Анотація до роботи:

Братусь В.Я. Природа та структура парамагнітних дефектів у кристалах GaAs, SiC і кремнієвих матеріалах з наноструктурами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. – Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2006.

Дисертацію присвячено вирішенню проблеми з’ясування природи та структури домішкових і власних парамагнітних дефектів у кристалах GaAs, SiC і кремнієвих матеріалах, в яких утворюються нанокристаліти. З’ясовано, що резонансне спінове поглинання центрів Mn у нейтральному стані має електродипольну природу. Визначено симетрію та параметри надтонкої взаємодії для мілкої домішки бору у 3C-SiC. Розглянуто модель центра B_Si, у рамках якої пояснено параметри спектру ЕПР та його температурні зміни. Визначено параметри спін-гамільтоніана трьох основних дефектів Ку1, Ку2 і Ку3, утворених опроміненням електронами кристалів 6H-SiC p-типу. Порівняння експериментальних та розрахованих із перших принципів параметрів надтонкої взаємодії дозволило ідентифікувати ці дефекти як позитивно заряджену вакансію вуглецю у трьох нееквівалентних положеннях ґратки 6H-SiC, а центри Т5 та ЕІ3 відповідно як позитивний та нейтральний зарядові стани розщепленого у напрямку <100> вуглецевого міжвузля. Обґрунтовано модель дефекту P_b на інтерфейсі Si/SiO₂. Спостережено та ідентифіковано парамагнітні дефекти у широкому колі кремнієвих матеріалів, отриманих різними способами розпилення та імплантацією іонів у структури Si/SiO₂.

У дисертації вирішено наукову проблему з’ясування природи та структури домішкових і власних парамагнітних дефектів у кристалах GaAs, SiC і кремнієвих матеріалах, в яких утворюються нанокристаліти. У проведених дослідженнях розроблена фізична основа для радіоспектроскопічного діагностування різноманітних структур на основі кремнію з нанокристалітами.

Виходячи з аналізу проведених досліджень можна сформулювати такі основні результати та висновки роботи:

1. Виявлено, що в умовах реєстрації ЕПР лінії спінового резонансу нейтральної акцепторної домішки марганцю, яка має структуру (Mn²⁺+h), обумовлені електродипольними спіновими переходами. Це є першим надійним спостереженням електродипольних спінових переходів на мілкому акцепторі з інтенсивністю, яка значно перевищує типову інтенсивність ЕПР.

2. З’ясовано, що центру “мілкого” бору у 3C-SiC відповідає група точкової симетрії C_3V, пониження симетрії від кубічної до тригональної зумовлене ефектом Яна-Теллера.

3. У температурному інтервалі 4 300 К визначені параметри спін-гамільтоніану спостережених вперше трьох основних дефектів Ку1, Ку2 та Ку3, які утворюються в результаті електронного опромінення кристалів 6H-SiC р-типу. Порівняння визначених експериментально параметрів надтонкої взаємодії із розрахованими з застосуванням методів теорії функціонала густини дозволило ідентифікувати ці дефекти як позитивно заряджену вакансію вуглецю у трьох кристалографічно нееквівалентних позиціях ґратки 6H-SiC.

4. За результатами розрахунків симетрії та параметрів надтонкої взаємодії для розщепленого у напрямку <100> вуглецевого міжвузля у кубічному SiC відомі центри Т5 та ЕІ3 було ідентифіковано відповідно як його позитивно заряджений та нейтральний зарядовий стан.

5. У поруватому кремнії вперше зареєстровано та описано спектри ПЕЯР на ядрах водню для центра P_b, що дозволило обґрунтувати розширену модель цього дефекту.

6. У широкому колі кремнієвих композитів, які було отримано методами вакуумного термічного розпилення SiO, імпульсного лазерного осадження кремнію та ерозії кристалічного Si іскровим розрядом, вперше спостережено та ідентифіковано парамагнітні дефекти. Установлено взаємозв’язок типу цих дефектів із технологічними умовами формування композитів.

7. Визначено природу парамагнітних дефектів у структурах Si/SiO₂, імплантованих іонами Si⁺, Ge⁺ та C⁺. Вперше зареєстровано два нових дефекти, які пов’язано з надлишком атомів Si у матриці SiO₂.

8. Виявлено, що при високодозовій імплантації іонів Ge⁺ у SiO₂ з набором енергій, якою досягається рівномірний профіль розподілу атомів германію, створюється менша на порядок кількість дефектів ніж при імплантації з однією енергією, якою досягається гауссів профіль.

Публікації автора:

1. Семенов Ю.Г., Братусь В.Я. Магнитополевая анизотропия ангармони-ческого рамановского процесса спин-решеточной релаксации // УФЖ.- 1988. - Т. 33, №1. - С. 92-97.

2. Родионов В.Н., Братусь В.Я., Косухин В.И. Термический отжиг исходных и имплантированных кристаллов кубического карбида кремния // Диэлектрики и полупроводники. - Киев: Лыбидь, 1990. - вып. 38. - С. 58-61.

3. Баран Н.П., Братусь В.Я., Максименко В.М., Марков А.В., Семенов Ю.Г. Электродипольные спиновые переходы нейтрального акцептора Mn_Ga⁰ в GaAs // Письма в ЖЭТФ. - 1992. - Т. 55, вып. 2. - С. 108-112.

4. Baran N.P., Bratus' V.Ya., Maksimenko V.M., Markov A.V., Semenov Yu.G. Electrodipole spin transitions of the neutral manganese acceptor Mn^O_Ga in gallium arsenide // Defects and diffusion forum. - 1993. - V.103-105. - P. 39-44.

5. Баран Н.П., Братусь В.Я., Бугай А.А., Вихнин В.С., Климов А.А., Максименко В.М., Петренко Т.Л., Романенко В.В. ЭПР бора в кубическом SiC: проявление эффекта Яна-Теллера // ФТТ. - 1993. - Т. 35, вып. 11. - С. 3135-3140.

6. Bratus' V.Ya., Baran N.P., Bugai A.A., Klimov A.A., Maksimenko V.M., Petrenko T.L., Romanenko V.V. Electronic structure of boron in silicon carbide // Defects and diffusion forum. - 1993. - V.103-105. - P. 645-653.

7. Bratus' V.Ya., Baran N.P., Maksimenko V.M., Petrenko T.L., Romanenko V.V. Boron in cubic silicon carbide: dynamic effects in ESR // Materials Science Forum. - 1994. - V. 143-147. - P. 81-86.

8. Bratus' V.Ya., Ishchenko S.S., Okulov S.M., Vorona I.P., von Bardeleben H.J., Schoisswohl M. EPR and ENDOR study of the P_b center in porous silicon // Physical Review B. - 1994. - V. 50, N. 20. - P. 15449-15452.

9. Vorona I.P., Bratus’ V.Ya., Ishchenko S.S., Okulov S.M., von Bardeleben H.J. Porous silicon: EPR and ENDOR investigation // Proceedings of the I International autumn school-conference “Solid state physics: fundumentals & applications” (SSPFA’94). - Uzhorod, 1994. - P. R28-R29.

10. Bratus' V.Ya., Ishchenko S.S., Okulov S.M., Vorona I.P., von Bardeleben H.J. Structure of the P_b center: ENDOR investigation // Materials Science Forum. - 1995. - V. 196-201. -P. 529-534.

11. Schoisswohl M., von Bardeleben H.J., Bratus' V., Munder H. Defects in luminescent and non-luminescent porous Si // Thin Solid Films.- 1995. - V. 255, N. 1-2. - P. 163-166.

12. Valakh M.Ya., Yukhimchuk V.A., Bratus’ V.Ya., Nasarov A.N., Hemment P.L.F., Komoda T. Optical diagnostics of light-emitting Si clusters in SiO₂ formed by ion implantation // Proceedings of SPIE. - 1998. -V. 3359. - P. 284-288.

13. Bratus’ V.Ya., Valakh M.Ya., Vorona I.P., Petrenko T.T., Yukhimchuk V.A., Hemment P.L.F., Komoda T. Photoluminescence and paramagnetic defects in silicon-implanted silicon dioxide layers // Journal of Luminescence. - 1999. - V. 80, N. 1-4. - P. 269-273.

14. Valakh M.Ya., Yukhimchuk V.A., Bratus’ V.Ya., Konchits A.A., Hemment P.L.F., Komoda T. Optical and electron paramagnetic resonance study of light-emitting Si⁺ ion implanted silicon dioxide layers // Journal of Applied Physics. - 1999. - V. 85, N. 1. - P. 168-173.

15. Yukhimchuk V.A., Valakh M.Ya., Bratus’ V.Ya., Petrenko T.T., Vorona I.P., Komoda T., Hemment P.L.F. Silicon and germanium dots in silicon dioxide layers: optical and EPR investigations // Physics of Semiconductors (Proceedings of ICPS-24), ed. D. Gershoni. - Singapore, World Scientific, 1999. - Art.VIIB48. - P. 1-4 (published on CD).

16. Kalinina E.V., Zubrilov A.S., Kuznetsov N.I., Nikitina I.P., Tregubova A.S., Shcheglov M.P., Bratus' V.Ya. Structural, electrical and optical properties of bulk 4H and 6H p-type SiC // Materials Science Forum. - 2000. - V. 338-342. - P. 497-500.

17. Kalinina E., Kossov V., Shchukarev A., Bratus’ V., Pensl G., Rendakova S., Dmitriev V., Hallen A. Material quality improvements for high voltage 4H-SiC diodes // Materials Science and Engineering B. - 2001. - V. 80, N. 1-3. - P. 337-341.

18. Братусь В.Я., Юхимчук В.А., Бережинский Л.И., Валах М.Я., Ворона И.П., Индутный И.З., Петренко Т.Т., Шепелявый П.Е., Янчук И.Б. Структурные превращения и образование нанокристаллитов кремния в пленках SiO_x // ФТП. - 2001. - Т. 35, вып. 7. - С.854-860.

19. Валах М.Я., Братусь В.Я., Индутный И.З., Юхимчук В.А., Янчук И.Б. Формирование нанокристаллитов Si в пленках SiO_x: оптические и ЭПР исследования // Материалы совещания “Нанофотоника”. - Нижний Новгород, Россия, 2001. - С. 15-18.

20. Родіонов В.М., Братусь В.Я. Вплив домішки азоту на процеси випромінювальної та безвипромінювальної рекомбінації в кубічному карбіді кремнію // УФЖ. - 2001. - T. 46, №9 - C. 979-984.

21. Валах М.Я., Юхимчук В.О., Братусь В.Я., Гулє Є.Г. Оптичні властивості SiO₂-плівок, імплантованих іонами кремнію та вуглецю // УФЖ. - 2001. - Т. 46, №10. - С. 1065-1069.

22. Bratus' V.Ya., Makeeva I.N., Okulov S.M., Petrenko T.L., Petrenko T.T., von Bardeleben H.J. EPR study of carbon vacancy-related defects in electron-irradiated 6H-SiC // Materials Science Forum. - 2001. - V. 353-356. - P. 517-520.

23. Bratus' V.Ya., Makeeva I.M., Okulov S.M., Petrenko T.L., Petrenko T.T., von Bardeleben H.J. Positively charged carbon vacancy in 6H-SiC: EPR study // Physica B - 2001. - V. 308-310. - P. 621-624.

24. Bratus' V.Ya., Petrenko T.T., von Bardeleben H.J., Kalinina E.V., Hallen A. Vacancy-related defects in ion-beam and electron irradiated 6H-SiC // Applied Surface Science. - 2001. - V. 184, N. 1-4. - P. 229-236.

25. Petrenko T.T., Petrenko T.L., Bratus’ V.Ya., Monge J.L. Calculation of hyperfine parameters of positively charged carbon vacancy in SiC // Physica B. - 2001. - V. 308-310. - P. 637-640.

26. Petrenko T.T., Petrenko T.L., Bratus' V.Ya., Monge J.L. Symmetry, spin state and hyperfine parameters of vacancies in cubic SiC // Applied Surface Science. - 2001. - V. 184, N. 1-4. - P. 273-277.

27. Petrenko T.T., Petrenko T.L., Bratus' V.Ya. The carbon <100> split interstitial in SiC // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2002. - V. 14, N. 47.- P. 12433-12440.

28. Братусь В.Я., Родіонов В.М. Вплив термообробок на рекомбінаційні властивості кубічного карбіду кремнію // УФЖ. - 2002. - Т. 47, №6. - С. 588-591.

29. Bratus’ V.Ya. Paramagnetic defects in silicon structures with nanocrystallites // Журнал фізичних досліджень. - 2003. - Т. 7, №.4. - С. 413-418.

30. Братусь В.Я., Окулов С.М., Каганович Э.Б., Кизяк И.М., Манойлов Э.Г. Исследования методом электронного парамагнитного резонанса пленок нанокристаллического кремния, полученных импульсным лазерным осаждением // ФТП. - 2004. -Т. 38, вып. 5. - С. 621-625.

31. Bratus’ V.Ya., Petrenko T.T., Okulov S.M., Petrenko T.L. Positively charged carbon vacancy in three inequivalent lattice sites of 6H-SiC: combined EPR and density functional theory study // Physical Review B. - 2005. - V. 71, N. 12 - 125202 (22 pp.).

32. Братусь В.Я., Валах М.Я., Гулє Є.Г., Окулов С.М., Юхимчук. ЕПР та оптичні дослідження плівок SiO₂, імплантованих іонами германію // УФЖ. - 2005. - Т. 50, №6. - С. 610-617.