Формирование и полупроводниковые свойства тонких слоев на основе Fe и Ca 2 Si на Si(111) 01. 04. 10 физика полупроводников

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Галкин Николай Геннадьевич Иванов Юрий Павлович 3 » декабря Общая характеристика работы Целью диссертационной работы Обоснование выбора материалов. Основные задачи диссертационной работы Научная новизна работы Апробация результатов работы. Личный вклад автора. Структура и объем диссертации. Во введении В первой главе Во второй главе В третьей главе A, а максимальное – для образца C В четвертой главе На первом этапе На втором этапе На третьем этапе ... Полное содержание

Подобный материал:

• Ii. Свойства полупроводников. Полупроводниковые приборы. Общие свойства полупроводников, 14.35kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика полупроводников., 53.9kb.
• Вязкоупругие  свойства тонких слоев каламитных мезогенов в интервале температур - 30, 254.52kb.
• Руководитель проекта, 71.87kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплина «физика твёрдого тела» Челябинск, 194.36kb.
• Программа курса лекций Введение. Физика полупроводников раздел физики конденсированного, 109.27kb.
• Гетерофазные границы в поликристаллических пленках селенида и цирконата-титаната свинца,, 1400.77kb.
• Электропроводность тонких пленок ni и сплавов ni-Cu в слабых магнитных полях в интервале, 253.63kb.
• Второе информационное сообщение, 35.66kb.
• Xiv симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 30.35kb.

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 ± 5^оС) 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 125^оС, 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 Е_g = 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 210^-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)

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=140-210^оС 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=260-290^оС) приводит к уменьшению R/R, при этом форма спектра сохраняет полупроводниковый характер. Эти изменения вызваны уменьшением толщины пленки Mg₂Si вследствие десорбции Mg. При Т=300^оС 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.

На втором этапе проводилось осаждение Ca на Si(111)7x7 при выбранных температурах. На этом этапе была определена температура (135^оС), при которой формируется пленка Ca₂Si лучшего качества и установлены стадии роста пленки этого силицида на Si(111), а также вычислена его оптическая функция.

Для выбранных температур были зарегистрированы спектры ЭОС (рис. 3(б)). Положения пиков Ca (298 эВ) смещены относительно пика объемного кальция (297 эВ), что свидетельствует, с учетом большой осажденной толщины Ca (7.72 нм), о произошедшем силицидообразовании в системе Ca/Si. Расчет отношения интенсивностей ожэ-пиков кальция и кремния для осажденной пленки и чистой подложки показал (рис. 3(в)), что с возрастанием температуры подложки происходит увеличение концентрации атомов Si в силициде и уменьшение концентрации Ca.




а) б) в)

Рисунок 3. - Спектры R/R от пленки Mg при КТ и различных температурах отжига (а). Спектры ЭОС, полученные при осаждении пленки Ca толщиной 7.72 нм на 2D фазу Si(111)7x7 при разных температурах (б). Зависимости отношения ожэ-пиков кальция и кремния после осаждения Ca (I_Ca/I_Si), и, ожэ-пика Si после осаждения Ca к исходной интенсивности кремния для Si(111)7x7 (I_Si/I_Si(o)) (в).


Отношение интенсивностей ожэ-пиков Ca и Si уменьшается с 2.45 до 1.13 отн.ед. В структуре ожэ-пика Si (рис. 3(б)), начиная с температуры подложки 213 ^оС, наблюдаются изменения в форме и интенсивности низкоэнергетической части ожэ-пика, отвечающего за изменения в валентной полосе Si при силицидообразовании. Таким образом, формирующаяся пленка претерпевает изменения. В ней, с ростом температуры подложки при осаждении Ca, начинают преобладать силициды с металлическими свойствами (CaSi, CaSi₂). Состав близкий к Ca₂Si наблюдается при температуре отжига 135^оС.

На третьем этапе проводилось осаждение Ca на пленку Mg₂Si на Si(111) по методике [9] при Т=135^оС. Полупроводниковый Mg₂Si формировали в течение 10 минут отжигом при Т=215 ^оС толстой пленки Mg, осажденной при КТ на Si(111)7x7. В ходе этого этапа было установлено, что формируется Ca₂Si и определены стадии роста этого силицида на Mg₂Si. На рис. 4(а) значения E = 2.11, 2.23 и 2.34 эВ соответствуют получению тонкой пленки Ca₂Si, что близко к данным для объемного Ca₂Si.

Для трех энергий из спектров ДОС (рис. 4(а)) (1.289, 2.162 и 2.854 эВ) были построены зависимости R/R(t), представленные на рис. 4(б), из которых определены три стадии роста пленки Ca₂Si. На 1-ой стадии роста пленки (0-2.08 нм) происходит разрушение 2D фазы Mg₂Si и формирование в этих местах зародышей новой 3D фазы. На 2-ой стадии роста пленки (2.08-5 нм) происходит заметное уменьшение R/R при Е>2.6эВ, а при меньших энергиях островки новой фазы растут за счет разрушения объемного силицида Mg₂Si. На 3-ей стадии (5-7.5 нм) продолжается формироваться сплошная пленка новой фазы.




а) б)

Рисунок 4. - Спектры ДОС, полученные при осаждении Ca на пленку Mg₂Si, выращенную на Si(111) (а). Зависимость ΔR/R(t) (б).


Из спектров ” для пленки на 2 и 3 стадии роста была определена энергия второго межзонного перехода в Ca₂Si: E_d = 1.81 эВ (2 стадия) и E_d = 1.68 эВ (3 стадия), что близко к известным теоретическим данным [10].

На четвертом этапе проводилось исследование стадии роста пленки Ca₂Si на 2D фазе Mg₂Si на Si(111), которую формировали в течение 10 минут отжигом пленки Mg при 4-х рабочих температурах, Ca осаждался со скоростью 0.3 нм/мин при этих же температурах. Спектры ХПЭЭ полученной пленки Ca₂Si (рисунок 5(а)) содержат объемный (E_V) и поверхностный (E_S) плазмоны, которые отсутствуют на спектрах Si. Это означает, что сформирована непрерывная пленка Ca₂Si. Интенсивность поверхностного плазмона E_S дает информацию о шероховатости пленки (чем ниже интенсивность, тем выше шероховатость и хуже морфология пленки). Интенсивность поверхностного плазмона E_S для пленки Ca₂Si, сформированной на Mg₂Si, намного ниже, чем E_S для этой же пленки, полученной непосредственно на Si(111)7x7, следовательно, шероховатость первой высока. В данной работе полагаем, что морфология пленки Ca₂Si может быть улучшена, если атомы Ca будут осаждаться на ровную поверхность, такую как 2D фаза Mg₂Si. Спектры ХПЭЭ, которые были получены для пленки Ca, осажденной на 2D фазу Mg₂Si (рис. 5(а)), подтверждают это. Морфология сформированной пленки, лучше, чем у Ca₂Si, полученной на Si(111)7x7. Чтобы выяснить причину этого улучшения, был исследован этап роста пленки Ca на 2D фазе Mg₂Si.

Как видно из рисунка 5(б) значения коэффициента дифференциального отражения R/R низкие, а зависимость R/R(t) линейна. Это указывает на то, что происходит формирование ПФ Ca и эта поверхностная фаза привносит основной вклад в формирование качественной пленки Ca₂Si.

Для проверки влияния температуры на формирование пленки Ca₂Si поверх двумерного силицида магния проводили исследования электрических свойств выращенных пленок in situ методом измерения эффекта Холла [11]. Результаты измерения эффективной проводимости от обратной температуры представлены на рис. 6(а).





а) б)

Рисунок 5. - Спектры ХПЭЭ кремния; Mg₂Si; пленки Ca, полученной осаждением при 125^oC на Mg₂Si, 2D фазу Mg (Mg SP) и Si(111)7x7(а). Зависимость ΔR/R от времени осаждения Ca (при 125^oC) на 2D фазу Mg (б).


Проводимость 2D фазы Mg₂Si при комнатной температуре оценивается величиной σ = 2.25·10^-4 Ом^-1 (+5% от проводимости чистого Si: σ_Si=2.13·10^-4 Ом^-1). Проводимость подложки с двумерной фазой Mg₂Si и осажденным Ca может быть меньше (при температурах осаждения 150^оС и 200^оС) или больше (при температурах осаждения (100^оС и 125^оС), чем проводимость чистой подложки Si. Наибольшая эффективная проводимость (2.45·10^-4 Ом^-1 (+15% от проводимости чистого кремния)) была зарегистрирована, когда Ca осаждали при T=125 ^оС. Увеличение эффективной подвижности дырок в системе пленка-подложка возможно только в случае, когда на поверхности подложки формируется сплошная полупроводниковая пленка с подвижностью носителей большей, чем в кремнии. Используя аппроксимацию линейных участков температурных зависимостей логарифма проводимости (рис. 6(а)), были проведены оценки ШЗЗ для всех полученных структур (рис. 6 (б)).

Ширина запрещенной зоны, вычисленная для пленки силицида кальция (Ca₂Si), сформированной при температуре 100^oC , равняется ШЗЗ подложки. Это означает, что в этом случае ток проходит только через подложку, а сформированная пленка является несплошной. Очевидно, что 2D фаза Mg₂Si разрушается во время формирования пленки силицида кальция при температуре 100^oC.

Пленка силицида кальция, полученная на 2D фазе Mg₂Si при Т=125^oC, имеет самую высокую проводимость (+15% против Si) и эффективную подвижность основных носителей заряда (449 см²/(Всек)), а следовательно обладает лучшим качеством и низкой шероховатостью. Величина ширины запрещенной зоны, рассчитанная для этой пленки, меньше ШЗЗ 2D фазы Mg₂Si и пленки Ca₂Si, и составляет 0.90 эВ, что можно объяснить влиянием ПФ Ca (как показано на рис. 6 (б)).

Величины ширины запрещенной зоны пленки сформированной при 150 и 200^oC близки к теоретическому значению, вычисленному для Ca₂Si в [10]. Это подтверждает рост пленки именно этого полупроводникового силицида. При этом высока шероховатость данной пленки, так как значения ее проводимости (-7 % и -8 % против Si, соответственно) и эффективной подвижности основных носителей заряда (372 см²/(Всек) и 317 см²/(Всек) против 437 см²/(Всек) для Si) при КТ низки.




а) б)

Рисунок 6 - Зависимость логарифма эффективной проводимости от температуры, измеренные на: чистой подложке кремния; 2D фазе Mg₂Si; после осаждения Ca на 2D фазу Mg₂Si (а). Расчетная ШЗЗ сформированной пленки и модель роста при различных температурах (б). Пунктирные линии показывают ШЗЗ (E_g) силицида кальция (Ca₂Si) [10], 2D фазы Mg (Mg SP) и чистого кремния (Si).


При температурах 150 и 200^oC усиливается десорбция атомов магния из 2D фазы Mg₂Si. Поскольку показатель десорбции атомов магния при температуре 150^oC ниже, чем при 200^oC, то при первой температуре сохраняются области с 2D фазой Mg₂Si, покрытые ПФ Ca (как показано на рис. 6(б)). Поэтому эффективная ширина запрещенной зоны (1.00 эВ) пленки сформированной при Т=150^oC имеет значение ниже, чем теоретические значения, полученные для ШЗЗ Ca₂Si и ПФ Ca. В тоже время, при Т=200^oC десорбция Mg высока, формируется только пленка Ca₂Si (рис. 6 (б)), и поэтому значение ширины запрещенной зоны (1.02 эВ) можно считать относящимся только к пленке полупроводникового силицида Ca₂Si, определенному таким образом экспериментально в данной работе. С учетом предыдущих экспериментов можно заключить, что формирование сплошной тонкой пленки Ca₂Si с полупроводниковым характером проводимости происходит в узком интервале температур: 125-135 ^оС.

Основные результаты и выводы

• ПФ Si(111)-(2x2)-Fe состоит из сросшихся двумерных доменов с шероховатостью поверхности менее 0.2 нм, обладает полупроводниковой проводимостью и шириной запрещенной зоны 0.99±0.06 эВ и при полном покрытии подложки блокирует перемешивание атомов Si с атомами Fe. Ex situ исследования оптических свойств выращенных слоев Fe на ПФ Si(111)-(2x2)-Fe подтвердили полупроводниковый характер поглощения в ней и металлический характер поглощения в слое Fe.
  

• Рост сверхтонких слоев железа на ПФ Si(111)-(2х2)-Fe зависит от ее кристаллического состояния и в случае максимального покрытия образца данной ПФ возникает напряженное состояние кристаллической решетки в приповерхностной области подложки. Исследования транспортных свойств данного слоя показали, что при толщине железа 1.35 нм эффективная подвижность основных носителей заряда (дырок) составляет 820 см²/(В·сек). В случае неполного покрытия кремния ПФ Si(111)-(2х2)-Fe происходит взаимодействие Fe с атомами подложки, формирование островков силицида и значительное ухудшение транспортных свойств.
  

• Рост пленки силицида кальция (Ca₂Si) на прекурсоре Mg₂Si на Si(111) в температурном диапазоне 125-135 ^оС проходит в три стадии: (1) 0 - 2.08 нм – формируется Ca₂Si путем замещения атомов Mg атомами Ca в 2D-слое Mg₂Si; (2) 2.08 – 5 нм – рост сплошной пленки Ca₂Si завершается; (3) 5-7.5 нм – на сформированной сплошной пленке идет рост кристаллического Ca₂Si вглубь прекурсора Mg₂Si.
  
• Осаждение Ca на Mg₂Si при температуре 125 ^оС позволяет получить полупроводниковую ПФ Ca и тонкую полупроводниковую поликристаллическую пленку Ca₂Si с фундаментальными переходами 0.9±0.06 эВ и 1.02±0.06 эВ, соответственно, по данным температурных измерений электрической проводимости.
  
• Поликристаллическая пленка Ca₂Si, выращенная на прекурсоре Mg₂Si, характеризуется прямыми межзонными переходами с максимальной силой осциллятора в области энергий фотонов 1.68-2.8 эВ.
  
• Из спектров мнимой части диэлектрической функции Ca₂Si определена энергия 2-го прямого межзонного перехода (1.68 эВ) для полупроводниковой пленки Ca₂Si, выращенной на прекурсоре Mg₂Si на Si(111). Установлено, что сдвиг в сторону меньших энергий с ростом толщины осажденного кальция, связан с переходом пленки Ca₂Si из напряженного состояния в релаксированное состояние.
  
• Пленка Ca₂Si, выращенная на Si(111)7x7, обладает худшим кристаллическим качеством по сравнению с пленкой Ca₂Si, выращенной на прекурсоре Mg₂Si.
  

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. D.L. Goroshko, N.G. Galkin, D.V. Fomin, A.S. Gouralnik and S.V. Vavanova. «An investigation of the electrical and optical properties of thin iron layers grown on the epitaxial Si(111)-(2× 2)–Fe phase and on an Si(111)7 × 7 surface» // Journal of Physics: Condensed Matter – 21, (2009) pp. 435801-435809.
   
2. Д.Л. Горошко, Д.В. Фомин, А.С. Гуральник, Н.Г. Галкин Электрические свойства двумерных слоев железа на упорядоченных фазах Si(111)7x7 и Si(111)-2x2-Fe/ Химическая физика и мезоскопия, 2009, т. 11, №3, сс. 353-360.
   
3. Горошко Д.Л., Фомин Д.В., Гуральник А.С., Ваванова С.В., Галкин Н.Г. «Электронная структура, электрические, магнитные и оптические свойства двумерных слоев железа на поверхностных фазах Si(111)7x7 и Si(111)2x2-Fe»// Труды XII Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов, Дальнаука, 2009 г., сc. 126-135.
   
4. Галкин К.Н., Фомин Д.В., Доценко С.А., Галкин Н.Г. «Исследование формирования, параметров электронной структуры и оптических свойств систем на основе двумерных пленок силицида кальция Ca₂Si на кремнии с использованием прекурсора – Si(111)2/3√3x2/3√3-Mg» // Труды VIII Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование», АмГУ, 2009,сс.133-137.
   
5. С.А. Доценко, Д.В. Фомин, Н.Г. Галкин. «Влияние фазы Si(111)7x7 и пленки Mg₂Si/Si(111) на формирование и оптические свойства пленки полупроводникового силицида кальция»// Химическая физика и мезоскопия, 2010, т. 12, №3, сс. 376-381.
   

6. S.A. Dotsenko, D.V. Fomin, K.N. Galkin, D.L. Goroshko and N.G. Galkin “Growth, optical and electrical properties of Ca₂Si film grown on Si(111) and Mg₂Si/Si(111) substrates”//Asia-Pacific Conference on Semiconductor Silicides (APAC-SILICIDE 2010), Tsukuba University, Tsukuba, Japan, 2010, pp.60-61.

7. Доценко С.А., Фомин Д.В., Галкин К.Н., Горошко Д.Л., Галкин Н.Г. “Определение диапазона температур оптимальных для формирования полупроводникового силицида Ca₂Si из поверхностной фазы Mg₂Si на Si(111)”// Труды IX Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» г. Хабаровск, 2010.

8. Доценко С.А., Фомин Д.В., Галкин К.Н., Галкин Н.Г. “Оптические свойства пленки полупроводникового силицида Mg₂Si на Si(111) в области температурной стабильности” // Труды IX Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» г. Хабаровск, 2010.

9. Доценко С.А., Фомин Д.В., Галкин Н.Г. “Влияние фазы Si(111)7x7 и пленки Mg₂Si/Si(111) на формирование и оптические свойства пленки полупроводникового силицида Ca₂Si”// Труды IX Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» г. Хабаровск, 2010.

Жирным шрифтом выделены издания входящие в перечень ВАК РФ.

Список цитируемой литературы

1. K.Kataoka, K.Hattori, Y.Miyatake, H.Daimon. Phys.Rev. B 74, 155406 (2006).
   
2. S.Hajjar, G.Garreau, S.Pelletier, D.Bolmont, C.Pirri. Phys. Rev. B. №68. P.033302. (2003).
   
3. G. Garreau, S. Hajjar, J.L. Bubendorff, C. Pirri, D. Berling, A. Mehdaoui, R. Stephan, P. Wetzel, S. Zabrocki, G. Gewinner, S. Boukari and E. Beaurepaire. Phys. Rev. B 71 094430 (2005).
   
4. Handbook of crystal growth, edited by D.T.Hurle (Amsterdam, 1994).
   
5. B. Eggert, G. Panzner, Phys. Rev. B 29, 2091 (1984).
   
6. R.Stephan, S.Zabrocki, P.Wetzel, D.Berling, A.Mehdaoui, J-L.Bubendorff, G. Garreau, C.Pirri, G.Gewinner, N.Boudet, J.F.Berar. Surf. Sci. 600, 3003 (2006).
   
7. S.A. Dotsenko, N.G. Galkin, L.V. Koval, V.O. Polyarnyi. e-J. Surf. Sci. Nanotech.V4, 319 (2006).
   
8. J.D.E. McIntyre and D.E. Aspnes. Surf. Sci. 24 417 (1971).
   
9. H. Matsui, M. Kuramoto, T. Ono, H. Nose, H. Tatsuoka, H.Kuwabara. J. Cryst. Growth 237/239. 2121-2124 (2002).
   
10. S. Lebègue, B. Arnaud, and M. Alouani. Phys. Rev. B 72, 085103 (2005).
    
11. N.G.Galkin, V.A.Ivanov, A.V.Konchenko, D.L.Goroshko. Instr.Exp.Tech. 42, 284 (1999)
    

Фомин Дмитрий Владимирович


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

Автореферат

Подписано к печати 07.10. 2010 г. Формат 60×84/16.

Цел. печ. л. 1, 16. Тираж 100. Заказ № __.

__________________________________________________________________________

Отпечатано в типографии ИП Сажинова А.А

г. Благовещенск, ул. Калинина,127/45.