Формирование, структура и оптические свойства нанокомпозитных систем Ge в пористой матрице Al2O3 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Бельтюков, Артемий Николаевич

• Бельтюков, Артемий Николаевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Бельтюков, Артемий Николаевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Германий и его свойства

1.2. Нанокластеры германия в оксидных матрицах

1.2.1. Формирование нанокомпозитных систем ОепС@ох1с1е

1.2.2. Фотолюминесцентные свойства системы ОепС@ох1с1е

1.3. Пористый оксид алюминия

1.3.1. Методы синтеза

1.3.2. Пористый оксид алюминия в нанотехнологиях

1.4. Выводы по главе 1, постановка цели и задач

Глава 2. Приборы и методы

2.1. Осаждение пленок методом термического испарения

2.2. Атомно-силовая микроскопия - контроль толщины и шероховатости покрытий

2.3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

2.4. Спектроскопия диффузного отражения

2.5. Фотолюминесцентная спектроскопия

2.6. Выводы по главе 2

Глава 3. Установка для вакуумно-термического напыления. Исследование режимов осаждения пленок германия

3.1. Модернизация установки ЬА8-2000 для синтеза пленок ве методом термического напыления

3.2. Качественная оценка химического состава остаточной среды установки ЬА8-2000

3.3. Степень однородности покрытия при термическом напылении

3.4. Анализ химического состава пленок германия

3.5. Выводы по главе 3

Глава 4. Нанокомпозитные системы Genc@AAO: получение, исследование

структуры и морфологии

4.1. Синтез пористых матриц ААО

4.2. Особенности термического напыления Ge на матрицу ААО

4.3. Кристаллическая структура нанокомпозитной системы Genc@AAO

4.4. Исследование морфологии нановключений Ge в нанокомпозитной системе Genc@AAO

4.5. Выводы по главе 4

Глава 5. Оптические свойства нанокомпозитной системы GenC@AAO

5.1. РФЭС исследования границы раздела Ge„c/AAO

5.2. Спектры оптического поглощения Genc@AAO

5.3. Фотолюминесценция Genc@AAO

5.4. Выводы по главе 5

Заключение

Список работ соискателя

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование, структура и оптические свойства нанокомпозитных систем Ge в пористой матрице Al2O3»

Введение

Развитие электроники, начиная с середины XX века, идет по пути геометрической миниатюризации, подразумевающей увеличение количества элементов на одном кристалле (чипе), что в основном достигается за счет уменьшения технологической нормы, фактически - размера транзистора. На данный момент ведущими компаниями производителями микросхем достигнут 22 нм техпроцесс, и ведется разработка 14 им техпроцесса. Однако главная идея масштабируемой миниатюризации, заключающаяся в уменьшении геометрических размеров микроэлектронных компонентов с сохранением электрических и улучшением их функциональных характеристик, сталкивается с рядом проблем. Уменьшение активной области транзисторов и увеличение степени их интеграции ведет к возрастанию токов утечки и как следствие к возрастанию энергопотребления и тепловыделения. Возрастание быстродействия; интегральных схем с уменьшением технологической нормы так же увеличивает тепловыделение. Кроме того, дальнейшее увеличение быстродействия ограничивается проблемами миниатюризации металлических соединений. В современных интегральных схемах временные задержки в основном определяются уже не активными элементами, а линиями межсоединений; выполняющими роль паразитных емкостей. Таким образом, максимальная скорость распространения электрического сигнала определяется временем перезарядки линии, которое с уменьшением толщины проводника в к раз увеличивается в Л2 раз [1].

Одним из направлений дальнейшего развития электроники, решающего проблему повышенного тепловыделения и ограничения быстродействия, является интеграция оптических и электронных модулей на одном чипе. Это позволяет снизить тепловыделение и повысить скорость обмена данными. Уже сейчас компания Intel создала прототип первой в мире гибридной оптической системы передачи данных на основе кремния с пропускной способностью канала до 50 Гбит в секунду [2]. В связи с этим становится актуальной задача разработки и

исследования оптических свойств новых систем и материалов, совместимых со стандартной планарной технологией.

Германий (Се) является одним из традиционных материалов полупроводниковой электроники. Однако, вследствие непрямозонного строения энергетической диаграммы германий, как и кремний, не обладает эффективной межзонной люминесценцией. Поэтому в оптике его применение сводилось к использованию в качестве пассивных элементов (окна, линзы) ИК-оптики, отражающего покрытия оптоволокна, подложек солнечных батарей на основе АЗВ5 [3]. С другой стороны, небольшая разница между прямыми и непрямыми переходами (0,15 эВ) оставляет возможность на повышение вероятности прямых переходов. Считается, что существует три основных подхода для достижения этой цели - квантовое ограничение (создание квантовых ям и точек), выращивание напряженных слоев, сильное легирование [4].

В ряде работ [5, 6, 7] было показано, что нанокристаллические включения» германия в диэлектрических оксидных матрицах люминесцируют в видимой области при комнатной температуре. На положение и интенсивность полос., излучения влияет как материал матрицы, так и способ получения нанокомпозитной системы, режимы отжига, размеры включений. В качестве механизма люминесценции в различных работах авторы предполагают квантовое ограничение электронно-дырочных пар в нанокристаллитах германия, наличие дефектов на границе раздела включений с матрицей или совместное влияние данных эффектов.

Основными методами создания таких систем являются магнетронное распыление, ионная имплантация, окисление эпитаксиальных пленок с последующими этапами отжига. Однако данные методы не позволяют контролировать упорядочение и форму включений. Для достижения подобных целей возможно применение методов темплатного синтеза. Одним из перспективных материаллов, использующихся в качестве темплата, считается пористый оксид алюминия, поученный с помощью анодного окисления.

Анодный оксид алюминия (anodic aluminum oxide - ААО), синтезированный в определенных условиях, представляет собой матрицы с цилиндрическими порами, имеющими строго гексагональное расположение в пределах зерна. Диаметр формирующихся при анодном окислении пор в зависимости от используемого электролита и приложенного напряжения варьируется от 5 нм до 10 мкм, что представляет широкие возможности для формирования геометрии наноструктур. К настоящему моменту существует ряд работ посвященных использованию пористого оксида алюминия для синтеза наноточек, нанонитей, наностержней и нанотрубок различными методами - золь-гель технологии, электрохимическое осаждение, молекулярно-лучевая эпитаксия, магнетронное напыление, химическая парофазная эпитаксия и др. [8]. В данной работе предлагается использовать метод термического напыления германия в сверхвысоком вакууме для заполнения пор анодного оксида алюминия и формирования тем самым нанокомпозитной системы GenC@AAO. Поверхность^ ААО не монокристаллическая, обладает значительной шероховатостью. Эпитаксиальный рост на такой поверхности невозможен. Поэтому для; формирования наноструктур в порах ААО оказывается достаточным осаждения материала при термическом напылении без излишней функциональности, установок молекулярно-лучевой эпитаксии. При этом наряду с более простой и, следовательно, более дешевой конфигурацией, наблюдаются высокие скорость осаждения с сохранением чистоты получаемых образцов.

В литературе данные по синтезу и исследованию люминесценции нанокомпозитной системы Genc@AAO отсутствуют. Между тем использование пористого AI2O3 позволяет создавать упорядоченные массивы наноструктур различной формы контролируемого размера, что является определенным преимуществом для практических приложений и может помочь в определении механизма фотолюминесценции. Все это определяет актуальность настоящей работы.

Таким образом, целью настоящей работы является разработка методики синтеза нанокомпозитной системы GenC@AAO с включениями различной

морфологии методом вакуумного термического напыления и исследование их структуры и оптических свойств.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и создание камеры вакуумного термического напыления для осаждения пленок и наноструктур ве;

2. Получение матриц анодного АЬОз с различными характеристиками пористой структуры (диаметр пор и расстояние между их центрами);

3. Разработка методики формирования нанокомпозитных систем СепС@ААО с включениями различной морфологии

4. Исследование состава, структуры и морфологии нанокомпозитных систем Сепс@ААО;

5. Исследование характеристик оптического поглощения и фотолюминесценции нанокомпозитных систем СепС@ААО во взаимосвязи со структурными и морфологическими особенностями.

/ »

• /

Научная новизна:

В работе впервые:

1. Предложена методика получения нанокомпозитных систем СепС@ААО с включениями различной морфологии на основе метода термического напыления материала на матрицы анодного А^Оз с различными характеристиками пористой структуры;

2. Установлены закономерности формирования структуры и морфологии нанокомпозитов Сепс@ААО в зависимости от пористой структуры матриц анодного А1203 и режимов напыления;

3. Установлено влияние структурных и морфологических особенностей нановключений германия на характеристики оптического поглощения и фотолюминесценции нанокомпозитных систем Сепс@ААО.

г

Научная и практическая ценность работы:

1. Разработана и изготовлена камера термического напыления для получения пленок и наноструктур ве в условия сверхвысокого вакуума с контролируемой скоростью осаждения;

2. Разработана методика, позволяющая получать наноструктуры различной морфологии (наностержни или нанотрубки) в зависимости от характеристик пористой структуры матрицы (диаметр пор и расстояние между их центрами);

3. Определено влияние размерных эффектов на положение края оптического поглощения и поверхностных дефектов на фотолюминесцентные свойства нанокомпозитных систем СепС@ААО;

4. Предложенная методика формирования наноструктур полупроводников в диэлектрической матрице анодного А120з может быть использована в технологиях создания устройств наноэлектроники и нанооптики, таких как источники и детекторы видимого и ИК излучения.

»

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика формирования нанокомпозитных систем СепС@ААО с включениями различной морфологии на основе метода термического напыления материала на матрицы анодного А120з с различными характеристиками пористой структуры;

2. Закономерности формирования структуры и морфологии нанокомпозитов Сепс@ААО в зависимости от пористой структуры матриц анодного А120з и режимов напыления;

3. Влияние структурных и морфологических особенностей нановключений германия на характеристики оптического поглощения и люминесценции нанокомпозитных систем СепС@ААО.

Личный вклад автора:

Диссертация является самостоятельной работой, обобщившей результаты, полученные лично автором и в соавторстве. Разработка камеры термического напыления, внутрикамерной оснастки и модернизация сверхвысоковакуумной установки LAS-2000 (Riber) велась совместно с В.М. Ветошкиным. Все образцы получены лично автором. Экспериментальные исследования проводились самим автором, либо при его непосредственном участии. Анализ, обработка результатов и подготовка публикаций проводились совместно с соавторами. Цель и задачи работы поставлены научным руководителем Р.Г. Валеевым.

Апробация результатов работы:

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII Национальная конференция РСНЭ-НБИК (г. Москва, 2009), VIII и X Всероссийская школа-конференция молодых ученых (г. Ижевск 2010, 2013), XTV Национальная конференция по росту кристаллов (г. Москва, 2010), EMRS Fall Meeting (г. Варшава, 2013), XX Всероссийская^ конференция студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-20 (г. Ижевск, 2014), II Всероссийской научной молодежной конференции «Актуальные проблемы, нано- и микроэлектроники» (г. Уфа, 2014).

Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, из них 4 работы опубликовано в изданиях рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ, 1 патент и 6 тезисов докладов. Список работ приводится в конце диссертации.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Содержание диссертации изложено на 119 страницах машинописного текста, включая 56 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список содержит 88 наименований.

«

Глава 1. Литературный обзор 1.1. Германий и его свойства

Функциональные возможности и рабочие параметры полупроводниковых приборов в первую очередь зависят от физических свойств используемых материалов. Кристаллическая и энергетическая структура, электрические и оптические свойства определяют применение полупроводника в конкретном приложении. В данном разделе рассматриваются основные физические свойства германия как материала электроники и оптоэлектроники.

Германий находится в одной подгруппе периодической системы Д.И. Менделеева с кремнием и имеет одинаковую с ним кристаллическую структуру. Его внешняя электронная оболочка содержит четыре валентных электрона, участвующих в образовании ковалентной связи. Каждый атом «делит» свои* внешние электроны с четырьмя ближайшими соседями, располагающимися в вершинах тетраэдра. В результате возникает алмазоподобный тип кристаллической решетки (Рисунок 1). Решетка является кубической и при нормальных условиях ее постоянная составляет 5,65748 А [9]. Основополагающими параметрами полупроводниковых материалов в электронике являются ширина запрещенной зоны, концентрация и подвижность носителей заряда, диэлектрическая проницаемость и теплопроводность. В частности ширина запрещенной зоны базы биполярного транзистора определяет минимальное рабочее напряжение. Концентрации и подвижности носителей отвечают за быстроту переключения транзистора. Диэлектрическая проницаемость влияет на емкостные характеристики. А высокая теплопроводность обеспечивает эффективное рассеяние тепла и поддержание рабочих параметров [10]. В Таблице 1 представлены данные для трех важнейших полупроводников при комнатной температуре: германия (Се), кремния (80 и арсенида галлия (СаАз).

Рисунок 1. Кристаллическая структура германия. Кубическая решетка типа алмаза, а - постоянная решетки (5,65748 А).

Таблица 1. Физические свойства Ое, 81, ваАз [11]

Свойства ве 81 СъАъ

Ширина запрещенной зоны, эВ 0,66 1,09 1,4

Концентрация собственных носителей пи см'3 2,4-1013 1,510ю 2,5 106

Подвижность электронов ¡лп, см2/в-сек 3900 1300 8800

Подвижность дырок /лр, см2/в сек 1900 500 400

Диэлектрическая проницаемость ег 16 11,8 12,5

Теплопроводность <т, кал/см град сек 0,14 0,36 0,13

Эффективная масса ш*/шо электронов т, 1,58 тт 0,082 т, 0,97 т^ 0,19 0,068

дырок Щр1 0,04 т0, 0,3 Щр10,16 тр, 0,5 тр1 0,12 тр{0,5

Высокая концентрация и подвижность носителей заряда долгое время оставляли германию место в высокочастотных приложениях. Однако значительные успехи в кремниевой планарной технологии, а позже и ваАБ технологии вытеснили на некоторое время ве приборы с рынка. В последнее же время значительно возрос интерес к СВЧ устройствам на основе твердого сплава 81Се. Добавление германия в базу кремниевого п-р-п транзистора при небольшом удорожании производства позволяет значительно улучшить его характеристики. Из-за уменьшения ширины запрещенной зоны увеличивается разрыв границ валентной зоны в переходе база эмиттер, что сокращает инжекцию дырок в эмиттер и приводит к увеличению коэффициента его эффективности. А вследствие возрастания подвижности в п- и р- канале улучшаются частотные характеристики, ограниченные для кремниевого транзистора 10 ГГц. В тоже время уменьшается пробивное напряжение и мощностные показатели. Поэтому БЮе-приборы используются в маломощных устройствах с низким 1 энергопотреблением (сотовые телефоны, карманные и переносные компьютеры) [12].

Применение германия в оптике обусловлено широким окном прозрачности в ИК области - от 2 до 23 мкм (Рисунок 2). Его используют в качестве окон и линз тепловизионной техники, в качестве рабочего кристалла в спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения, подложек для производства светофильтров и солнечных батарей на основе АЗВ5 [3]. Кроме пассивных элементов оптики на основе германия изготавливаются фотодиоды, которые хотя и уступают по своим параметрам фотодиодам на основе гетероперехода 1пСаАз/1пР, но дешевле в производстве [13].

J_I_I_I I_I I I I 1— I

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 X, мкм

2 4

Рисунок 2. Спектр пропускания германия

Энергетическая зонная диаграмма германия имеет сложную форму (Рисунок 3). Смещение дна зоны проводимости (долина Ь) относительно потолка валентной зоны определяет формирование непрямой запрещенной зоны. Однако в зоне проводимости имеется прямая долина Г9 расположенная всего на 0,15 эВ выше основного минимума. Таким образом, при соответствующем возбуждении можно получить как непрямую, так и прямую излучательную рекомбинацию. Непрямое излучение возможно только с участием фонона, а на интенсивность прямого влияют два процесса. Безызлучательная релаксация электронов из прямой долины в непрямую к наинизшим энергиям и сильное поглощение фотонов с более высокой энергией при прямых переходах [14]. В связи с этим прямозонное излучение достаточной интенсивности наблюдается только в тонких образцах. На Рисунке 4 представлены спектры фотолюминесценции германия при комнатной температуре объемного образца с учетом и без учета поправки на самопоглощение и пленки германия толщиной 5 мкм, полученной методом химического парофазного осаждения на подложку кремния [15]. В пленке пик люминесценции, соответствующий прямым переходам, смещен по сравнению с объемным образцом. Данный сдвиг вызван напряжениями в кристаллической решетке, возникающими вследствие несоответствия параметра решетки в пленке и подложке и приводящими к искажению зонной структуры.

Рисунок 3. Схематическое изображение энергетической зонной структуры германия и возможные процессы излучательной рекомбинации.

^ - энергия фотона при непрямозонной рекомбинации, А«/ - энергия фотона при прямозонной рекомбинации, Ер - энергия, отданная решетке (фононная энергия), Ег - ширина запрещенной зоны.

Рисунок 4. Спектры комнатной фотолюминесценции германия:

Bulk Ge - объемного образца германия, Bulk Ge corrected - объемного образца германия с

поправкой на самопоглощение, Ge film - пленка германия [15].

Несмотря на то, что в тонких пленках удается повысить интенсивность прямозонного излучения, германий в целом обладает низкой эффективностью люминесценции по сравнению с прямозонными полупроводниками. Вероятность безызлучательного перехода на несколько порядков больше вероятности перехода с испусканием фотона. На безызлучательную рекомбинацию влияют следующие процессы: Оже-эффект, поверхностная рекомбинация и эмиссия фононов. Кроме того гашение люминесценции может происходить на дефектах решетки и включениях [14].

Считается, что кроме тонких напряженных слоев эффективность люминесценции германия может быть повышена в сильно легированных структурах и наноразмерных кристаллитах за счет квантового ограничения [4]. В случае сильного легирования донорными примесями занятые состояния в непрямой долине выравниваются с состояниями в прямой долине и излучательные переходы могут осуществляться без участия фононов [14, 16] г Однако и в этом случае основным лимитирующим фактором остается наличие дефектов в кристаллической структуре, что требует отработки технологии.-выращивания слоев с низкой концентрацией дефектов.

Наноструктурирование германия является одним из наиболее интересных и радикальных подходов к повышению эффективности люминесценции; позволяющее, кроме всего, сдвинуть максимум излучения в коротковолновую область. Е. Каянума в своей теоретической работе показал, что электронно-дырочное взаимодействие в полупроводниковых микрокристаллах может приводить к высокоэнергетическому сдвигу в спектрах поглощения и люминесценции [17]. «Голубое» смещение в спектрах поглощения германия впервые наблюдалось в работе Р. Хаяши с коллегами [18]. Образцы, полученные методом магнетронного распыления, представляли собой пленки кварца с включениями нанокристаллитов (НК) германия. Данный подход в виду его совместимости с планарными технологиями считается одним из наиболее перспективных в решении проблемы совмещения электронных и оптических компонентов на одном чипе.

1.2. Наиокластеры германия в оксидных матрицах

1.2.1. Формирование нанокомпозитных систем Се„с@ох111е

Методы синтеза композитной системы, представляющей собой нанокристаллические включения германия в диэлектрической оксидной матрице (Сепс@ох1с1е), можно разделить на две группы — методы осаждения и ионная имплантация. К методам осаждения относятся магнетронное распыление (как высокочастотное, так и при постоянном токе), лазерное и электронно-лучевое распыление, химическое парофазное осаждение (ХПО) и молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ).

Методы осаждения. Как уже отмечалось выше впервые особенности, связанные со сдвигом спектра поглощения германия в коротковолновую область, наблюдались на пленках кварца с нановключениями кристаллитов германия, полученных методом высокочастотного магнетронного распыления [18]. Данный подход может быть использован для синтеза различных нанокомпозитных систем с различными вариациями матрицы и включений, и в общем случае состоит в следующем. Высокочастотное распыление происходит при пониженном давлении в среде инертного газа (обычно аргона). Одновременно распыляются две или чаще одна составная мишень из оксида и германия. Использование магнетрона на постоянном токе не позволяет производить распыление диэлектрической мишени вследствие заряда ее поверхности. Поэтому для напыления оксидных пленок в качестве рабочего газа используется смесь аргона с реактивным газом. При этом в процессе осаждения идет химическая реакция соединения распыляемого материала с кислородом с образованием оксида на поверхности подложки [19]. Содержание германия в пленке контролируется изменением его содержания в мишени.

Структура и фазовый состав полученных пленок зависит от многих параметров: температура и тип подложки, содержание германия, состав оксидной матрицы, парциальное давление реакционного газа и мощность, подаваемая на

магнетрон. В большинстве работ напыление производится при температуре подложки ниже 100 °С, что приводит к образованию аморфной структуры [5, 20, 21, 22]. В полученных пленках различными методами обнаруживаются отдельные кластеры германия, а в случае большого парциального давления реакционного газа, и его оксида [7]. При этом размер кластеров увеличивается с возрастанием мощности на магнетроне и содержанием германия, и может изменяться от 2 нм до 20 нм и более [20]. Так Нгуен и др., используя ВЧ распыление мишеней Се и ЭЮг, получили слои 81СеО с различным содержанием германия [22]. Отжиг при 800 °С привел к формированию однородно распределенных кристаллитов размером 5 -10 нм в слое с высоким содержанием германия (40 %) и 3 - 5 нм в слое с низким содержанием германия (12 %) (Рисунок 5).

Рисунок 5. ВРЭМ изображение SiGeO слоев.

Layer 1 - буферный слой кварца, Layer 2 - слой с НК Ge 5 - 10 нм, Layer 3 - слой с НК Ge 3 - 5 нм [22].

Влияние температуры отжига обусловлено механизмом Оствальдовского созревания, когда образование крупных зерен новой фазы происходит за счет растворения более мелких [23]. Повышение температуры отжига приводит к

кристаллизации преципитатов. При этом так же наблюдается увеличение их среднего размера.

Исследования пленок 0е-81-0, полученных ВЧ распылением в работе Маеда с коллегами [5], методами высокоразрешающей растровой электронной микроскопии (ВРЭМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) показали, что до отжига структура образцов соответствует аморфному кварцу, хотя и наблюдаются фазы чистого германия и его оксида. После отжига при 800 °С в атмосфере аргона почти весь 0е02 разлагается в ве с образованием сферических кристаллитов размером 6 - 8 нм (Рисунок 6).

с =

в

(а) ак-с1еро51гес!

35.0

33.0 31.0 29.0 Втс!т§ Епегуу (еУ)

5пш

Рисунок 6. РФЭС спектры образца и соответствующие им изображения ВРЭМ (справа) до отжига (а) и после отжига (Ь) [5]

Восстановление германия при отжиге обусловлено относительно низкой свободной энергией Гиббса 0е02 (-521,4 кДж/моль) по сравнению с 8Ю2 (-799,3 кДж/моль). Для оксидов алюминия А12Оэ и гафния НЮ2 энергия Гиббса еще выше (-1582,3 кДж/моль и -1088,2 кДж/моль соответственно) [24]. Это определяет общие закономерности формирования нанокомпозитной системы в данных оксидах. Однако, в связи с отличием коэффициента диффузии германия, во время отжига при одной и той же температуре средний размер кристаллитов оказывается минимальным для кварца и максимальным для оксида гафния [25]. В соответствии с механизмом Оствальдовского созревания укрупнение включений наблюдается с увеличением температуры (Рисунок 7).

Рисунок 7. ПЭМ изображения НК Ое в матрице А1203 (а - отжиг 800 °С, Ь - отжиг 900 °С) и НЮ2 (с - отжиг 800 °С, с1 - отжиг 900 °С) [25]

Нанокристаллиты германия однородно заполняют оксидную матрицу (Рисунок 7). Распределение по размерам, имеющее форму Гаусса, довольно широкое и может составлять на полувысоте до 50% от среднего размера. Более

узкое распределение, а также упорядоченный рост нанокристаллов ве наблюдался в работе Буляна с коллегами [26]. Методом ВЧ магнетронного напыления авторы работы получили на подложке кремния пленку, содержащую чередующиеся слои чистого А1203 и слои ве + А1203.

Мультислойная система (Рисунок 8) толщиной около 600 нм содержит 20 различных слоев. В слоях нанокристаллиты распределяются в порядке АВАВ, образуя на поверхности квадратную решетку. Наблюдающееся упорядочение авторы объясняют влиянием морфологии поверхности. Первый слой, находящийся в контакте с подложкой кремния наследует несколько искаженную гексагональную структуру решетки вследствие несбалансированной диффузии адатомов, вызванной взаимодействием поверхности с кластерами германия [27]. На рост следующих слоев влияют только самые верхние точки массива островков нижнего слоя. Постепенно на поверхности выстраивается квадратная решетка, а вышележащие кластеры формируются между двумя максимумами нижнего слоя. С повышением количества слоев степень упорядочения так же повышается [28].

РНт А

» БигГасе

# «

щ ш <

■ Ш ш I г *

20 пт

Рисунок 8. ВРЭМ изображение поверхности и поперечного сечения мультислойной системы А1203 / (Се + А1203) [26]

Наиболее близок к магнетронному распылению метод лазерного напыления. Распыление происходит за счет взаимодействия мощного импульсного лазерного излучения с материалом мишени. К преимуществам метода относится высокая чистота и стехиометрия получаемых пленок [29]. К тому же на материал мишени не накладывается практически никаких ограничений - распыление возможно как для металлов, так и для диэлектриков и многокомпонентных систем. Главным ограничением в выборе материала является слабое поглощение или сильное отражение лазерного излучения. К недостаткам также можно отнести невысокие скорости напыления и небольшая область однородности по толщине, обусловленная малым геометрическим размером факела продуктов распыления [30].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бельтюков, Артемий Николаевич, 2015 год

Литература

1. Зебрев, Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: учебное пособие для вузов / Г.И. Зебрев - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.

2. White Paper Intel Labs July 2010. The 50G Silicon Photonics Link // www.intel.com/go/sp.

3. Наумов, A.B. Мировой рынок германия и его перспективы / А.В. Наумов // Известия вузов. Цветная металургия. №4 2007.

4. Cheng S.L. Room temperature 1.6 pm electroluminescence from Ge light emitting diode on Si substrate / S.L. Cheng , J. Lu , G. Shambat , H.Y. Yu , K. Saraswat , J. Vuckovic, Y. Nishi // Optics Express 17, 10019,2009.

5. Maeda Y. Visible photoluminescence of Ge microcrystals embedded in Si02 glassy matrices / Y. Maeda, N. Tsukamoto, Y. Yazawa //Appl. Phys. Lett. 1991. V.59. P.3168.

6. Paine D. C. Visible photoluminescence fro nanocrystalline Ge formed by Hz reduction of Si0,6Ge0,4O2 / D. C. Paine, C. Caragianis, T. Y. Kim // Appl. Phys. Lett. 1993. V.62. P.2842.

7. Zacharias M. Blue luminescence in films containing Ge and Ge02 nanocrystals: The role of defects / M. Zacharias, P. M. Fauchet // Appl. Phys. Lett. 1997. V.71. P.380.

8. Poinem G. E. J. Progress in Nano-Engineered Anodic Aluminum Oxide Membrane Development / G. E. J. Poinern, N. Ali, D. Fawcett // Materials 2011,4,487-526.

9. Шалимова K.B. Физика полупроводников / K.B. Шалимова // M.: Энергия, 1976. - 416 с.

10. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: в 2 книгах. Кн. 1. М.: МИР, 1984. - 456 с.

11. Уотсон Г. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение /С. Зи - М.: МИР, 1972.

12. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Состояние и перспективы / И. Шахнович - ЭЛЕКТРОНИКА:НТБ, 2005, №5, с.58-64.

13. Филачев A.M. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы / A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков -М.: Физматкнига, 2007. —384 с.

14. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках / Ж. Панков - М.: МИР, 1973. - 456 с.

15. Arguirov Т. Room temperature luminescence from Germanium / Т. Arguirov, M. Kittler, N. V. Abrosimov // Journal of Physics: Conference Series 281,2011.

16. Liu J. Tensile-strained, n-type Ge as a gain medium for monolithic laser integration on Si / J. Liu, X. Sun, D. Pang, X. Wang, L. C. Kimerling, T. L. Koch, J. Michel // Opt. Express 15, 11272-11277, 2007.

17. Kayanuma Y. Quantum-size effects of interacting electrons and holes in semiconductor microcrystals with spherical shape/ Y. Kayanuma // Phys. Rev. B, Vol. 38, No. 14, 1988.

18. Hayashi R. Preparation and Properties of Ge Microcrystals Embedded in Si02 Glass Films / R. Hayashi, M. Yamamoto, K. Tsunetomo, K. Kohno, Y. Osaka, H. Nasu // Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 29, No. 4, pp 756-759, 1990.

19. Черняев B.H. Физико-химические процессы в технологии РЭА / В.Н. Черняев // — М.: Высш. Шк., 1987-376 с.

20. Zacharias М. Ge nanocrystals with a sharp size distribution: A detailed study of the crystallization of a-Sil-xOxGey alloy films / M. Zacharias, J. Bliising, J. Christen, U. Wendt // Journal of Non-Crystalline Solids, 198-200 (1996) 919-922.

21. Das S. Optical and electrical properties of undoped and doped Ge nanocrystals / S. Das, R. Aluguri, S. Manna, R. Singha, A. Dhar, L. Pavesi, S. K. Ray // Nanoscale Research Letters 2012, 7:143.

22. Nguyen P. D. Quantum confinement of volume plasmons and interband transitions in germanium nanocrystals / P. D. Nguyen, D. M. Kepaptsoglou, R. Erni, Q. M. Ramasse, A. Olsen // Physical Review В 86,245316, 2012.

23. Cosentino S. The role of the surfaces in the photon absorption in Ge nanoclusters embedded in silica/ S. Cosentino, S. Mirabella, M. Miritello, G. Nicotra, R.L. Savio, F. Simone, C. Spinella, A. Terras // Nanoscale Research Letters 2011, 6:135.

24. Weast R.C. In CRC Handbook of Chemistry and Physics: A Ready-Reference Book'of Chemical .. and Physical Data. 70 edition. Edited by: Weast R.C., Lide D.R., Astle M.J., Beyer W.H. Boca Raton: CRC; 1990.

25. Ray S. K. Structural and optical properties of germanium nanostructures on Si(100) and embedded in high-k oxides / S. K. Ray, S. Das, R. K. Singha, S. Manna, A. Dha // Nanoscale Research Letters 2011,6:224.

26. Buljan M. Self-assembling of Ge quantum dots in an alumina matrix / M. Buljan, S. R. C. Pinto, A. G. Rolo, J. Martin-Sanchez, M. J. M. Gomes, J. Grenzer, A. Mucklich, S. Bemstorff, V. Holy // Phys. Rev. В 82,235407,2010.

27. Ratto F. Diffusion Dynamics during the Nucleation and Growth of Ge=Si Nanostructures on Si(lll) / F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S. K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei // PRL 96,096103,2006.

28. Buljan M. Ge quantum dot lattices in A1203 multilayers / M. Buljan, N. Radic, M. Ivanda, I. Bogdanovic-Radovic, M. Karlusic, J. Grenzer, S. Prucnal, G. Drazic, G. Pletikapic, V. Svetlicic, M. Jercinovic, S. Bemstorff, V. Holy // J Nanopart Res, 2013, 15:1485.

29. Талонов C.B. Сверхрешетки с неориентированными барьерными слоями / С.В. Талонов, Б.М. Лускин, Н.Н. Салащенко // Письма в ЖЭТФ, 33, 533, 1981.

30. Кузанян А.С. Лазерное напыление большеразмерных тонких пленок / А.С. Кузанян, В.А. Петросян, С.Х. Пилосян, В.М. Нестеров // Квантовая электроника, 41, №3,2011.

31. Das S. Electroluminescence and charge storage characteristics of quantum confined germanium nanocrystals / S. Das, R. K. Singha, A. Dhar, S. K. Ray, A. Anopchenko, N. Daldosso, L. Pavesi // Journal of Applied Physics 110, 024310,2011.

32. Курузина И.А. Нанокристаллические интерметаллидные и нитридные структуры, формирующиеся при ионно-плазменном воздействии / И.А. Курузина, Э.В. Козлов, Ю.П. Шаркеев, С.В. Фортуна, Н.А. Конева, И.А. Божко, М.П. Калашников // Томск: НТЛ, 2008. -324с.

33. Giri Р. К. Intense Ultraviolet-Blue Photoluminescence from Si02 Embedded Ge Nanocrystals Preparedby Different Techniques / P. K. Giri, S. Bhattacharyya, R. Kesavamoorthy, В. K. Panigrahi, K. G. M. Nair // Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol.9,1-7,2009.

34. D' Azevedo W.M. Visible photoluminescence from Ge nanoclusters implanted in nanoporous aluminum oxide films / W.M. D' Azevedo, Jr. E.F. da Silva, E.A. de Vasconcelos, H. Boudinov // Microelectronics Journal 36 (2005) 992-994.

35. Dimitrakis P. Ultra-lovv-energy ion-beam-synthesis of Ge nanocrystals in thin ALD A1203 layers for memory applications / P. Dimitrakis, A. Mouti, C. Bonafos, S. Schamm, G. Ben Assayag, V. Ioannou-Sougleridis, B. Schmidt, J. Becker, P. Normand // Microelectronic Engineering. 86 (2009) 1838-1841.

36. Sharp I. D. Structural properties of Ge nanocrystals embedded in sapphire / I. D. Sharp, Q. Xu, D. O. Yi, C. W. Yuan, J. W. Beeman, К. M. Yu, J. W. Ager, D. C. Chrzan, E. E. Haller // Journal of Applied Physics 100,114317,2006.

37. Горшков O.H. Наноразмерные частицы кремния и германия в оксидных диэлектриках. Формирование, свойства, применение. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые материалы электроники и оптоэлектроники для информационно-телекомуникационных систем» / О.Н. Горшков, Д.И. Тетельбаум, А.Н. Михайлов - Нижний Новгород, 2006. 83 с.

38. Пул - мл. Ч., Оуэне Ф. Нанотехнолопш. М.: Техносфера, 2010. - 336с.

39. BrasL. Е. IEEE //J. Quantum Electron. 22, 1909,1986.

40. Гапоненко С. В., Розанов Н. Н., Ивченко Е. Л., Федоров А. В., Бонч-Бруевич А. М., Вартанян Т. А., Пржибельский С. Г. Оптика наноструктур [под редакцией А. В. Федорова] СПб «Недра», 2005 г. ~ 326 с.

41. Takagahara Т. Theory of the quantum confinement effect on excitons in quantum dots of indirect-gap materials /Т. Takagahara, K. Takeda // Phys. Rev. В, V. 46, N. 23, 15578-15581.

42. Parola S. Influence of the embedding matrix on optical properties of Ge nanocrystals-based nanocomposite / S. Parola, E. Quesnel, V. Muffato, J. Bartringer, A. Slaoui // Journal of Applied Physics 113, 053512, 2013.

43. Anderson R. L. // Solid-State Electron 5,341, 1962.

44. Ginzburg L. P., Gordeev A. A., Gorchakov A. P., Jilinsky A. P. // J. Non-Cryst. Solids 183, 234 1995.

45. Zhu Y. Preparation and photoluminescence of thin films of Ge nanoparticles embedded in A1203 matrices / Y. Zhu, P. P. Ong //J. Phys.: Condens. Matter 13 (2001) 4075-4080.

46. Фролова E.B. Природа люминесценции в Ge-содержащнх оксидных системах / Е.В. Фролова, С.В. Ващенко, Е.А. Тявловская, Ю.В. Бокщиц, Г.П. Шевченко, С.К. Рахманов // Известия национальной академии наук Белоруси, Серия химических наук № 1,2011.

47. Юнг JI. Анодные оксидные пленки // «Энергия» Ленинградское отделение, 1967

48. Masuda, Н. Self-ordering of cell configuration of anodic porous alumina with large-size pores in phosphoric acid solution/ H. Masuda, K. Yada, A.Osaka // Jpn. J. Appl. Phys. 1998,37, L1340-L1342.

49. Елисеев A.A., Лукашин A.B. Функциональные материалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: ФИЗМАТЛ ИТ, 2010 - 456 с.

50. Thompson G.E. Porous anodic alumina fabrication, characterization and applications // Thin Solid Films 297 (1997) 192-201. - 1 .J

51. Petukhov D.I. Comparative Study of Structure and Permeability of Porous Oxide Films on Aluminum Obtained by Single- and Two-Step Anodization / D.I. Petukhov, K.S. Napolskii, M.V. Berekchiyan, A.G. Lebedev, A.A. Eliseev // Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 7819-7824.'.

52. Комаров Ф.Ф. Интенсивная голубая люминесценция анодного оксида алюминия / Ф.Ф. Комаров, А.В. Мудрый, Л.А. Власукова, Н.И. Мухров, А.В. Иванюкович // Оптика и спектроскопия, 2008, том 104, №2, с. 272-275.

53. Мухуров Н. И. Фотолюминесценция F-центров в пленках анодного оксида алюминия / Н. И. Мухуров, С. П. Жвавый, И. В. Гасенкова, С. Н. Терехов, П. П. Першукевич, В. А. Орлович // Журнал прикладной спектроскопии Т. 77, № 4,2010

54. Мухуров Н. И. Влияние состава электролита на фотолюминесцентные свойства анодного оксида алюминия / Н. И. Мухуров, С. П. Жвавый, С. Н. Терехов, А. Ю. Панарин, И. Ф. Котова, П. П. Першукевич, И. А. Ходасевич, И. В. Гасенкова, В. А. Орлович // Журнал прикладной спектроскопии Т. 75, № 2,2008.

55. Napolskii K.S. Tuning the microstructure and functional properties of metal nanowire arrays via deposition potential / K.S. Napolskii, I.V. Roslyakov, A.A. Eliseev, D.I. Petukhov, A.V. Lukashin, S.F. Chen, C.P. Liu, G.A. Tsirlina // Electrochimica Acta, 56 (2011), 2378-2384.

56. Chumakov A.P. Magnetic properties of cobalt nanowires: Study by polarized SANS / A.P. Chumakov, S.V. Grigoriev, N.A. Grigoryeva, K.S. Napolskii, A. A. Eliseev, I.V. Roslyakov, A.I. Okorokov, H. Eckerlebe // Physica B, 406 (2011), 2405-2408.

57. Jung M. Fabrication of gold nanodot arrays on a transparent substrate as a nanobioplatform for label-free visualization of living cells / M. Jung, W. A. El-Said, J.W. Choi // Nanotechnology 22 (2011) 235304 (8pp).

58. Liang J. Two-dimensional lateral superlattices of nanostructures: Nonlithographic formation by anodic membrane template / J. Liang, H. Chik, A. Yin, J. Xu // Journal of Applied Physics Vol. 91, NUMBER 4,2002.

59. Masuda H. Ordered metal nanohole arrays made by a two-step replication of honeycomb structures of anodic alumina / H. Masuda, K. Fukuda // Science Vol. 268, 1995.

60. Kondo T. Surface-enhanced Raman scattering on multilayered nanodot arrays obtained using anodic porous alumina mask / T. Kondo, H. Miyazaki, K. Nishio, H. Masuda // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2011.

61. Zhan W. Selective epitaxial growth of Ge nanodots with ultra-thin porous alumina membrane / W. Zhan, Y. Huangfu, X. Fang, X. Hong, L. Xia, X. Guo, H. Ye // Chinese Optics Letters, COL ll(Suppl.), SI 0206(2013).

62. Huang K.T. Formation of Pt nanorods on nanoporous anodic aluminum oxides by controlled - j nucleation sites / K.T. Huang, P. C. Kuo, Y.D. Yao // Thin Solid Films 2009,517,3243:3247.

63. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры.: Под ред. JI. Ченга, К. Плога. — М.: Мир, 1989-584 с. ';<

64. Технология тонких пленок (справочник) под ред. Л. Майссела, Р. Ленга. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. Под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. 1. М., 1977.

65. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. Российская академия наук, Институт физики микроструктур, н. Новгород, 2004.

66. Стопшй А.И. Метод контроля наноразмерной толщины бислойных пленочных наноструктур / А.И. Стопшй, Н.Н. Новицкий, О.М. Стукалов // Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 4.

67 Freger V. Swelling and Morphology of the Skin Layer of Polyamide Composite Membranes: An Atomic Force Microscopy Study/ V. Freger//Environ. Sci. Technol. 2004, 38,3168-3175.

68 Patil K. G. Combined Atomic Force Microscopy and Modeling Study of The Evolution of Octadecylamine Films on a Mica Surface / K. G. Patil, V. Santhanam, S. K. Biswas, K. G. Ayappa // J. Phys. Chem. С 2010,114,3549-3559.

69 Гжиров Р. И. Краткий справочник конструктора Л. Машиностроение. 1983.

70. Брнгтс Д., Сих М.П. Анализ поверхности методами Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 600 с.

71.ПраттонМ. Введение в физику поверхности.— Ижевск: «Регулярная и хаотическая динамика», 2000 - 256 стр.

72. Tougaard S. Universal inelastic electron scattering cross-sections / S. Tougaard // Surface and Interface Analysis, Vol. 25, 137-154, 1997.

73. Jo M. Direct simultaneous determination of XPS background and inelastic differential cross section using Tougaard's algorithm / M. Jo // Surface Science 320(1994) 191-200.

74. Захватова M.B. Учет фоновой составляющей в рентгеновской фотоэлектронной и Оже-электронной спектроскопии / М.В. Захватова, Ф.З. Гильмутдинов, Д.В. Сурнин // Физика металлов и металловедение, 2007, Т. 104, №2, с. 166-171.

75. Kubelka P., Munk F. // Z. techn. Phys. 12, 593, 1931.

76. Кортюм Г. Принципы и методика измерения в спектроскопии диффузного отражения / Г. Кортюм, В. Браун, Г. Герцог // Успехи физических наук 1965. Т. 85, вып. 2. С. 365-380.

77. Гусев О.Б. Термоиндуцированная дефектная отолюминесценция гидрогенйзированного аморфного кремния / О.Б. Гусев, Е.И. Теруков, Ю.К. Ундалов, К.Д. Цэндин // Физика твердого тела, 2011, том 53, вып. 2. ¿Л

78. Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С., Рябинков А.И. //ЖТФ, 2006, Т. 76, Вып. I. С. 1055114.

79. Парфенов О.Д. Технология микросхем. Учеб. Пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1977. 80 Tabet N. High resolution XPS study of oxide layers grown on Ge substrates / N. Tab'et, M. Faiz a, N.M. Hamdan, Z. Hussain // Surface Science 523 (2003) 68-72.

81. Лазарев В.Б., Соболев B.B., Шаплыгин И.С. Химические и физические свойства простых оксидов металлов. — М.: Наука, 1983.-239 с.

82. Schmeisser D. Surface oxidation states of Germanium / D. Schmeisser, RD.Schnell, A. Bogen, F.J. Himpsel, D. Rieger, G. Landgren, J.F. Morar // Surface Science 172 (1986) 455-465.

83. Lee W. Fast fabrication of long-range ordered porous alumina membranes by hard anodization / W. Lee, R. Ji, U. Gosele, K. Nielsch// Nature Materials. 2006. V.5. N.9. P.741-747.

84. Шелехов E.B., Свиридова T.A. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов // МиТОМ. 2000. № 8. С. 16-19.

85. Милехин А.Г. Комбинационное рассеяние света лазерно-модифицированными структурами с квантовыми точками Ge/Si / А.Г. Милехин, В.В. Варавин, А.И. Никифоров, О.П. Пчеляков, Д.Е. Маев, N. Vogel, D.R.T. Zahn // Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 11.

86. Williams G. M. Crystallization and diffusion in progressively annealed a-Ge/SiOx Superlattices / G. M. Williams, A. Bittar, H. J. Trodahl // J. AppL Phys. 67 (4), 15 February 1990.

87. Wellner A. Stress measurements of germanium nanocrystals embedded in silicon oxide / A. Wellner, V. Paillard, C. Bonafos, H. Coffin, A. Claverie, B. Schmidt, K. H. Heinig // J. Appl. Phys., Vol. 94, No. 9, 2003.

88. Philipp H.P. Optical constants of germanium in the region 1 to 10 eV. / H.P. Philipp, E.A. Tafït // Phys Rev 1959, 113(4): 1002-100.