Orientadores: Lisandro Pavie Cardoso, Rossano Lang Carvalho

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin

Resumo: O alto controle e reprodutibilidade envolvidos nas técnicas de implantação e de irradiação iônica fazem com que elas sejam muito utilizadas por permitir modificação estrutural de semicondutores, possibilitando, por exemplo, a geração de defeitos estruturais que atuam como centros de...

Resumo: O alto controle e reprodutibilidade envolvidos nas técnicas de implantação e de irradiação iônica fazem com que elas sejam muito utilizadas por permitir modificação estrutural de semicondutores, possibilitando, por exemplo, a geração de defeitos estruturais que atuam como centros de recombinação radiativa de portadores para aplicação em eficientes dispositivos emissores de luz baseados em Silício. Igualmente necessária é a caracterização estrutural desses materiais modificados, como os sistemas provenientes de engenharia de defeitos, promovendo um correto e abrangente entendimento que irá contribuir para a otimização dos seus processos de síntese. Nesse contexto, e motivados por resultados recentes, o presente trabalho visa aplicar técnicas de raios-X com boa resolução no estudo de defeitos gerados pelos processos de implantação e irradiação em dois sistemas distintos baseados em Silício. O primeiro sistema, em que amostras de Si(001) foram implantadas com Fe+ e irradiadas com Au++, mostrou uma forte absorção na região de UV (maior para a amostra implantada e irradiada) durante seus estudos preliminares de reflectância óptica UV-Vis. O segundo, em que amostras de Si(001) implantados com Xe+ e submetidas a posterior tratamento térmico de 600, 700 e 800 ºC/30 min, foi motivado por trabalhos do grupo de pesquisa do Laboratório de Implantação Iônica - UFRGS, em que íons de He e Ne produziram nanobolhas no Silício monocristalino. Foram utilizadas as técnicas de Refletividade de Raios-X (XRR), Difração de Raios-X com Incidência Rasante (GIXRD), além de varreduras no espaço recíproco Q-scans e Mapeamentos do Espaço Recíproco (RSM) que utilizam geometria de alta resolução. Também foram realizadas varreduras Renninger e mapeamentos ?:?, ângulos incidente (?) e azimutal (?) acoplados, da Difração Múltipla de Raios-X (XRMD) utilizando Radiação Sincrotron. A Fluorescência de Raios-X (XRF) e a Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) também foram utilizadas como técnicas complementares. Os resultados do primeiro sistema (Fe+/Au++) para a XRR distinguiu as diferentes regiões geradas pelos processos de implantação/irradiação de íons. A análise das amostras implantada e irradiada e a apenas irradiada foi feita: i) por medidas de Q-scan para a reflexão (004) e mostrou a contribuição de uma região distorcida (RD) na direção normal à superfície com a? = 5,4235(4) Å, com perfil diferente para cada uma delas; ii) por RSM e mostrou contribuições diferentes no padrão de intensidade, na direção QX (direção paralela), para essas mesmas amostras; iii) por mapeamentos ?:? da XRMD na exata condição de 4-feixes (000)(002)(1 1 1)(1 13) e mostrou a ocorrência inédita, para este sistema, de um pico de reflexão híbrida coerente (CHR) do tipo substrato/camada (SL), envolvendo o caminho (1 13)S + (11 1)L . Os resultados do segundo sistema (Xe+) para medidas de: i) RSM e ii) Q-scans com a reflexão assimétrica (113) da amostra como-implantada mostraram a contribuição dos defeitos pontuais gerados pela implantação. Nas amostras tratadas termicamente mostraram a recristalização da rede do Si com o tratamento térmico (direção perpendicular), além de evidenciar a formação de uma região tensionada com a? = 5,425(2) Å (800 ºC/30 min); iii) mapeamento ?:? mostraram o aumento da densidade de defeitos com a temperatura de recozimento, tanto pelo espalhamento difuso no caso 3-feixes (000)(002)(1 11) , quanto pela ocorrência de extinção primária no caso 4-feixes (000)(002)(1 1 1)(1 13) . Imagens de seção transversal (TEM) em associação com análise elementar por Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) confirmaram a presença de nanodefeitos, possivelmente do tipo {111} e {113}, e a formação de nanobolhas de Xe, que por sua vez devem ser os responsáveis pela tensão compressiva observada por RSM

Abstract: The high reproducibility and control involved in ion implantation and irradiation techniques, makes them to be widely used to allow structural modification of semiconductors, enabling, for instance, the generation of structural defects that act as radiative recombination centers of...

Abstract: The high reproducibility and control involved in ion implantation and irradiation techniques, makes them to be widely used to allow structural modification of semiconductors, enabling, for instance, the generation of structural defects that act as radiative recombination centers of carriers for application in efficient Silicon-based light emitting devices. Equally necessary is the structural characterization of these modified materials, such as engineered-defects systems, promoting an accurate and comprehensive understanding that will contribute to the optimization of their synthesis processes. In this framework, and motivated by recent results, the present work intends to apply highresolution X-ray techniques on the study of the defects created by ion implantation/irradiation process into two distinct Silicon-based systems. The first system consists of Fe+-implanted and/or Au++-irradiated Si(001) samples that exhibited a significant absorption increase on the UV region during preliminary studies of its UV-Vis optical reflectance. The second system consists of Xe+- implanted Si(001) samples thermally treated at 600, 700, and 800 ºC/30 min, that was motivated by previous works from Laboratório de Implantação Iônica ¿ UFRGS in which He and Ne ions have produced nanobubbles in a Silicon matrix. The X-ray techniques, such as Reflectivity (XRR), Grazing Incidence (GIXRD), and also Qscans on reciprocal space and Reciprocal Space Mappings (RSM), under high-resolution geometry, were all used in the measurements. Furthermore, Renninger scans and X-Ray Multiple Diffraction (XRMD) ?:? mappings, for coupled incident (?) and azimuthal (?) angles, were also applied with synchrotron radiation. X-Ray Fluorescence (XRF) and Transmission Electron Microscopy (TEM) were employed as complementary techniques. For the first system (Fe+/Au++), XRR results were able to distinguish the distinct regions generated by the ion implantation/irradiation process. The analysis of the implanted-and-irradiated sample, as well as the just irradiated sample was made by: i) Q-scans of the (004) reflection and exposes the contribution of a Distorted Region (RD) in the out-of-plane direction with a? = 5.4235(4) Å, which has a different profile for each sample; ii) RSM that reveals distinct QX (inplane direction) intensity profiles for each sample; iii) ?:? mapping of the XRMD at the exact condition of the (000)(002)(111)(113) 4-beam case that exhibited an unprecedented occurrence, for this system, of a Coherent Hybrid Reflection (CHR) peak involving the substrate/layer (SL) S (1 13) + L (11 1) path. The results of the second system (Xe+) for the measurements of: i) RSM and ii) Q-scans using the asymmetric (113) reflection of the as-implanted sample showed the contributions of the implantation-induced point defects. The annealed samples have exposed the Si lattice recrystallization (out-of-plane profile), in addition to demonstrating the formation of a strained region with a? = 5.425(2) Å (800 ºC/30 min); iii) ?:? mappings showed an increase of defects density for higher temperature annealed samples by both the diffuse scattering in the (000)(002)(111) 3-beam case, as the occurrence of primary extinction for the (000)(002)(111)(113) 4-beam case. The presence of both {111} and {113} defects, as well as Xe nanobubbles formation, were confirmed by cross-section TEM images in association with elemental analysis by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), indicating that the later one is responsible for the compressive strain observed by RSM measurements. Combined cross-section TEM images and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) results have confirmed the presence Xe nanobubbles, which should be responsible for the compressive strain observed by RSM measurements, as well as the formation of the {111} and {113} nanodefects