Φασματοσκοπική μελέτη συμπαγών και στρωματικών ημιαγώγιμων υλικών, υπό ελαστική παραμόρφωση

Abstract

The subject of this dissertation is the study, through Raman spectroscopy, of the uniaxial stress influence on certain bulk cubic crystals, and the strain characterization of semiconductor systems. Finally, theoretical calculations are presented on of the elastic and lattice dynamical constants of polycrystalline films of cubic materials exhibiting texture along an arbitrary direction. The effect of uniaxial stress, on the long wavelength optical phonons of InSb and ZnS, is studied at room temperature using first order Raman scattering. From the observed frequency shifts and degeneracy splitting of both transverse-optical and longitudinal-optical phonons, values for the Phonon Deformation Potentials (PDP's) are obtained. Using the obtained PDP's, a strain characterization was carried out, on InSb-(lll) layers with regularly distributed Al contacts. The same PDP values are also used to analyze previously published results of strain effects in (001) InSb/Ini_xAlxSb super lattices. The PDP values of ZnS are also used to predict the LO phonon frequency shifts in strained (001) ZnTe/ZnS and (001) ZnSe/ZnS super lattices as a function of the layer thickness. Stress characterization has also performed on (001) freestanding crystalline silicon cantilever and large polycrystalline silicon membranes in the form of freestanding bridges and pads. Stresses within the above mentioned structures are measured through micro-Raman spectroscopy, and a different model was used in each case, in order to calculate the stresses from the observed Raman shifts. A detailed study of stress distribution along the cantilever, the membranes and the pads has performed, as a function of thickness and annealing treatment. Stress measurements are also, performed, on the surface of (001) Si substrates under S1O2 epilayers. A detailed study, also, of stress and strain distribution along the surface of the substrate has performed, as a function of thicknesses and different processing techniques of S1O2 epilayers, using an analytical line force model. Finally, based on the invariance properties of fourth-rank tensors, within the Voight-Reuss-Hill averaging procedure, the elastic stiffness and compliance of cubic polycrystalline materials exhibiting texture along arbitrary direction, were calculated. The computation is extended to the bulk and shear modulus as well as to Young's modulus, volume compressibility and Poisson's ratios. Numerical values and polar plots are given for all texture directions in the plane (110) of diamond and silicon.

Η παρούσα διατριβή βασίζεται στην μελέτη εφαρμογής μονοαξονικών καταπονήσεων σε συγκεκριμένους κυβικούς μονοκρυστάλλους, στον χαρακτηρισμό, από πλευράς παραμορφώσεων και καταπονήσεων, ημιαγώγιμων κυβικών υλικών - συστημάτων, καθώς και στον θεωρητικό υπολογισμό των ελαστικών και δυναμικών παραμέτρων διατεταγμένων πολυκρυσταλλικών επιστρώσεων κυβικής συμμετρίας. Η πειραματική τεχνική που χρησιμοποιείται για την επίτευξη των ανωτέρω στόχων είναι η φασματοσκοπία με βάση το φαινόμενο Raman. Αναλυτικότερα μελετάται η επίδραση μονοαξονικής τάσης στα μεγάλου-μήκους-κύματος οπτικά φωνόνια των υλικών InSb και ZnS, σε θερμοκρασία δωματίου, χρησιμοποιώντας τεχνική φασματοσκοπίας Raman με βασικό στόχο τον προσδιορισμό ημών για τα φωνονιακά δυναμικά παραμόρφωσης τους (PDP's). Στην συνέχεια τα προκύπτοντα PDP's του InSb χρησιμοποιούνται στο χαρακτηρισμό, από πλευράς παραμόρφωσης, λεπτών στρωμάτων InSb, ανεπτυγμένων κατά την διεύθυνση <111>, που φέρουν κυκλικές επαφές ΑΙ σε διάταξη τετραγωνικού καννάβου. Αναλύονται επίσης πειραματικά αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία με στόχο τον χαρακτηρισμό παραμορφωμένων υποκρίσιμων υπερπλεγμάτων InSb/Ini.xALSb ανεπτυγμένων ψευδομορφικά κατά τη διεύθυνση <001>, υπό την προϋπόθεση ότι τα PDP's του μονοκρυστάλλου του InSb μπορούν να εφαρμοστούν ως έχουν και στο υπερπλέγμα InSb/Ini_xAlxSb. Τα προκύπτοντα PDP's του ZnS χρησιμοποιούνται επίσης κατά την πρόβλεψη της μετατόπισης (ΔΩ) της LO φωνονιακής συνιστώσας του ZnS, σε παραμορφωμένα υποκρίσιμα υπερπλέγματα, ελεύθερα υποβάθρου του τύπου ZnTe/ZnS και ZnSe/ZnS, ανεπτυγμένα κατά την διεύθυνση <001>, ως συνάρτηση του πάχους των στρωμάτων τους, αλλά και της επίπεδης συνιστώσας παραμόρφωσης (ε") του στρώματος του ZnS. Παρουσιάζεται ακόμη ο χαρακτηρισμός, ως προς τάσεις-παραμορφώσεις, γεφυρών και μεμβρανών πολυκρυσταλλικού πυριτίου, καθώς και μονοκρυσταλλικών δοκών ανεπτυγμένων κατά την <001>, κατασκευασμένων εξ' ολοκλήρου στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του Δημόκριτου. Περιγράφεται, επίσης, ο χαρακτηρισμός υποστρωμάτων Si επιφάνειας (001), πάνω στις οποία έχουν εναποτεθεί λεπτές λωρίδες S1O2 διαφορετικών παχών, καθώς και τεχνικών εναπόθεσης. Ο υπολογισμός της κατανομής τάσης στις διάφορες κατηγορίες δοκιμίων κατέστη εφικτός κάνοντας χρήση δύο διαφορετικών μοντέλων εφαρμογής τάσης, της μονοαξονικής, αλλά και της επίπεδης τάσης συνδυαζόμενης με μια αναλυτική θεώρηση εφαρμογής μιας γραμμικής εφαπτομενικής δύναμης (line force model). Τέλος αναλύεται η μέθοδος υπολογισμού των ελαστικών ιδιοτήτων (Cy, Sy) και των φωνονιακών δυναμικών παραμόρφωσης (PDP's) πολυκρυσταλλικών επιστρώσεων αδάμαντα και πυριτίου, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, θεωρώντας ότι τα υλικά αυτά απαρτίζονται από κρυσταλλίτες κυβικής συμμετρίας, διατεταγμένους κατά μήκος μιας συγκεκριμένης διεύθυνσης (textured). Ο υπολογισμός των παραμέτρων αυτών βασίστηκε στους μέσους όρους κατά Voigt-Reuss-Hill (Η). Τα αποτελέσματα αυτά τελικά επεκτείνονται ώστε να συμπεριλάβουν τον υπολογισμό κι άλλων παραμέτρων, όπως το μέτρο όγκου, το μέτρο διάτμησης, το μέτρο Young, τη συμπιεστότητα όγκου, το πηλίκο Poisson και την παράμετρο Grüneisen. Τα τελικά αριθμητικά αποτελέσματα σχεδιάστηκαν σε πολικά διαγράμματα για όλες τις διευθύνσεις διάταξης στο επίπεδο (110), τόσο για την περίπτωση του αδάμαντα, όσο και του πυριτίου.