авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Формирование и полупроводниковые свойства тонких слоев на основе fe и ca2si на si(111)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Фомин Дмитрий Владимирович

Формирование и полупроводниковые свойства тонких слоев на основе Fe и Ca2Si на Si(111)

01.04.10 – физика полупроводников

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Владивосток

2010

Работа выполнена в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН и Амурском государственном университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор
Галкин Николай Геннадьевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
Гаврилюк Юрий Леонидович кандидат физико-математических наук Иванов Юрий Павлович
Ведущая организация: Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН

Защита состоится « 3 » декабря 2010 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 005.007.02 при Институте автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, д. 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Автореферат разослан « 30 » октября 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. тех. наук, доцент ______________ Гамаюнов Е.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важным объектом современной физики полупроводников являются системы пониженной размерности, создаваемые на атомарно-чистых полупроводниковых поверхностях. По мере приближения размеров твердотельных структур к наномет­ровой области, все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц, и это открывает перспективы создания принципиально новых переключающих, запоминающих, усиливающих элементов и других уст­ройств для микроэлектроники.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию формирования, параметров электронной структуры, оптических и полупроводниковых свойств систем на основе двумерных упорядоченных пленок железа (Fe) и силицида кальция (Ca2Si) на кремнии.

Особенностью подхода к формированию двумерных (2D) пленок силицидов металлов является использование стабильных поверхностных сверхструктур различных металлов на кремнии в качестве барьерных слоев или прекурсоров для создания сплошных пленок моноатомной толщины в условиях сверхвысокого вакуума и использования методов in situ исследования электронной структуры, оптических и электрических свойств.

Целью диссертационной работы является установление механизмов роста и определение свойств слоев железа (Fe) и силицида кальция (Ca2Si) на поверхностной фазе Si(111)-(2x2)-Fe и прекурсоре Mg2Si на Si(111) соответственно, для создания кремний-силицидных полупроводниковых наноструктур.



Обоснование выбора материалов. Выбор материалов для исследований основан на использовании экологически чистых и недорогих материалов (железо, кальций и магний) для создания тонкопленочных полупроводниковых соединений с кремнием с целью определения перспектив их использования.

Основные задачи диссертационной работы:

  1. Исследование морфологии и электрических свойств поверхностной фазы (ПФ) Si(111)-(2x2)- Fe.
  2. Определение механизма роста и исследование свойств Fe на Si(111)-(2x2)- Fe.
  3. Определение механизма замещения атомов Mg атомами Ca в 2D фазе Mg2Si и в полупроводниковой пленке силицида магния.
  4. Исследование электронных, электрических и оптических свойств слоев Ca2Si, выращенных на прекурсоре Mg2Si на Si(111).

Научная новизна работы:

  1. Определены полупроводниковый тип проводимости, концентрация и подвижность основных носителей (дырок) в поверхностной фазе железа Si(111)-(2x2)-Fe методом in situ температурных Холловских измерений.
  2. Установлено, что ПФ (2x2)-Fe на Si(111) с полным покрытием поверхности подложки выступает в роли диффузионного барьера, препятствуя перемешиванию атомов кремния и осаждаемых атомов железа. Слои Fe на такой ПФ растут в виде двумерных островков, повторяя морфологию кремниевой поверхности и сохраняя напряженное состояние кристаллической решетки, что приводит к повышению подвижности дырок в кремнии.
  3. Установлено, что при осаждении Ca на прекурсор (2D фаза или тонкая пленка Mg2Si) при температурах (90 - 200 оС) происходит замещение атомов Mg атомами кальция и десорбция магния с поверхности с последующим формированием Ca2Si.
  4. Определена оптимальная температура (125 ± 5оС) подложки Si(111) с предварительно сформированным прекурсором (2D фазой Mg2Si), которая необходима для получения сплошной поликристаллической пленки Ca2Si при осаждении атомов кальция.
  5. Определена ширина фундаментального перехода (1.02 ± 0.06 эВ) методом измерения эффекта Холла для слоев Ca2Si, выращенных на Mg2Si на Si(111).
  6. Установлена область прямых фундаментальных переходов с максимальной интенсивностью (1.68 - 2.8 эВ) и рассчитан прямой межзонный переход с максимальной силой осциллятора (1.68 - 1.81 эВ) в слоях Ca2Si, сформированных на прекурсоре Mg2Si.

Практическая ценность. Формирование и исследование свойств поверхностной фазы Si(111)-(2x2)-Fe связано с определением условий формирования барьерного слоя, препятствующего силицидообразованию в ходе роста железа на Si(111). Использование такого слоя позволит разработать технологию изготовления приборов со спиновой инжекцией на кремнии.

Методики получения сплошных пленок силицида кальция на кремнии с использованием прекурсора 2D фазы Mg2Si и тонкой пленки силицида магния, могут быть использованы в целях разработки фото- и термоэлектрических приборов на кремнии. Предложена технология формирования тройных наногетероструктур Ca2Si/Mg2Si/Si, перспективного материала для формирования полупроводниковых транзисторов.

Основные защищаемые положения:

  1. Поверхностная фаза Si(111)-(2x2)-Fe с полным покрытием поверхности подложки обладает полупроводниковой проводимостью с шириной запрещенной зоны (ШЗЗ) 0.99±0.06эВ и является барьером для перемешивания атомов Fe и Si в подложке.
  2. Рост сверхтонких слоев Fe на ПФ Si(111)-(2x2)-Fe с полным покрытием происходит по механизму разрастания напряженных двумерных островков, вызывающих напряженное состояние кристаллической решетки Si до толщины слоя Fe = 1.35 нм, способствуя полуторократному увеличению эффективной подвижности дырок в кремниевой подложке.
  3. При осаждении Ca на прекурсор Mg2Si (2D фазу Mg2Si или тонкую пленку Mg2Si на Si(111)) замещение атомов Mg атомами Ca и десорбция магния с поверхности в условиях сверхвысокого вакуума происходит, начиная с 125оС, что приводит при толщинах Ca более 1.25 нм к формированию сплошной поликристаллической пленки Ca2Si.
  4. Тонкая пленка Ca2Si, выращенная с использованием прекурсора Mg2Si, обладает шириной запрещенной зоны Еg = 1.02 ± 0.06 эВ.
  5. Интенсивные прямые межзонные переходы в полупроводниковых пленках Ca2Si, выращенных с использованием прекурсора Mg2Si, наблюдаются в диапазоне энергий фотонов 1.68 – 2.8 эВ, а смещение их низкоэнергетической границы соответствует переходу пленки Ca2Si из напряженного в релаксированное состояние.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на Всероссийской конференции молодых ученых (г. Новосибирск, 2008); XII Межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (г. Владивосток, 2009); VIII Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Благовещенск, 2009); VII Международной конференции и VI Школе молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе (г.Нижний Новгород, 2010); Asia-Pacific Conference “SEMICONDUCTOR SILICIDES” (Tsukuba, Japan, 2010); 9th Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces (Vladivostok, 2010); IX Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Хабаровск, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ.

Личный вклад автора. Автор принимал участие во всех экспериментах, выполненных в ИАПУ ДВО РАН, обработке данных, обсуждении и написании статей и тезисов докладов, подготовил и запустил оборудование в АмГУ и лично выполнил эксперименты.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 136 страниц, включая 49 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 91 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении сформулирована цель работы и ее актуальность, определены основные задачи, указаны новизна и практическая ценность работы, изложены основные защищаемые положения и описана структура диссертации.

В первой главе представлено современное состояние изложенных в диссертации вопросов. В первом параграфе рассмотрены понятия поверхностной сверхструктуры, двумерной электронной системы и поверхностной энергетической зоны. Во втором, третьем и четвертом параграфах рассмотрен вопрос о формировании ПФ соответственно Fe, Ca и Mg на Si(111). Представлены данные об их электрофизических свойствах, режимах формирования и диапазонах существования. Показано, что эксперименты на ПФ Si(111)-(2x2)-Fe методами in situ электрических холловских измерений в условиях сверхвысокого вакуума, с целью изучения формирования барьерного слоя, еще не проводились. Как и не проводились эксперименты по формированию методом твердофазной эпитаксии тонких пленок Ca2Si с использованием прекурсора (Mg2Si).

Во второй главе дан обзор основных методов исследования, используемых в настоящей работе: электронной ожэ-спектроскопии (ЭОС), спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (ХПЭЭ), дифракции медленных электронов (ДМЭ), атомно-силовой микроскопии (АСМ), дифференциальной отражательной спектроскопии (ДОС) и т.д. Описывается аппаратура для роста пленок: сверхвысоковакуумная (СВВ) камера PHI Model 590 компании Perkin-Elmer с электронным ожэ-анализатором PHI 15-255g, СВВ камера, оснащенная анализатором ДМЭ и холловской приставкой. СВВ камера Varian, оснащенная приборами для исследований методом ДОС и ЭОС и другое оборудование.

В третьей главе описываются методики и схемы экспериментов, технологии получения ПФ железа; результаты исследования параметров электронной структуры и свойств систем на основе слоев железа на Si, полученных с использованием ПФ Si(111)2x2-Fe.

Для формирования упорядоченных фаз железа на Si(111)7x7 использовали метод твердофазной эпитаксии (Т=600 оС) в соответствии с работами [1,2]. Скорость осаждения Fe составляла 0.15 – 0.20 нм/мин. Сформированный двумерный слой со среднеквадратичной шероховатостью 0.2 нм имел картину ДМЭ Si(111)2x2-Fe и состоял по данным АСМ из одинаково ориентированных доменов с размерами 30-50 нм, плотностью порядка (0.6-1)1011 см-2 и высотой порядка 0.3-0.4 нм. Методом Холловских измерений было обнаружено, что при комнатной температуре проводимость образца со сформированной на нем ПФ (2х2)-Fe на 210-4 Ом-1 (-14%) ниже по сравнению с проводимостью атомарночистого кремния. Уменьшение проводимости возникает в результате формирования объемных ловушек в виде сети дефектов (вакансий) в сформированной ПФ Si(111)-(2x2)-Fe, что приводит к уменьшению концентрации носителей заряда. Установлено, что данная ПФ является полупроводниковой с шириной запрещенной зоны 0.99±0.06 эВ. Исследование транспортных свойств тонких слоев железа (после осаждения на ПФ Si(111)-(2x2)-Fe порциями 0.1 нм) проводилось на образцах с различным кристаллическим качеством двумерной упорядоченной фазы Si(111)-(2x2)-Fe. Условия их формирования были идентичны, за исключением продолжительности отжига: образец A отжигался 45 мин, образец B – 20 мин.





Наибольшие по амплитуде изменения Холловского напряжения были зарегистрированы (рис. 1(а)) для образца A. Сильные изменения в транспортных свойствах происходят за счет накопления напряжений в растущем слое при росте Fe на силицидной фазе со структурой p(2х2) за счет эффекта псевдоморфизма [3]. Отклонениями в стехиометрии или сплошности ПФ Si(111)-(2x2)-Fe, объясняются меньшими напряжениями в растущем двумерном слое железа на образце B и, отсутствию таких напряжений и плавному изменению Холловского напряжения для Si(111)7x7.

Минимальное увеличение продольного напряжения наблюдалось для образца A, а максимальное – для образца C (рис. 1(б)). Рост напряжения связан с частичной потерей носителей в кремнии при росте Fe за счет диффузии последнего в Si и формировании силицида. Таким образом, можно заключить, во-первых, о минимальном влиянии диффузии железа в кремний при росте Fe на фазе p(2х2) с наилучшим кристаллическим качеством и, во-вторых, - о присутствии оголенной поверхности Si в образце B.

а) б) в)

Рисунок 1. - Зависимости Холловского (а) и продольного (б) напряжений от покрытия железа для образцов со сформированной поверхностной фазой Si(111)-(2x2)-Fe (образцы A и В), а также - для атомарно-чистой поверхности кремния Si(111)7x7 (образец C). АСМ изображение 1х1 мкм (в) поверхности образца A.

Поскольку наибольшие по амплитуде изменения Холловского напряжения были зарегистрированы для образца А, то для него были сняты картины АСМ (рис. 1 (в)). Которые показали, что выращенный слой состоит из двумерных островков с размерами 20-30 нм, которые покрывают поверхность фазы p(2х2). Среднеквадратичное отклонение высот островков составляет 0.11 нм. При осаждении на комнатную температуру атомов Fe на ПФ Si(111)-(2x2)-Fe наблюдается зарождение и рост двумерных островков в соответствии с механизмом роста Вольмера-Вебера[4].

Был проведен расчет электрических свойств образца А в приближении однородного легирования (рис 2 (а, б)). При покрытии железа, начиная с 0.3 нм, островки Fe начинают срастаться [3], чем объясняется начало повышения проводимости образца (рис. 2(а)). Происходит рост островков железа с напряженной структурой. При этом наблюдается небольшое снижение подвижности дырок (рис. 2(б)). Чем выше кристаллическое качество фазы p(2х2), тем меньше свободного Si для того, чтобы шла реакция силицидообразования. При дальнейшем увеличении количества осажденного железа на фазе Si(111)-(2x2)-Fe происходит псевдоморфный рост пленки Fe. При этом данная пленка испытывает напряжение растяжения, т.к. постоянная решетки железа меньше постоянной решетки любого из его силицидов и кремния [5].

Показано, что именно напряжения в пленке железа приводят к тому, что подвижность носителей заряда в системе пленка - подложка существенно увеличивается.

 а) б) в) г) --2

а) б)

в) г)

Рисунок 2. - Результаты расчетов для образца A: изменение проводимости (а) и подвижности дырок (б) в зависимости от покрытия Fe. Спектры пропускания (T) и отражения (R) для образцов с фазой 2х2 железа наилучшего (образец А) и худшего(образец В) качества и Si(111) (в); разностный спектр отражения фазы образца А и Si(111) (г).

При толщине покрытия железа 1.35 нм (рис. 2(б)), максимум подвижности дырок достигает 820 см2/(В·сек), тогда как подвижность в исходном состоянии (формирование ПФ Si(111)-(2x2)-Fe) составляла всего 520 см2/(В·сек). Таким образом, наблюдается увеличение эффективной Холловской подвижности дырок в образце А более чем в 1.5 раза. При толщине слоя железа более 1.35 нм наблюдается уменьшение подвижности носителей (рис. 2(б)) за счет релаксации возникших напряжений и переход к эпитаксиальному росту железа с объемным значением постоянной кристаллической решетки [6].

Ex situ были исследованы оптические свойства образцов со слоями железа на Si(111)7x7 и Si(111)-(2x2)-Fe (рис. 2(в,г)). Образец, выращенный на поверхностной фазе Si(111)-(2x2)-Fe с наименьшим кристаллическим качеством, имеет меньшие значения коэффициентов отражения при энергиях фотонов более 1.5 эВ по сравнению с монокристаллическим кремнием (рис. 2(в)), что связано с развитием рельефа поверхности. Напротив, образец А, с лучшим кристаллическим качеством, обладает коэффициентом отражения большим, чем кремний в области почти до 3 эВ. Это подтверждают данные разностного спектра отражения (рис. 2(г)).

Плавное уменьшение дифференциального коэффициента отражения (R/R) с энергией фотонов (рис. 2(г)), свидетельствует о металлическом типе поглощения, но широкий максимум 2.7-2.8 эВ и небольшой пик 3.8 эВ соответствуют полупроводниковому вкладу [7] от ПФ Si(111)-(2x2)-Fe. С одной стороны осаждение Fe на ПФ Si(111)-(2х2)–Fe при комнатной температуре заканчивается сохранением полупроводникового вклада этой фазы, с другой стороны, существует металлический вклад от напряженных 2D островков железа на ПФ Si(111)-(2x2)-Fe. Таким образом, происходит сохранение фазы p(2x2) за счет накопления напряжений в растущем слое и в отсутствие перемешивания.

В четвертой главе описываются методики и схемы экспериментов, технологии получения тонких пленок магния (Mg) и кальция (Ca) на кремнии, подготовки образцов и источников. Приводятся результаты исследования формирования, параметров электронной структуры, оптических, электрических свойств систем на основе тонких пленок Ca2Si на кремнии с использованием прекурсора: 2D фазы Mg2Si или тонкой пленки силицида магния на Si(111). Все исследования проводились в четыре этапа.

На первом этапе проводилось определение диапазона температурной стабильности пленки Mg2Si на Si(111). Для этого методом ДОС исследовали твердофазную эпитаксию пленки Mg на Si(111) в диапазоне температур 40 - 380 оС. Исходная пленка Mg была осаждена при КТ на Si(111)7x7 и имела толщину 12.6 нм. Температуры для исследований были выбраны в диапазоне от 40 до 380 оС. Спектр R/R от пленки магния при КТ (рис. 3(а)), имеет форму характерную для спектров мнимой части диэлектрической функции (“) металлов. Поскольку на нем отсутствуют пики, то он соответствует объемному Mg [8]. Таким образом, исходный состав пленки - металлический. После проведения отжига при температурах Т=140-210оС график спектра R/R заметно растет с увеличением энергии, появляется широкий максимум, состоящий из нескольких пиков, что соответствует формированию пленки объемного Mg2Si. Дальнейшее увеличение температуры отжига (Т=260-290оС) приводит к уменьшению R/R, при этом форма спектра сохраняет полупроводниковый характер. Эти изменения вызваны уменьшением толщины пленки Mg2Si вследствие десорбции Mg. При Т=300оС сигнал снижается до значений характерных для 2D фаз. Это значит, что весь силицид разрушился, десорбция Mg завершилась, и на поверхности сформировались островки 2D фазы аморфного кремния.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.