O’zbekiston respublikasi oliy va o’rta maxsus ta’lim vazirligi z. M. Bobur nomidagi andijon davlat univesiteti

2.2. Kremniy sirtida lazer nurlari yordamida shakllantirilgan mikrotuzilmalarning olingan tuzilmalarning elektrofizik xossalariga ta’siri
Kremniy zamonaviy yarimo'tkazgichli mikroelektronika va integral optikada eng ko'p qo'llaniladigan materiallardan biridir. Kremniyning optik, elektr, fizik va fotolyuminestsentsiyalanish xususiyatlari kremniy sirtining morfologiyasi va tuzilishi bilan belgilanadi. Kremniy sirtining morfologiyasi va tuzilishini o'zgartirish orqali uning xususiyatlarini ham o'zgartirish mumkin.
Dissertatsiya ishining usbu bo’limida kremniy sirtini lazer nurlari yordamida mikrotuzilmalarni shakllanishi bo'yicha tajriba o'tkazilgan, bu nafaqat kremniy sirtini, balki uning fizik, elektr va optik xususiyatlarini o'zgartirishga va shunga mos ravishda ushbu materiallarning qo’llanish sohasi ko'lamini sezilarli darajada kengaytirishga imkon beradi.
Ilmiy tadqiqot ishda to'lqin uzunligi infraqizil oraliqda λ=10,6 mkm, impulsning davomiyligi τ = 0,88×10^-4 s, impuls chastotasi f =80 Hr va nurlanish quvvati Р=0,3 Vt bo'lgan CO₂ lazeridan foydalaniladi, shuningdek skanerlash tezligi v = 2,5 mm/s tashkil etdi. Tadqiqot ob’yekti sifatida 0,38 mm qalinlikdagi (100) kristallografik yo’nalishiga ega bo’lgan monokristall kremniy plastinalari ishlatilgan. Berilayotgan lazer nurlarini kremniy tomonidan yutilishini faollashtirish uchun shisha tagliklarga kremniy plastinasi joylashtirildi. Skanerlash jarayoni ochiq atmosfera bosimi ostida plastinaning taglik kesimiga nisbatan turli yo'nalishlarda, ya’ni parallel, perpendikulyar hamda 45 ° burchak ostida amalga oshirildi.
Lazer nurining ishlov beriladigan tagliklar yuzasiga nisbatan ko’chuvchi qurilmaning tiizmli tarzda 2.2.1-rasmda ko'rsatilgan. 2.2.1-rasmdan ko'rinib turibdiki, nurlanish sohasining o'lchami d uning ishchi maydoni y markaziga nisbatan joylashishiga bog'liq. Nurni egilganida nurlanish sohasi hajmining oshishi ikki sababga ko'ra, yani nurning defokuslanishi va nurning ishlov berilgan sirtga qiyshiq ta’siri tufayli sodir bo'ladi.
Ta'riflangan usul bilan tayyorlangan namunalarning elektrofizik va tuzilmaviy xususiyatlarini o'rganish uchun katodolyuminesans va volt-amper xarakteristikalarini o'lchash usullari qo'llanilgan.

2.2.1-rasm. Lazer nurlarinii skanerlashda nurlangan maydonning o'zgarishi.

Luminescentsiyalanish tadqiqot usullari kremniy ikki oksidining tuzilishini o'rganishda eng ko’p ma’lumotlar beruvchi usullardan biridir. Elektrolyuminesentsiyalanish usuli ko'pincha yupqa dielektrikli metall oksid yarimo’tkazgich tuzilmalarida generatsiya va rekombinatsiya jarayonlarini o'rganish, shuningdek, kremniy nanokristallarini o'z ichiga olgan yorug'lik chiqaradigan nanokompozitlarni tok kuchi bilan damlash imkoniyatlarini o'rganish uchun ishlatiladi.
Katodolyuminesentsiya usuli fotoluminesiya usuliga nisbatan bir qator afzalliklarga ega bo’lishiga qaramasdan nisbatan kamdan-kam qo'llaniladi. Ular orasida oksidli plyonkaning chuqurligi bo'yicha aniqlik bilan spektrlarni qayd etish imkoniyatini, shuningdek, yuqori qo'zg'alish energiyasiga ega bo'lgan lyuminestsent markazlarni o'rganish imkonini beruvchi ionlashtiruvchi nurlanishning yuqori energiyasini qayd etish mumkin. Umuman olganda, katod va fotoluminesentsiya spektrlari juda o'xshashligini ta'kidlash kerak.
Si/SiO₂ tizimining katodolyuminesentsiya xususiyatlarini tadqiqi qilish spektrning ko'rinadigan sohasida (350÷750 nm) namunalarning katodolyuminesentsiya nurlanishini qayd qiluvchi optik spektrometr bilan jihozlangan “Cameca” (Frantsiya) firmasining “Camebax” elektron-zondli mikroanalizatorida amalga oshirildi.
Olingan namunalarning volt-amper xarakteristikalari L2-56 xarakteriografi va zondli qalpoqchalar yordamida tekshirildi. Tajriba uchun ikkita lazer nurlantirilgan namunalar sof monokristalli kremniy va oldindan oksidlangan monokristalli kremniy ishlatildi. O'rganilayotgan namunalar shisha tagliklarga joylashtirildi. Ohmik kontaklarni ta'minlash, shuningdek, kontaktda tekislashni istisno qilish uchun InGa qotishmasi SiO₂ oksididan tozalangan sirt maydoniga surtilgan.
Turli xil silikat tizimlarining luminesentsiya spektrlarida tuzilmaviy nuqsonlar, ya’ni bog’lanmagan kislorod atomi va ikki koordinatsiyalangan kremniy atomi tufayli yuzaga keladigan ikkita aniq cho'qqilarni ajratish mumkin [43, 44].
Keling, ushbu nuqsonlarning tuzilishini va ularning spektral xususiyatlarini batafsil ko'rib chiqaylik. 2.2.2-rasmda KI toifali kvarts oynaning katodolyuminesentsiya spektri ko'rsatilgan, u to'g'ri stexiometriya va yuqori kimyoviy tozaligi, xususan, gidroksil guruhlarining past miqdori bilan ajralib turadi.
Taqdim etilgan spektrdagi 1,94 eVdagi lyuminestsentsiya sohasini oyna tuzilmasida Si-O bog'lanishlari mavjudligi bilan bog'liq bo'lib, bu bir-birini to'ldiruvchi nuqsonlarning paydo bo'lishiga olib keladi: bu sohada lyuminesansentsiyalanish jarayonini shakllantiruvchi bog’lanmagan kislorod atomi ≡SiO•, va E'-markazni ifodalovchi uch koordinatali kremniy atomi ≡Si•. Bu yerda “–” belgisi kimyoviy bog‘lanishni, “•” esa juftlashtirilmagan elektronni bildiradi.
1,9 eV sohadagi luminesentsiya oralig’i bog’lanmagan kislorod atomining bo'lingan 2p holatlari orasidagi elektron o'tishlar bilan bog'liq. Bu holatlardan biri toʻldirilgan 2p_x orbital, ikkinchisi esa juftlashtirilmagan elektronga ega boʻlgan 2p_y orbitaldir.
2p holatlarining bo'linish sabablari Yan-Teller dinamik effekti asosida, ya’ni bog’lanmagan kislorod atomi kremniy-kislorod tetraedrining tepasida kirib, xuddi shu tetraedrdagi boshqa kislorod atomlari bilan kimyoviy bog'lanish hosil qilganda tushuntiriladi. [45].
[44] ilmiy tadqiqot ishida keltirilgan ma’lumotlarga ko'ra 2,7 eV lyuminesentsiya diapazoni ikki koordinatalashgan kremniy atomi =Si: molekulyar to’plamidagi singlet-triplet ajralishlar bilan bog'liq bo’ladi.

2.2.2-rasm. Toza KI markali kvarts oynasining katodolyuminesentsiya spektri.

Shunday qilib, silikat tizimlarining spektrlaridagi 1,9 eV va 2,7 eV diapazonlari mos ravishda kislorodga boy va kremniyga boy nuqsonlar mavjudligini ko'rsatadi degan xulosaga kelish mumkin [43-45]. Kremniydagi termal oksidning lyuminesentsiya spektrlarida, qo'shimcha ravishda, spectral cho’qqilar ko'pincha yashil sohada (2,2÷2,5 eV, 2.2.3-rasm qarang) kuzatiladi, ular kvarts oynasi spektrlarida yo'q, lekin opal-kremniy nanokompozitlari uchun xarakterlidir, bu esa o’z navbatida oksidda kremniy nanoklasterlar mavjudligini ko'rsatadi. Bunday cho'qqilarning aniq joylashuvi va intensivligi harorat va oksidlanish muhitiga, taglikning o'tkazuvchanligi turiga, issiqlik bilan ishlov berish me’yoriga va qatlam qalinligi bo'ylab lyuminestsentsiya markazlarning taqsimlanishiga bog'liqdir [43-47].
Tadqiq qilinayotgan ishda katodolyuminesentsiya spektrlari ikkita namuna uchun qayd etilgan: 1-namuna, lazer bilan nurlantirilgan toza monokristalli kremniy va 2-namuna, lazer bilan nurlantirilgan oksidli kremniy. Ikkala namunaning har biri uchun nurlantirilgan sohalarda katodolyuminesentsiya ko'rsatkichlari olingan. 1-namuna uchun luminesentsiya spektri qo'shimcha ravishda nurlanish sohasidan tashqarida olingan. Luminesentsiya energiyasi 5 keV bo'lgan elektron nur tomonidan qo'zg'atildi, namuna orqali 20 nA tok o’tadi va barcha namunalar uchun ta'sir qilish vaqti 0,3 s tashkil etadi. Olingan namunalarning katodolyuminesans spektrlari 4, 5, 6-rasmda ko'rsatilgan.

2.2.3-rasm. SiO2 oksidli monokristalli kremniyning katodolyuminesentsiya spektri.

Keling, ushbu luminesentsiya spektrlarini batafsil ko'rib chiqaylik. 1-namunaning yuzasida nurlantirilgan sohadan tashqarida faqat yupqa tabiiy oksid qatlami mavjud. Uning lyuminesentsiya spektrida 1,94 eV, 2,25 eV va 2,65 eV energiyaga mos keladigan uch xil spectral cho'qqilarni ajratish mumkin. Tabiiy oksid qatlamining qalinligi kichik bo'lganligi sababli, bu spectral cho’qqilar yaqqol kuzatilmagan (2.2.4-rasm).
Nurlantirilgan sohada olingan 1-namunaning luminesentsiya spektri 2,25 eV energiyaga mos keladigan bitta yorqin spectral cho’qqi aniq kuzatilgan (2.2.5-rasm). 1,97 eV va 2,67 eV energiyalariga mos keladigan boshqa spectral cho’qqilar kuzatilmagan, ya'ni yuqorida aytib o'tilganidek, kislorod bilan boyitilgan va kremniy bilan boyitilgan nuqsonlar mavjud emas. Ta'kidlash kerakki 2,25 eV energiyaga mos keladigan spekral cho’qqinin yuqori intensivligini ega. Bu esa o’z navbatida nurlanishdan so'ng, kremniy atomlari bilan o'ta to'yingan oksidda tuzilgan sirtda monokristall kremniy nanoklasterlari hosil bo'layotganligidan dalolat beradi.

2.2.4-rasm. Monokristall kremniyning nurlanish sohasidan tashqarida olingan katodolyuminesentsiya spektri (1-namuna).

2.2.5-rasm. Lazer nurlanishidan keyin oksidlangan monokristall kremniyning nurlangan joylarida olingan katodolyuminesentsiya spektri (2-namuna).

Oksidlangan monokristalli kremniyning nurlantirilgan sohalardan olingan lyuminesentsiya spektrida, monokristall kremniy holatiga o'xshash 2,25 eV energiyaga to'g'ri keladigan faqat bitta yorqin spectral cho’qqi aniq ajralib turadi (2.2.6-rasm). Farqi shundaki, 1,97 eV energiyada yangi turdagi oksid ta'sirining paydo bo'lishini tavsiflovchi to'siq hosil bo'ldi. Hozirda bu cho'qqiga to'g'ri tushuntirish berish qiyin.

2.2.6-rasm. Oksidlangan monokristalli kremniyning nurlantirilgan sohalardan olingan lyuminesentsiya spektri (2-namuna).

Oksidlanmagan namuna uchun, metall-yarimo'tkazgichli kontakt orqali hosil bo'lgan an'anaviy nuqtaviy diodining xarakteristikasiga o'xshash, me’yoriy volt-amper xarakteristikasi kuzatiladi (2.2.7-rasmga qarang).
Lazer nurlanishidan oldin oksidlangan namunalarda SiO₂ qatlamining tunnellanish hodisasi taxminan 60 V kuchlanishda sodir bo'ladi. Tunnellanish hodisasidan keyin volt-amper xarakteristikani o'lchashda uning me’yoriy holatidan ozgacha ko’rinishi kuzatiladi (2.2.8-rasm). 2.2.8-rasmdan namunaga berilayotgan kuchlanishning teskari yo’nalishida tok kuchining keskin ortishi namoyon bo’ldi, bu esa o’z navbatida 30÷50 V teskari kuchlanish oralig'ida tok kuchi asta o’zgarishi davomida kuzatiladi. Tok kuchi asta o’zgarishi shundan iboratki, tekshirilayotgan p-n tuzilmani 60 V kuchlanishda ushlab turgandan so'ng, volt-amper xarakteristikanining teskari yo’nalishidagi tokning o'zgarish chizig’i bilan ko'rsatilgan egri uzuq-uzuq chiziq bo'ylab kuzatiladi. Yuqorida keltirilgan volt-amper xarakteristikasining teskari yo’nalishi nuqsonlar orqali tok o’tishi natijasida takroriy shakllanadigan tuzilmaviy nuqsonlar mavjudligi bilan bog'liq bo'lishi mumkin.

2.2.7-rasm. Lazer bilan nurlantirilgan oksidlanmagan monokristall kremniy namunasining volt-amper xarakteristikasi.

2.2.8-rasm Lazer bilan nurlangan oksidlangan monokristalli kremniy namunasining volt-amper xarakteristikasi.

Amalga oshirilgan tadqiqqt ishlar natijasida turli xil nurlanish energiyasiga ega bo'lgan sohalarni shakllantirishni ta'minlaydigan, kremniy sirtida mikrotuzilmalar shakllantirishning texnologik jarayoni ishlab chiqildi.
Oksidlanmagan monokristall kremniyni lazer nurlari bilan nurlantirish natijasida 2,25 eV energiyaga to'g'ri keladigan katodolyuminesentsiya spektri paydo bo'ldi va bu kremniy-oksid tuzilmasida kremniy nanoklasterlarining mavjudligi haqida guvohlik beradi.
Oksidlangan namunalarning katodolyuminesentsiya spektrida qo'shimcha spectral cho’qqi paydo bo'ldi va bu yangi turdagi oksid qatlam hosil bo’lishi tufayli yuzaga kelishidan dalolat beradi.
Nurlantirilgan sohalarning volt-amper xarakteristikasini tekshirish natijasida nurlanishdan oldin oksidlangan namunalarda teskari volt-amper xarakteristikasining me’yoriy holatdan chetlashuvchi bog'liqlik borligi aniqlandi.