. RPI, Troy, NY 12180, USA, 1994.

46. Dvurechensky A.V., Gerasimenko N.N., Romanov S.I., SmirnovL.S. High dose effects in ion implantation. // Radiation Effects. 1976. - v.30. - p. 69-78.

47. Gerasimenko N. N., Troitski V. Yu., Pavluchenko M. N., Djamanbalin К. K. Nanostructured CoSi2 Layers Formed on Si with High Density Co+ Ion Beams // Surf, and Coating Tech. -2002. V.158-159. - pp. 416^120

48. Brongersma S.H. Self-organised wire growth using ion-implanted reservoirs. // Proc. of International Conference of IBMM98. Amsterdam. - 1998.

49. Tersoff J., Tromp R.M. Shape transition in growth of strained islands: spontaneous formation of quantum wires. // Phys. Pev. Lett. 1993. - v. 70. -p. 2782-2785.

50. Герасименко H.H., Павлюченко M.H., Джаманбалин K.K. Сайфутдинова JI.P. Фрактальный анализ поверхности CoSi2, полученной ионным синтезом // Изв. Вузов. Электроника. 2002. - №6. - 35-39.

51. HedmanA. Surface Characterization and Applications to Atomiuc Force Microscopy. Graduate diploma thesis. HLU-TH-EX-1994/72-E-SE.

52. Сальникова E.M., Мартюшев JI.M. К вопросу об определении параметра порядка для морфоанализа двумерных структур // Письма в ЖТФ. 2001. - Т.27. - вып.7. - С.80-89

53. Герасименко Н.Н., Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Самоорганизованные наноразмерные структуры на поверхности и в объеме полупроводников. -Алматы: Издательство «LEM». 2002. - 192 с.

54. Джаманбалин К.К., Медетов Н.А. Формирование нитридных слоев в различных материалах с помощью ионного синтеза // Сб. научн. трудов «Проблемы науки России и Казахстана на стыке тысячелетия». 2002. -Челябинск. - С. 36 - 42.

55. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Самоорганизация в облученных материалах. Тез. докл. IV межд. конф. «Ядерн. и радиац. физика». Алматы. 15-17 сентября, 2003. - С. 213-214.

56. Герасименко H.H., Джаманбалин К,К., Медетов H.A. Формирование наноразмерных структур в кремнии путем внедрения ионов германия. // Научный журнал Министерства образования и науки PK «Поиск. Серия естественно-техническая». 2004. - №1. - С. 190-195

57. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Образование собственных нанокристаллов в монокристаллическом кремнии. // Вестник Казахского национального технического университета. 2003. - №3-4. -с.287-289

58. Герасименко H.H., Джаманбалин К.К., Медетов H.A. Фрактальный анализ упорядоченности поверхностных микроструктур // Научный журнал Министерства образования и науки PK «Поиск. Серия естественно-техническая». 2004. - №4. - С. 156-162

59. С.А.Апрелов, Г.Н.Гайдуков, Н.Н.Герасименко, Н.А.Медетов. Фрактальный анализ упорядоченности поверхностных микроструктур // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. 2005. - №2. - С.25-31.