Анотація до роботи:

Юхимчук В. О. Оптичні та морфологічні властивості низьковимірних структур на основі кремнію, германію та їх твердих розчинів. – 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, 2008.

Дисертацію присвячено вирішенню проблеми встановлення механізмів та особливостей фізичних процесів, які визначають формування германій-кремнієвих наноструктур, та взаємозв’язок морфологічних характеристик з їх структурними та оптичними властивостями. В роботі узагальнено результати досліджень морфологічних, структурних та оптичних властивостей самоіндукованих наноострівців, сформованих в процесі молекулярно-променевої епітаксії, при варіюванні різних технологічних параметрів. Показано, що в процесі самоіндукованого формування GeSi нанострівців на Si підкладках важливу роль відіграє інтердифузія, обумовлена неоднорідними напруженнями як в самих острівцях, так і в областях підкладки, що їх оточують. Значне компонентне перемішування в острівцях впливає на величини механічних напружень, їх розміри та визначає критичний об’єм, при якому відбуваються переходи з пірамідальної форми росту до куполоподібної. Встановлено, що на остаточні властивості наноструктур з GeSi острівцями впливають як параметри буферних шарів, на які епітаксіально осаджується германій, так і процеси покриття острівців кремнієвим шаром, оскільки їх форма, компонентний склад та ступінь релаксації залежать від температури зарощування та товщини покривного шару. В роботі продемонстрована можливість використання багатошарових структур з GeSi острівцями як детекторів випромінювання для ближньої ІЧ області. Показано, що для планарних SiGe шарів, сформованих на Si підкладках, легування вуглецем з рівномірним та нерівномірним профілем його розподілу дозволяє контролюючим чином впливати на процеси релаксації напружень в структурах. Досліджено випромінювальні процеси в наноструктурах, сформованих на основі Si при трансформації монофазної системи SiO_x в двофазну (Si+SiO₂) під впливом термічних відпалів.

У дисертації вирішено наукову проблему встановлення механізмів та особливостей фізичних процесів, які визначають формування германій-кремнієвих наноструктур, та взаємозв’язок їх морфологічних характеристик із структурними та оптичними властивостями.

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

1. Встановлено, що реальний процес самоіндукованого формування GeSi наноострівців на кремнієвій підкладці відрізняється від класичного росту згідно моделі Странського-Крастанова, в якій не враховується аномально інтенсивна поверхнева дифузія атомів кремнію з підкладки, індукована великими градієнтами неоднорідних напружень як в самих наноострівцях, так і в прилягаючих до них областях. Саме дифузія кремнію з підкладки призводить до формування наноострівців з GeSi компонентним складом. Цей процес особливо актуальний для наноострівців, що формуються при температурах 600^оС та вище.

2. Встановлено, що величина критичного об’єму острівців, при якому здійснюється трансформація пірамідальних острівців в куполоподібні, в першу чергу, залежить від температури їх росту, оскільки вона впливає на поверхневу дифузію Si, що приводить до збільшення в пірамідах долі кремнію і, відповідно, до зменшення їх пружної та повної енергії, в результаті чого острівці залишаються стабільними до значно більших критичних об’ємів.

3. На основі теоретичного аналізу залежностей величини повної енергії острівців від їх геометричних і структурних параметрів та компонентного складу запропоновано модель, яка описує можливі переходи острівців пірамідальної форми в куполоподібну та навпаки. При чисельному аналізі досліджено вплив на величину механічних напружень в острівцях таких факторів як коефіцієнт термічного розширення та концентрація кремнію. Показано, що в області температур від 200 до 750^оС вплив цих факторів є протилежним, тому величина результуючого напруження залежить від того, який з них переважає.

4. Встановлено, що при формуванні наноострівців на напружених Si_1-xGe_x буферних шарах (0.1x0.25) порівняно із традиційним кремнієвим буфером збільшується критичний об'єм острівців, при якому починається їх трансформація з пірамідальної форми в куполоподібну, що пов’язано зі збільшенням вмісту Si в острівцях на початковому етапі їх формування. Показано, що використання напружених Si_1-xGe_x шарів як буферів для епітаксії германію, сприяє латеральному впорядкуванню сформованих на них острівців.

5. Встановлено, що для надграток з наявними в них вертикально корельованими GeSi наноострівцями частотне положення смуг, які є проявом згортки акустичних фононів в спектрах КРС, визначається товщиною кремнієвого спейсера та реальною висотою наноострівців, а не номінальною товщиною осадженого германію.

6. Встановлено, що для багатошарових структур із GeSi квантовими точками, сформованими в діапазоні температур 300-500^оС, мінімальна енергія квантів, при якій спостерігається фотострум, менша за ширину забороненої зони КТ, що пояснюється непрямими переходами дірок з валентної зони GeSi КТ у валентну зону кремнієвої матриці.

7. Встановлено, що градієнтне легування вуглецем тонких (до 100 нм) SiGe шарів, сформованих на Si підкладках, дозволяє реалізувати необхідний просторовий розподіл пружної деформації та збільшує термостабільність шарів.

8. Встановлено, що “вставка” SiGe:C шару в SiGe плівку в процесі її епітаксійного росту приводить до пошарової релаксації структури, що дозволяє сформувати на поверхні SiGe плівки кремнієвий шар з наявними в ньому значними напруженнями розтягу.

9. Дослідження процесів формування нанокристалів кремнію в SiO₂-матрицях з використанням комплексу методів ЕПР, КРС, ІЧ-поглинання, оптичного пропускання та ФЛ, дозволило розділити випромінювання, обумовлене структурними дефектами та формуванням кремнієвих нанокластерів.

10. Проаналізовані різні механізми підсилення непружного розсіювання світла пористого кремнію в залежності від співвідношення діаметра пор та довжини хвилі збуджуючого випромінювання. Встановлено, що для макропористого Si (d_пор.>l_зб.) значне (в ~5 разів) підсилення інтенсивності смуг КРС в порівнянні з об’ємним Si обумовлене більш ефективним збудженням та виведенням непружньо розсіяного світла через макропори.

Публікації автора:

1. Gomeniuk Y. V. Properties of SiGe/Si heterosructures fabricated by ion implantation technique / Gomeniuk Y. V., Lysenko V. S., Osiyuk I. N., Tyagulski I. P., Valakh M. Ya., Yukhimchuk V. A., Willander M., Patel C. J. // Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics. – 1999. –V. 2, № 3. – P. 74–80.

2. Братусь В. Я. Структурные превращения и образование нанокристаллитов кремния в пленках SiO_x / Братусь В. Я., Юхимчук В. А., Бережинський Л. Й., Валах М. Я., Ворона І. П., Індутний І. З., Петренко Т. Т., Шепелявий П. Є., Янчук І. Б. // ФТП. – 2001. – Т.35, № 7, – С. 854–860.

3. Vostokov N. V. The relation between composition and sizes of GeSi/Si (001) islands grown at different temperatures / Vostokov N. V., Gusev S. A., Drozdov Yu. N., Krasilnik Z. F., Lobanov D. N., Mesters N., Miura M., Moldavskaya L. D., Novikov A. V., Pascual J., Postnikov V. V., Shiraki Y., Yukhimchuk V. A., Usami N., Valakh M. Ya. // Phys. Low-Dim. Struct. – 2001. –V. 3/4. – P. 295–302.

4. Krasilnik Z. F. Microscopic and optical investigation of Ge-nanoislands on silicon substrates / Krasilnik Z. F., Lytvyn P. M., Lobanov D. N., Mestres N., Novikov A. V., Pascual J., Valakh M. Ya., Yukhymchuk V. A. // Nanotechnology. – 2002. –V. 13. –
   P. 81–85.

5. Artamonov V. V. Study of mechanical strain in Si_1-xGe_x layers using Raman spectroscopy / Artamonov V. V., Valakh M. Ya., Dzhagan V. N., Politansky R. L., Yukhimchuk V. O. // Functional Materials. – 2002. – V. 9, № 2. – P. 232–236.

6. Валах М. Я. Влияние диффузии Si на рост, параметры и фотолюминесценцию самоорганизующихся островков GeSi/Si (001) / Валах М. Я., Востоков Н. В., Гусев С. А., Дроздов Ю. Н., Красильник З. Ф., Лобанов Д. Н., Молдавская Л. Д., Новиков А. В., Постников В. В., Степихова М. В., Усами Н., Шираки Ю., Юхимчук В. А. // Известия академии наук. Серия физическая. – 2002. – Т. 66, № 2. – С. 161–164.

7. Khomenkova L. Defect-related luminescence of Si/SiO₂ layers / Khomenkova L., Korsunska N, Torchynska T., Yukhimchuk V., Jumayev B., Many A., Goldstein Y., Savir E., Jedrzejewski J. // Journals of Physics: Condensed Matter. – 2002. – V. 14. –P. 13217–13221.

8. Terranova M. L. Nanocomposite Si/Diamond layers: room temperature visible-light emitting systems / Terranova M. L., Sessa V., Botti S., Rossi M., Motsnyi F. V., Konchits A. A., Lytvyn P. M., Yukhymchuk V. O. // Chemical Vapor Deposition. –
   2003. – V. 9, № 3. – P. 139–143.

9. Валах М. Я. Исследование влияния углерода на свойства гетероструктур Si/SiGe / Валах М. Я., Джаган В. Н., Матвеева Л. А., Оберемок А. С., Романюк Б. Н., Юхимчук В. А. // ФТП. – 2003. – Т. 37, Вып. 4. – C. 460–464.

10. Dzhagan V. N. Investigation of the optical and acoustical phonon modes in
    Si_1-xGe_x QD SL's / Dzhagan V. N., Krasil’nik Z. F., Lytvyn P. M., Novikov A. V,
    Valakh M. Ya., Yukhymchuk V. O. // Semiconductor Physics. Quantum Electronics & Optoelectronics. – 2003. – V. 6, № 2. – P. 164–168.

11. Yukhymchuk V. O. Theoretical and experimental investigations of single- and multilayers with SiGe nanoislands / Yukhymchuk V. O., Yaremko A. M., Valakh M. Ya., Novikov A. V., Mozdor E. V., Lytvyn P. M., Krasilnik Z. F., Dzhagan V. N. // Material Science and Engineering C. – 2003. –Vol. 23. – P. 1027–1031.

12. Валах М. Я. Влияние интердиффузии на компонентный состав и релаксацию механических напряжений в самоиндуцированных SiGe островках / Валах М. Я., Гудименко О. Й., Джаган В. М., Кладько В. П., Красильник З. Ф., Литвин П. М., Мачулин В. Ф., Новиков А. В., Юхимчук В. А. // Металлофизика и новейшие технологии. – 2004. – № 6. – С. 741–745.

13. Yukhymchuk V. O. Optical and acoustical phonon modes in superlatttices with SiGe QDs / Yukhymchuk V. O., Dzhagan V. M., Klad'ko V. P., Lytvyn O. S., Machulin V. F., Valakh M. Ya., Yaremko A. M., Milekhin A. G., Krasil'nik Z. F., Novikov A. V., Mestres N., Pascual J. // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. – 2004. – Vol. 7, № 4. – P. 456–461.

14. Валах М. Я. Спектроскопия комбинационного рассеяния света и электроотражение самоорганизованных SiGe–наноостровков, сформированных при различных температурах / Валах М. Я., Голиней Р. Ю., Джаган В. Н., Красильник З. Ф., Литвин О. С., Лобанов Д. Н., Милехин А. Г., Никифоров А. И., Новиков А. В., Пчеляков О. П., Юхимчук В. А. // ФТТ. – 2005. – Т. 47, Вып. 1. – С. 54–57.

15. Valakh M. Ya. Raman study of self-assembled SiGe nanoislands grown at low temperatures / Valakh M. Ya., Yukhymchuk V. O., Dzhagan V. M., Lytvyn O. S., Milekhin A. G., Nikiforov A. I., Pchelyakov O. P., Alsina F., Pascual J. // Nanotechnology. – 2005. –V. 16. – P. 1464–1468.

16. Romanjuk B. Enhanced relaxation of SiGe layers by He implantation supported by in situ ultrasonic treatments / Romanjuk B., Kladko V., Melnik V., Popov V., Yukhymchuk V., Gudymenko A., Olikh Ya., Weidner G., Kruger D. // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2005. –V. 8. –P. 171–175.

17. Валах М. Я. Компонентний склад та пружна деформація в зарощених самоорганізованих SiGe-наноострівцях / Валах М. Я., Джаган В. М., Красильник З. Ф., Литвин О. С., Новіков О. В., Юхимчук В.О. // Укр. фіз. журн. – 2005. – Т. 50, № 9. –C. 987–990.

18. Валах М. Я. Ообенности роста самоиндукцированных SiGe наноостровков на SiGe буфере / Валах М. Я., Джаган В. Н., Красильник З. Ф., Литвин О. С., Лобанов Д. Н., Новиков А. В, Юхимчук В. А. // Нано и микросистемная техника. – 2005. – № 6. – С. 8–12.

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

20. Yaremko A. M., Dzhagan V. M., Lytvyn P. M., Yukhymchuk V. O., Valakh M. Ya. Effect of surface energy minima on the shape of self-induced SiGe nanoislands / Yaremko A. M., Dzhagan V. M., Lytvyn P. M., Yukhymchuk V. O., Valakh M. Ya. // Phys. Stat. Sol. (b). – 2005. –V. 242, N. 14. – P. 2833–2837.

21. Кладько В. П. Прояв просторового упорядкування квантових острівців у багатошарових наноструктурах SiGe у рентгенівській дифракції / Кладько В. П., Мачулін В. Ф., Єфанов О. М., Юхимчук В. О., Гудименко О. Й., Когутюк П. П., Шалімов А. В. // Укр. фіз. журн. – 2005. –Т. 50, № 9. – С. 976–980.

22. Yaremko A. M. Experimental and theoretical study of the influence of growth temperature on composition in self-assembled SiGe QDs / Yaremko A. M., Yukhymchuk V. O., Valakh M. Ya., Novikov A. V., Melnik V. P., Lytvyn O. S., Lobanov D. N., Krasil’nik Z. F., Klad’ko V. P., Dzhagan V. M. // Materials Science & Engineering B. – 2005. –V. 25. – P. 565–569.

23. Korsunska N. Raman scattering characterization of macro- and nanoporous silicon / Korsunska N., Bulakh B., Jumayev B., Khomenkova L., Yukhymchuk V., Torchynska T. // Applied Surface Science. – 2005. –V. 243. – P. 30–35.

24. Валах М. Я. Властивості та взаємоперетворення cамоіндукованих SiGe-наноострівців різної форми / Валах М. Я., Джаган В. М., Красильник З. Ф., Литвин О. С., Лобанов Д. Н., Новіков О. В., Юхимчук В. О. // Укр. фіз. журн. – 2006. – Т. 51, № 2. – С. 204–210.

25. Valakh M. Ya. Strain relaxation in thin SiGe epilayers doped with carbon / Valakh M. Ya., Dzhagan V. M., Lytvyn O. S., Melnik V. P., Romanjuk B. M., Yukhymchuk V. O. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B. – 2006. – V. 252. – P. 27–30.

26. Valakh M. Ya. Optical and photoelectrical properties of GeSi nanoislands / Valakh M. Ya., Dzhagan V. M., Yukhymchuk V. O., Vakulenko O. V., Kondratenko S. V., Nikolenko A. S. // Semicond Sci Technol. – 2007. – V. 22. – P. 326–329.

27. Kondratenko S. V. Band offsets and photocurrent spectroscopy of Si/Ge heterostructures with quantum dots / Kondratenko S. V., Nikolenko A. S., Vakulenko O. V., Valakh M. Ya., Yukhymchuk V. O., Dvurechenskii A. V., Nikiforov A. I. // Nanotechnology. – 2008. –V. 19. – P. 145703 (5 pp).

28. Востоков Н. В. Влияние диффузии Si на рост, параметры и фотолюминесценцию GeSi/Si (001) самоорганизующихся островков / Востоков Н. В., Гусев С. А., Дроздов Ю. Н., Красильник З. Ф., Лобанов Д. Н., Молдавская Л.Д, Новиков А. В., Постников В. В., Степихова М. В., Miura M., Usami N., Shiraki Y., Юхимчук В. А., Валах М. Я., Mesters N., Pascual J. // Материалы совещания “Нанофотоника”, Н. Новгород. – 2001. – C. 28–31.

29. Раранський М. Д. Дослідження структур Si_xGe_1-x-Si_, модифікованих імплантацією іонів вуглецю та кисню / Раранський М. Д., Фодчук І. М., Політанський Р. Л., Мельник В. П., Юхимчук В. О. // Науковий вісник Чернівецького університету. – 2001. – Вип. 102. Фізика. Електроніка. – С. 24–28.

30. Drozdov Yu.N. Room-temperature photoluminescence of GeSi/Si (001) self-assembled islands in a 1.3-1.7 mm wavelengh range / Drozdov Yu.N., Krasilnik Z. F., Lobanov D. N., Novikov A. V., Valakh M. Ya., Vostokov N. V., Yablonsky A. N., Yukhymchuk V. A. // Proc. of 10^th Int. Symp. “Nanostructures: Physics and Technology”. St Petersburg, Russia. – 2002. – P. 183–186.

31. Данько В. А. Формування фотолюмінесцентних структур на основі поруватих плівок SiO_x / Данько В. А., Індутний І. З., Майданчук І. Ю., Минько В. І., Шепелявий П. Є., Юхимчук В. О. // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 2004. – Вып. 39. – С. 66–72.

32. Юхимчук В. А. Особености роста самоорганизованных SiGe наноостровков на Si и SiGe подложках / Юхимчук В. А., Валах М. Я., Джаган В. Н., Литвин О. С., Кравчук И. Н., Красильник З. Ф., Новиков В. А., Лобанов Д. Н. // Сборник трудов IV Межд. конф. “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. –
    С.- Петербург, 2004. – C. 143–144.

33. Валах М. Я. Оcобенности релаксации напряжений SiGe наноостровков различной формы / Валах М. Я., Джаган В. Н., Красильник З. Ф., Литвин О. С., Лобанов Д. Н., Новиков А. В., Юхимчук В. А. // VI Межд. укр-рос. семинар “Нанофизика и Наноэлектроника”. – К., 2005. – С. 109–110.

34. Юхимчук В. А. Релаксация напряжений в GeSi наноостровках, закрытых кремниевым слоем / Юхимчук В. А., Валах М. Я., Джаган В. М., Литвин О. С., Яремко А. М. // Сб. трудов V Межд. конф. “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”. – С.-Петербург, 2006. – C. 228–229.

35. Романюк Б. М. Фотолюмінесценція нанокластерів у шарах SiO₂, імплантованих іонами кремнію та вуглецю / Романюк Б. М., Попов В. Г., Мельник В. П., Гамов Д. В., Юхимчук В. О., Оберемок О. С., Григор’єв А. А., Хацевич І. М., Калістий Г. В. // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 2007. – Вып. 42. – С. 97–102.

36. Юхимчук В. А. Оптические и структурные свойства нанокластеров, сформированных имплантацией в SiO₂ ионов Si⁺ (Ge⁺, C⁺) / Юхимчук В. А., Братусь В. Я., Валах М. Я., Мельник В. П., Романюк Б. Н., Хацевич И. М. // Сб. трудов XI международн. симп. “Нанофизика и наноэлектроника”. – Н. Новгород, 2007. – Т 2. – С. 442–443.