3.1. 99-02-17990 3.2. Исследование физических процессов при внедрении тяжелых ионов и кластеров в приповерхностную область полупроводниковых гетероструктур 3.3. 02-204 3.4. Целью проекта является исследование плотных каскадов и их влияния на поверхностные свойства изучаемых материалов. При этом в рамках проекта планировалось изучить следующие конкретные фундаментальные проблемы: 1) Исследование физических характеристик (таких как, пространственно-временные зависимости распределений движущихся атомов, пороговые энергии смещения примесных атомов и т.д.) и особенностей развития плотных каскадов, инициированных тяжелыми ионами и кластерами; 2) Исследование процессов вторичной эмиссии и динамики изменения приповерхностных слоев материалов (в том числе и гетероструктур), которые происходят в результате создания и эволюции плотных ансамблей точечных дефектов при облучении тяжелыми и кластерными ионами (в том числе при высоких дозах); 3) Исследование поведения полупроводниковых материалов и гетероструктур под воздействием пучков тяжелых ионов и кластеров на каскадной и посткаскадной стадиях. 3.5. В течение 2000 года коллективом было продолжено изучение физических процессов, происходящих при бомбардировке твердых тел тяжелыми и кластерными ионами. В экспериментальной части работы выполнялись следующие этапы программы исследований. Исследовались режимы изготовления специальных тестовых струткур содержащих эквидистантные маркерные дельта-образные слои той или иной изоэлектронной примеси в матрице из сложного полупроводника. В качестве базовых технологий формрования таких низкоразмерных тестовых структур были выбрана технология молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Было показано, что в структурах GaAs/Sb/GaAs/... выращенных во всем исследованном диапазоне режимов вплоть до 200 градусов Цельсия наблюдается диффузия атомов Sb из маркерного слоя. Диффузия происходит преимущественно в направлении движения фронта роста и приводит к размытию маркерного слоя, содержащего 1,5 монослоя атомов Sb вплоть до ширины порядка 10...15 ангстрем (ПШПВ). Отжиг выращенных структур с целью улучшить кристаллическое совершенство матрицы GaAs, выращенной при низких температурах, приводил к дополнительному размытию маркерного слоя. Совместно с научным коллективом Института электроники АН Республики Узбекистан был испытан прототип универсального источника заряженных кластеров, потенциально имеющий широкие применения в различных областях физики наноструктур. В теоретической части работы развита предложенная ранее физическая модель процессов эволюции структуры карбида кремния при высокодозной имплантации ионами азота и алюминия и отжиге с учетом влияния коплексов радиационных дефектов и обусловленных ими полей напряжений, проведены расчеты с помощью разработанного программного компьютерного комплекса DYTRIRS-MGEAR, осуществлены сравнения расчетных и экспериментальных результатов. Разработана модель изменений кислородной подсистемы в PLZT-керамике при облучении большими дозами быстрых нейтронов и последующем отжиге. Проведены расчеты изменений концентраций кислородных дефектов в материале в процессе отжига, осуществлено сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными. В теоретической части работы было также проведено моделирование процессов высокодозного распыления тяжелыми ионами Cs+ и кластерными ионами кислорода гетероструктур на основа GaAs с маркерными слоями AlAs и InAs монослойной толщины. Энергии и углы падения (по 3 пары для каждого иона) были выбраны в соответствие с проведенными ранее (и планируемыми в дальнейшем) экспериментами по ионному травлению аналогичных структур, выполняемыми членами коллектива в рамках экспериментальной части данного проекта. Для каждого набора тип маркера-ион-энергия были проведены серии расчетов с различными значениями пороговой энергии смещения примесных атомов (Al или In), которые выбирались в диапазоне 1-15 эВ. Различные значения энергии смещения атомов примеси приводили к различной интенсивности процесса размытия маркер-слоя при облучении, что в свою очередь, изменяло дозовую зависимость коэффициента распыления примесных атомов. При помощи таких серий расчетов были определены зависимости ширины размытого пика на полувысоте (FWHM) и крутизны заднего фронта пика коэффициента распыления примеси от величины энергии смещения примесных атомов. Сравнение этих зависимостей с экспериментальными данными ВИМС- профилирования, полученными на образцах, предварительно охарактеризованных методом просвечивающей электронной микроскопии (cross section TEM), позволило уточнить определенные ранее значения пороговой энергии смещения примесных атомов Al и In в матрице GaAs. В рамках данного этапа также были продолжены работы по иссследованию нелинейных эффектов на каскадной стадии и их влияние на характеристики распыления. Были выявлены и сформулированы физические критерии, позволяющие оценить степень нелинейности каскада при заданных условиях облучения. Было показано, что такими критериями могут являться: 1)средняя кинетическая энергия, приходящаяся на 1 атом мишени в каскадной области; 2) относительная доля движущихся атомов в каскаде; 3) характерное время развития каскада. Эффективность данных критериев была проверена с использованием метода молекулярной динамики применительно к каскадам, инициированным в Cu, W и GaAs, ионами Ar, Cs и Xe. Кроме того, на данном этапе была проведена разработка и тестирование методики для моделирования распыления при бомбардировке кластерными ионами с энергией (0.1-1)кэВ/атом. 3.6. В результате экспериментальных исследований была отработана технология формирования тестовых струткур, содержащих эквидистантные (с периодом 500 ангстрем) маркерные квази дельта-образные слои атомов сурьмы в матрице GaAs. Испытан прототип универсального источника заряженных кластеров, потенциально имеющий широкие применения в различных областях физики наноструктур. Уточнены значения пороговых энергий смещения примесных атомов Al и In в матице GaAs. Выявлены физические критерии степени нелинейности каскада соударений. Разработана физическая модель эволюции дефектной структуры карбида кремния при имплантации ионами азота и алюминия и отжиге. На основе разработанной и развитой модели эволюции дефектной структуры карбида кремния при имплантации ионами азота и алюминия и отжиге, учитывающей поля упругих напряжений сжатия,созданных комплексами межузельных атомов и имплантированных ионов, с помощью программного компьютерного комплекса DYTRIRS-MGEAR рассчитаны распределения дефектов, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными RBS-данными для различных температур облучения. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов позволило установить иерархию дефектов, образованных в процессе имплантации, а также выявить роль кластеров радиационных дефектов и создаваемых ими упругих напряжений сжатия на диффузию межузельных атомов. Предложена физическая модель эволюции дефектов в кислородной подсистеме PLZT- керамики при нейтронном облучении различными дозами и отжиге. Были описаны изменения в микроструктуре материала и связанные с этим изменения поляризации керамики. Рассчитаны зависимости концентраций дефектов кислородной подсистемы от времени отжига, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными. В предложенной модели учтено влияние содержания лантана на структуру и свойства материала, а также влияние вакансий кислорода в различных состояниях кристаллической решетки на поляризационные свойства керамики. Из удовлетворительного согласия между рассчитанными изменениями концентрации вакансий кислорода и экспериментальным поведением поляризации при отжиге облученных образцов, получены значения потенциальных барьеров для перехода кислородных вакансий в различные состояния, а также потенциального барьера для выхода кислорода из стоков.Разработана методика моделирования распыления в нелинейном режиме при ионной и кластерной бомбардировке поверхности твердого тела. 3.7. Впервые предложена адекватная теоретическая модель эволюции дефектов в карбиде кремния с учетом влияния кластеров радиационных дефектов и создаваемых ими полей упругих напряжений на диффузию межузлий при высокодозной высокотемпературной имплантации ионами азота и алюминия. Впервые разработана модель эволюции дефектов в кислородной подсистеме PLZT-керамик при нейтронном облучении и отжиге, описывающая также влияние изменений этой подсистемы на поляризацию материала. Разработана технология выращивания специальных тестовых струткур содержащих эквидистантные маркерные дельта-образные слои той или иной изоэлектронной примеси в матрице из сложного полупроводника. Разработан и испытан прототип универсального источника заряженных кластеров. На данном этапе работы завершена подготовка к заключительному этапу, на котором при помощи объединения экспериментальных методик и методов компьютерного моделирования будут исследованы плотные каскады в полупроводниковых материалах, образованные кластерными ионами. Основные новые результаты планируется получить на следующем этапе. Однако, ряд новых результатов получен уже на данной стадии. В частности, для проведения экспериментальных исследований удалось вырастить гетероструктуры на основе сложных полупроводников с практически идеальными дельта-образными маркерными слоями и произвести верификацию калибровки по глубине с использованием TEM. В полной мере исследованы физические критерии нелинейности каскада и проанализировано их влияние на процессы распыления. В целом новизна проводимой работы заключается в том, что исследования проводятся при помощи комплексного подхода, с использованием как различных методов компьютерного моделирования, так и при помощи их объединения с экспериментальными возможностями. 3.8. На сегодняшний день в научной литературе имеются отдельные публикации, посвященные исследованию плотных каскадов соударений. В этих работах экспериментальными методами, либо при помощи моделирования методом молекулярной динамики наблюдаются и исследуются отдельные нелинейные эффекты, связанные с развитием плотных каскадов. При этом в большинстве случаев исследовалась бомбардировка металлических мишеней и либо только экспериментально, либо при помощи моделирования (иногда с использованием сторонних экспериментальных данных). В свете этого, предлагаемый в данном проекте комплексный подход выгодно отличается от подходов, применявшихся ранее. При этом достижения имеются как в экспериментальной части работы, так и в расчетной. Первые касаются образцов, выращенных для экспериментальных измерений: участникам коллектива не известны работы, в которых использовались бы структуры со столь тонкими, практически идеальными дельта-образными маркер слоями. Вторые связаны с совместным использованием для исследований двух различных методов компьютерного моделирования (Монта-Карло и молекулярной динамики). В литературе имеется достаточно большое количество экспериментальных данных относительно модификации карбида кремния при облучении, однако отсутствуют физические модели, адекватно описывающие эволюцию таких структур под воздействием падающих ионов. В литературе отсутствуют комплексные - экспериментальные и теоретические - исследования поведения сегнетоэлектрических керамик при облучении большими дозами быстрых нейтронов, что дает возможность считать полученные результаты оригинальными и соответствующими мировому уровню. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что проводимые коллективом исследования находятся на передовом уровне в данной области науки. 3.9. В ходе выполнения поставленных задач была использована модернизированная участниками коллектива экспериментальная методика ВИМС-профилирования низкоразмерных многокомпонентных слоистых гетероструктур и специально разработанный универсальный источник кластерных ионов. Принцип действия источника основан на эффективной эмиссии вторичных кластерных ионов с поверхности твердотельной мишени, облучаемой пучком быстрых первичных тяжелых атомов или ионов. Прототип источника был смонтирован на вторично-ионный масс-спектрометр CAMECA IMS4f, в качестве мишени для генерации вторичных ионизованных кластеров был использован об'емный монокристалл кремния, которомы была придана специальным образом подобранная форма. Были исследованы его параметры при генерации пучка быстрых отрицательно заряженных кластеров кремния. Продемонстрированы следующие параметры при ускоряющей энергии 8 кВ на кластер и диаметре пучка на мишени порядка 150 мкм: ток кластеров Si1- около 10 нА; ток кластеров Si2- около 7 нА; ток кластеров Si3- около 1 нА. Получено вторично-ионное изображение в режиме микроскопа тест-об'екта сетки меди впрессованной в мишень из алюминия. На основании проведенных исследований планируется дальнейшая работа по усовершенствованию конструкции источника и его адаптации к вторично-ионному масс-спектрометру CAMECA IMS4f, включающая в себя компьютерное моделирование вытягивающей оптики, адаптация ее конструкции к ионно-оптической колонне ионного источника вторично-ионного масс-спектрометра, изготовление усовершенствованного прототипа источника заряженных кластеров и его блоков контроля и управления. Результаты исследований готовятся к публикации. Для формирования тестовых структур содержащих маркеры из атомов сурьмы в матрице GaAs была апробирована технология низкотемпературной МПЭ и произведена серия ростовых экспериментов с целью выбора оптимальной температуры роста, с одной стороны, обеспечивала бы подавление диффузии атомов маркера в матрицу из маркерного слоя и, одновременно, сохранялась бы возможность эпитаксиального роста с планарным фронтом роста и, следовательно, возможность формирования дельта-образного маркера. Выращенные структуры тестировались с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) и вторично-ионной масс-спектроскометрии (ВИМС). В расчетной части работы для моделирования каскадов атомных соударений и расчета их характеристик были использованы методы молекулярной динамики и Монте-Карло, совместное использование которых позволило более эффективно исследовать нелинейные эффекты возникающие в режиме плотных каскадов. Также при помощи метода Монте-Карло проводились динамические расчеты по моделированию высокодозного распыления материалов. При этом использовались суперкомпьютеры Центра коллективного пользования Санкт-Петербургского Института высокопроизводительных вычислений и баз данных (ИВВиБД) министерства науки и технологий РФ. 3.10.1. 6 3.10.2. 5 3.11. 3.12. 2 3.13. 3.14. 80000 3.15.1. Процессор и материнская плата - 7099 3.16.1.