Введение к работе
Актуальность темы. Исследование процессов формирования
границы раздела металл-полупроводник является активно развивающимся
в последние годы направлением физики поверхности и инициируется
переходом от микро к наноэлекгронике. Накопленный экспериментальный
и теоретический материал свидетельствует о том, что наиболее сильные
изменения свойств поверхности происходят на начальных стадиях
формирования границ раздела, при субмонослойньгх адсорбированных
покрытиях. При адсорбции металлов происходят локальные
взаимодействия адатомов с различными типами активных оборванных
связей поверхности полупроводника, сопровождающиеся
перераспределением электронной плотности и модификацией электронной структуры поверхности. Усиленное внимание исследователей направлено на определение электронной структуры границ раздела, установление корреляции между структурными и электронными свойствами поверхностей и границ раздела, на определение характера адсорбционной связи, на изучение механизмов низкоразмерных фазовых переходов и установление природы поверхностной металлизации. Несмотря на то, что исследованию адсорбции щелочных металлов (ЩМ) на поверхностях кремния посвящено множество экспериментальных и теоретических работ, многие вопросы, касающиеся границ раздела ЩМ/кремний, все еще остаются открытыми. Следует отметить, что изучение электронных свойств границ раздела ЩМ/кремний заметно отстает от изучения структурных свойств. Одна из причин этого заключается в том, что практически единственный экспериментальный метод, позволяющий получить непосредственную информацию об электронной структуре -ультрафиолетовая фотоэмиссионная спектроскопия (УФЭС) - обладает ограниченными возможностями для детального изучения электронной структуры границ раздела в наиболее интересной энергетической области вблизи уровня Ферми и вершины валентной зоны.
Целью работы является экспериментальное определение закономерностей формирования границ раздела Cs/Si(l 11)7x7, Ba/Si(l 11)7x7, Cs/Si(l00)2x1, и Ba/Si(100)2xl при субмонослойньгх покрытиях, определение их электронных свойств и выявление роли подложки и адсорбата. В качестве подложек были выбраны реконструированные поверхности Si(lll)7x7 и Si(100)2xl, обладающие качественно различной электронной и кристаллической структурой. Поверхность Si(l 11)7x7 имеет электронную структуру металлического типа, димерно-реконструированная поверхность Si(100)2xl полупроводникового типа. Выбор адсорбатов был обусловлен тем, что
атомы Cs и Ва различаются по числу валентных электронов и, кроме того, их адсорбция вызывает значительное понижение работы выхода, что указывает на сильное взаимодействие адатомов с подложкой. Выбор Cs и Ва в качестве адсорбатов позволяет также использовать оптическое излучение для возбуждения фотоэмиссии. Эксперимент проводился в сверхвысоком вакууме in situ. Использовался оригинальный поверхностно-чувствительный метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии (ПФС). Метод обладает высоким энергетическим разрешением (~0.01 эВ) и высокой поверхностной чувствительностью (поверхностный сигнал может более чем на порядок превосходить объемный), что делает его эффективным для изучения электронной структуры в энергетической области вблизи уровня Ферми EF и вершины валентной зоны Ev. К достоинствам метода относится также его неразрушающий характер. Для выполнения поставленной в работе цели для каждой адсорбционной системы предполагалось:
получение спектров поверхностной и объемной фотоэмиссии при субмонослойных покрытиях;
определение ионизационной энергии ф (равной сумме электронного сродства х и ширины запрещенной зоны Eg) и работы выхода ср как функций субмонослойного покрытия;
определение степени покрытия бщт, соответствующего минимальной работе выхода ср, или минимальной ионизационной энергии фіпіл;
детальный анализ модификации спектров поверхностной фотоэмиссии при нанесении субмонослойных покрытий и с малым шагом по покрытию;
поиск поверхностных зон, индуцированных адсорбцией;
определение характера адсорбционной связи;
определение условий и природы поверхностной металлизации.
Научная новизна.
-
Метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии впервые применен для исследования электронных свойств границ раздела металл/полупроводник в сверхвысоком вакууме in situ.
-
Впервые обнаружено различие фотоэмиссионных порогов при возбуждении s- и р-поляризованным светом для границ раздела Cs/Si(l 11)7x7, Ba/Si(l 11)7x7, Cs/Si(100)2xl и Ba/Si(100)2xl, получены спектры поверхностной и объемной фотоэмиссии.
-
Для границ раздела Cs/Si(l 11)7x7, Ba/Si(l 11)7x7, Cs/Si(100)2xl и Ba/Si(100)2xl впервые определена ионизационная энергия как функция субмонослойного покрытия.
-
Впервые наблюдался пиннинг уровня Ферми при адсорбции Cs на поверхности Si(l 11)7x7.
5. Впервые исследована электронная структура границ раздела Ba/Si(l 11)7x7 и Ba/Si(100)2xl, обнаружены индуцированные адсорбцией поверхностные зоны.
Научная и практическая значимость.
-
Научная значимость работы состоит в том, что в ней впервые получен ряд экспериментальных результатов, позволяющих определить закономерности формирования границ раздела Cs/Si и Ba/Si.
-
Для исследования электронных свойств границ раздела металл/полупроводник разработан легко реализуемый и не требующий дорогостоящего оборудования метод пороговой фотоэмиссионной спектроскопии (ПФС). ПФС основана на использовании s- и р-поляризованного света для возбуждения объемной и поверхностной фотоэмиссии в пороговой области. Метод позволяет:
изучать электронную структуру поверхности в энергетической области вблизи уровня Ферми и вершины валентной зоны;
определять ионизационную энергию, а в случае металлизации и работу выхода, как функцию субмонослойного покрытия;
проводить экспресс-анализ на наличие конечной плотности заполненных поверхностных состояний в запрещенной зоне;
определять поверхностігуго металлизацию.
3. Разработана методика определения степени субмонослойного
покрытия 6 в адсорбционных системах металл/полупроводник.
Достоверность и надежность результатов работы обеспечены тщательностью разработки экспериментальных методик, проведением исследований в сверхвысоком вакууме, использованием хорошо апробированных процедур приготовления атомарно-чистых поверхностей и воспроизводимостью результатов измерений.
Положения, выносимые на зашиту.
-
Пороговая фотоэмиссионная спектроскопия является эффективным методом для изучения электронных свойств границ раздела металл/полупроводник.
-
Процессы формирования границ раздела на поверхностях Si(100)2xl и Si(l 11)7x7 при адсорбции субмонослойных покрытий Cs и Ва являются существенно различными. Электронные свойства границ раздела Cs/Si(100)2xl и Ba/Si(100)2xl определяются в основном свойствами подложки. Электронные свойства границ раздела Cs/Si(l 11)7x7 и Ba/Si(l 11)7x7 зависят преимущественно от электронной структуры адсорбата.
-
Электронная структура границы раздела Cs/Si(l 11)7x7 имеет металлический характер при субмонослойных покрытиях. При покрытиях меньших, чем покрытие, соответствующее минимуму' работы выхода, адсорбция Cs приводит к значительному увеличению плотности поверхностных состояний в запрещенной зоне.
-
На начальной стадии адсорбции взаимодействие атомов Ва с оборванными связями поверхности Si(l 11)7x7 приводит к локализации заряда в связи Ba-Si и к поверхностному переходу типа металл-изолятор. Адсорбционная связь Ва на поверхности Si(l 11)7x7 носит преимущественно ковалентный характер.
-
Электронная структура границы раздела Cs/Si(100)2xl имеет полупроводниковый характер при субмонослойных покрытиях и обнаруживает две индуцированные поверхностные зоны. Атомы Cs адсорбируются на два неэквивалентных адсорбционных места. Покрытие, соответствующее минимуму ионизационной энергии, оценено как монослойное. Полученные данные поддерживают модель «двойного слоя». Граница раздела Ba/Si( 100)2x1 обладает аналогичными свойствами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 13-ом Международном вакуумном конгрессе/9-ой Международной конференции по физике твердого тела (IVC-13/ICSS-9, Япония, 1995), 2-ой Международной конференции по физике низкоразмерных структур (PLDS-2, Россия, Черноголовка, 1995), 5-ой Международной конференции по структуре поверхности (ICSOS-5, Франция, 1996), на 16-ой Европейской конференции по физике поверхности (EC0SS-16, Италия, 1996), на 4-ой Северной конференции по физике поверхности (NCSS-4, Норвегия, 1996) и на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф.Иоффе.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 120 страниц машинописного текста, 45 рисунков на 45 страницах и 1 таблицу. Список цитируемой литературы содержит 90 наименований.
