Swift heavy ion irradiation of semiconducting materials - defect production, phase transformation and annealing

Abstract

Bestrahlung mit schnellen schweren Ionen kann verschiedene Effekte im Targetmaterial hervorrufen. Zwei Effekte wurden in dieser Doktorarbeit untersucht, nämlich Spurbildung und ionenstrahlinduziertes Ausheilen.Tetraedrisch gebundener amorpher Kohlenstoff (ta-C), ein Material aus 80% sp3 gebundenem Kohlenstoff, zeigt sp2 reiche Ionenspuren entlang der Ionentrajektorie nach Bestrahlung (z. B. 1 GeV U-Ionen). Diese Phasenumwandlung ist mit einer Änderung der Leitfähigkeit verbunden, diese Ionenspuren mit 8 nm im Durchmesser sind leitfähige Nanodrähte in einer isolierenden Matrix. Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Leitfähigkeit der Ionenspuren zu erhöhen und dabei die isolierenden Eigenschaften des unbestrahlten Materials beizubehalten. Dazu sind zwei Ansätze unternommen worden. Zum einen wurden ta-C Proben mit Stickstoff, Bor, Eisen und Kupfer während des Wachstums dotiert. Der Gehalt wurde bei ca. 2 at% gehalten, um sp2-Bindungen zu vermeiden. Diese Dotieratome sollen die Anzahl der lokalisierten Energiezustände am Fermi-Niveau erhöhen und damit die Leitfähigkeit verbessern. Zum anderen wurde der elektronische Energieverlust während der Bestrahlung erhöht, da dies leitfähigere Spuren erzeugt. Der elektronische Energieverlust von 1 GeV U-Ionen in ta-C ist 40 keV/nm. Die Proben wurden des Weiteren mit C60 Molekülen bestrahlt. Deren elektronischer Energieverlust in ta-C, welcher aus der Summe der Energieverluste der einzelnen Atome berechnet wird, beträgt 72 keV/nm. Die ta-C Proben wurden auf zwei Arten untersucht, Rasterkrapftmikroskopie (AFM) mit leitfähiger Cantilever und makroskopischen Transportmessungen. Das Dotieren von ta-C ermöglicht leitfähigere Ionenspuren. Die besten Ergebnisse wurden mit Kupferdotierung erreicht. Alle anderen Dotierungen erhöhten die Leitfähigkeit des unbestrahlten Materials soweit, dass der Leitfähigkeitskontrast stark verringert wurde. Durch die C60-Bestrahlung entstehen gut leitfähige Spuren. Die Spuren zeigen nach Ionenbestrahlung eine von Spur zu Spur stark variierende Leitfähigkeit, sichtbar in den AFM-Aufnahmen. Nach der C60-Bestrahlung besitzen alle Spuren die gleiche Leitfähigkeit.Der andere untersuchte Effekt der Schwerionenbestrahlung ist die Möglichkeit des ionenstrahlinduzierten Ausheilens. Prinzipiell hat ionenstrahlinduziertes Ausheilen Vorteile gegenüber anderen Ausheilmethoden, wie sehr lokale Erhitzung für eine sehr kurze Zeitspanne (1 ps), Probenzersetzung und Diffusion der Dotieratome können so vermieden werden. Ionenstrahlinduziertes Ausheilen wurde an drei unterschiedlichen Halbleitern untersucht; Galliumnitrid, Diamant und Siliziumkarbid. Diese Materialen wurden mit verschiedenen Ionensorten bei verschiedenen Energien bestrahlt. GaN wurde bei Raumtemperatur bestrahlt, die anderen Materialien wurden bei höheren Temperaturen bestrahlt. Die Proben wurden entweder mit Mg-Ionen (GaN) oder Ar-Ionen (Diamant, SiC) zur Vorschädigung implantiert. Die Kristallqualität vor und nach der Schwerionenbestrahlung wurde mit der Lumineszenzanalyse untersucht.Ein Ausheileffekt wurde für niedrig dotiertes GaN (3 x 1013 Mg-Ionen/cm2) nach Bestrahlung mit 578 MeV Cr-Ionen (8 keV/nm) bei kleiner Bestrahlungsfluenz (5 x 1011 Ionen/cm2) nachgewiesen. Das Intensitätsverhältnis von bandkantennaher Lumineszenz zur Lumineszenz im Blauen konnte als empirisches Maß für die Kristallqualität verwendet werden. Magnesiumtypische Lumineszenz ist nicht beobachtet worden. Ein Ausheileffekt vergleichbar zu dem Effekt in GaN konnte für Diamant nicht nachgewiesen werden. Nichtsdestotrotz zeigt die Lumineszenzanalyse, dass unimplantierter Diamant durch die Schwerionenbestrahlung nicht geschädigt wird. SiC wird durch Schwerionenbestrahlung lediglich weiter geschädigt. Diese Ergebnisse unterstützen die Möglichkeit des ionenstrahlinduzierten Ausheilens unter gewissen Vorbedingungen.