Введение к работе
Актуальность темы, Физика поверхности полупроводников является научной базой для развития микро- и наноэлектроники, поскольку рост плёночных структур, формирование низкоразмерных объектов со свойствами квантово-размерных систем определяются свойствами поверхности и протекающими на поверхности процессами.
Решение многих задач полупроводниковой электроники связано с использованием атомарно-чистых поверхностей, как, например, в методе эпитаксии из молекулярных пучков. Поэтому исследование структуры и морфологии атомарно-чистых поверхностей полупроводников, реконструкции поверхности, влияния на неё адсорбции инородных атомов, изучение поверхностной диффузии и начальных стадий роста слоев является важной и актуальной задачей.
В данной работе исследовались: формирование наноструктур серебра типа квантовых точек и квантовых проволок на поверхности Si(557), влияние адсорбции атомов Ag и Аи на структуру и морфологию вицинальных поверхностей кремния (111), механизмы диффузии атомов РЬ и Си вдоль сингулярных граней кремния.
Интерес к адсорбции на вицинальных поверхностях вызван потенциальной возможностью формирования на них квантово-размерных объектов, таких как квантовые проволоки. В то время как современные возможности литографии ограничены созданием элементов размерами менее 50 нанометров, исследуются новые способы создания микроэлектронных устройств, такие как самоорганизация. Одним из перспективных направлений является адсорбция на вицинальных поверхностях. Регулярно расположенные ступени могут изменить механизм роста во время адсорбции. Из-за присутствия потенциального барьера на краях террас, диффузия адатомов сильно анизотропна. Это открывает новые возможности в исследовании явлений самоорганизации, которые ведут к созданию одномерных структур. Для создания таких объектов необходимо иметь ступени без изломов на большой площади образца. Следовательно, необходимо научиться управлять морфологией и структурой вицинальных поверхностей, применяя различные режимы термообработки и адсорбируя различные элементы на поверхности. Например, адсорбция металлов на вицинальных поверхностях кремния при повышенных температурах часто вызывает фасетирование этих поверхностей. Направление пропускаемого через образец тока также может влиять на морфологию поверхности. При одном значении полярности приложенного напряжения поверхность может состоять из регулярно расположенных
рос национальная]
КИБЛИОТЕКА ]
ступеней, в то время как при противоположной полярности поверхность состоит из террас и эшелонов ступеней [ 1].
В качестве материала подложки использовался кремний, так как структура и динамика ступеней на кремнии хорошо изучена, а также известны методы приготовления кремниевых поверхностей с высоким структурным совершенством. В работе использовались вициналытые грани кремния (111), отклонённые в направлениях [112] и [ТТ2]. Вициналытые грани кремния (111) характеризуются наличием ступеней с низкой плотностью изломов, так как размеры изломов кратны размеру ячейки 7x7 на террасах Si(lll). В то же время вицияальные грани Sl(100) имеют более сложную структуру ступеней, состоящую из чередующихся гладких и изрезанных ступеней, которые не удаётся объединить в двойные ступени без изломов.
Для проведения экспериментов на вицинальных поверхностях Si(lll) были выбраны серебро (Ag), и золото (Au), так как эти металлы являются немагнитными и не образуют соединений с кремнием. Это должно в будущем облегчить интерпретацию электронных свойств объектов. Кроме того, Ag и Au на поверхностях кремния являются модельными системами для изучения роста металлов, из-за их инертности и малой растворимости в Si.
В работе исследовались механизмы диффузии атомов РЬ и Си вдоль поверхностей кремния (111), (ПО) и (100). В то время как диффузия адсорбированных атомов непосредственно влияет на процессы, происходящие при эпитаксии, в литературе имеется сравнительно мало данных относительно диффузии атомов различных элементов вдоль поверхности кремния. Исследования переноса атомов металлов вдоль поверхности кремния показали, что его механизмы для разных атомов могут отличаться. Так, например, из ранее полученных результатов следует, что атомы золота диффундируют непосредственно по поверхности кремния и коэффициенты их поверхностной диффузии зависят от поверхностной структуры, по которой происходит диффузия [2]. Перенос же атомов никеля вдоль чистой поверхности кремния осуществляется путем их диффузии через объем с последующей сегрегацией на поверхность при охлаждении образца [3].
Интерес к исследованию диффузии Си вызван тем, что она в последнее время широко используется для изготовления проводников в микросхемах. Исследование диффузии РЬ по поверхностям кремния представляет большой научный интерес, так как недавно был обнаружен эпитаксиалытый рост РЬ на поверхности Si(lll) при температуре кипения жидкого гелия, что свидетельствует о высокой подвижности атомов РЬ даже при этой низкой температуре[4].
Целью настоящей диссертационной работы является исследование влияния адсорбции атомов Ag и Аи на структуру и морфологию вицинальных поверхностей Si(lll) и нахождение условий формирования наноструктур типа квантовых проволок и квантовых точек, а также исследование механизмов диффузии атомов РЬ и Си вдоль поверхностей кремния (111), (110) и (100).
Методы исследования. Все эксперименты были выполнены in situ в сверхвысоком вакууме. Для выполнения работы использовали следующие методы: дифракция медленных электронов (ДМЭ), дифракция медленных электронов с анализом профилей рефлексов (ДМЭ-АПР), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), электронная оже-спектроскопия (ЭОС).
Научная новизна:
-
Показана возможность формирования наноструктур серебра типа нанопроволок и наноточек на вицинальных поверхностях Si( 111).
-
Установлено, что на форму образующихся островков серебра влияет адсорбция кислорода из остаточной атмосферы вакуумной камеры перед напылением Ag. В зависимости от концентрации кислорода формируются нанопроволоки или наноточки серебра
-
Установлена последовательность изменения структуры и морфологии вицинальных поверхностей кремния (111) по мере увеличения концентрации Ag и Аи. На поверхности
(4 31 Si(110) обнаружены новые поверхностные структуры Ix2-Ag, - -Ag и 4х2-РЬ, а на
{4 г)
поверхности Si(lll) структуры 2х2-Аи и 3 л/ЗхЗл/з -Аи. На основании СТМ изображений с высоким разрешением построены атомные модели поверхностных структур Si(lll)-2V2Tx2V2T-Au,Si(lll)-3^x3V3-Au,Si(775)-lx2-AuHSi(553)-lxl-Au.
4) Определены закономерности образования фасеточных плоскостей в процессе
адсорбции атомов металлов на вицинальных гранях кремния. Фасеточные плоскости
образуются как путём плавного изменения угла наклона эшелонов ступеней, так и путём
зарождения новых плоскостей. Показано, что перестройка поверхности с регулярными
ступенями в поверхность, состоящую из фасеточных плоскостей, вызвана образованием
поверхностной структуры на террасах Si(lll).
5) Определена ориентация тройных ступеней на чистой вицинальной поверхности
Si(lll), отклонённой внаправлении [1 12].
-
Установлен механизм диффузии атомов РЬ вдоль атомарно-чистых поверхностей кремния. Диффузия свинца вдоль сингулярных поверхностей кремния (111), (ПО) и (100) осуществляется по механизму твердофазного растекания, известного также как механизм „развёртывающегося ковра". Получены температурные зависимости коэффициентов диффузии РЬ.
-
Установлен механизм диффузии атомов Си вдоль атомарно-чистых поверхностей кремния. Распространение меди вдоль поверхностей кремния осуществляется путём её диффузии через объём и сегрегации на поверхность кремния в процессе отжига образца. Получены температурные зависимости эффективных коэффициентов диффузии Си вдоль поверхностей Si(l 11) и Si(l 10).
Практическая ценность:
-
Продемонстрирована возможность формирования наноточек и нанопроволок серебра на вицинальных поверхностях кремния. Сформированные наноструктуры могут обладать квантово-размерными свойствами и быть полезны для создания новых приборов.
-
Определены механизмы диффузии атомов Си и РЬ вдоль поверхностей кремния (111), (ПО) и (100) и измерены их коэффициенты диффузии. Полученная информация найдёт применение в полупроводниковой технологии при росте полупроводниковых структур с применением данных металлов.
-
Определена ориентация ступеней высотой в 3 межплоскостных расстояния d(ni) на атомарно-чистой поверхности Si(557). Это необходимо для описания начальных стадий роста других веществ на этой поверхности.
4) Предложен способ определения среднего расстояния между фасеточными
плоскостями с помощью дифракции медленных электронов. Данный метод позволяет
измерять средние расстояния между фасеточными плоскостями более точно, чем это
возможно с помощью сканирующей туннельной микроскопии за счёт лучшего усреднения по
поверхности образца. Кроме того, этот метод позволяет следить за размерами фасеточных
плоскостей во время процесса адсорбции атомов при повышенной температуре.
5) Установлена зависимость морфологии вицинальных поверхностей кремния (111) от
количества адсорбированных атомов Ag и Аи при повышенной температуре. Полученные
данные о температурных интервалах и интервалах покрытий адсорбата важны для
понимания закономерностей формирования наноструктур на вицинальных поверхностях
кремния.
На чяїниту выносятся:
1) Результаты экспериментального исследования формирования наноструктур типа
квантовых точек и квантовых проволок при адсорбции атомов Ag на поверхности Si(557):
показана возможность формирования упорядоченных массивов наноструктур серебра типа квантовых точек и квантовых проволок;
на форму наноструктур серебра влияет выдержка чистой поверхности кремния в вакууме перед нанесением серебра;
по данным электронной оже-спектроскопии причиной этого является адсорбция кислорода из остаточной атмосферы вакуумной камеры.
2) Результаты экспериментального исследования влияния адсорбции атомов Ag, Pb и
Au на структуру и морфологию гладких поверхностей Si(llO), Si(lll) и вицинальных
поверхностей Si(lll) при повышенных температурах:
обнаружен ряд не наблюдавшихся ранее поверхностных структур на поверхностях Si(lll) и Si(llO), индуцируемых атомами Ag, Pb и Au;
получена зависимость ориентации формирующихся на вицинальных поверхностях Si(l 11) фасеточных плоскостей от величины покрытия Ag/Au и температуры.
-
Способ определения среднего расстояния между фасеточными плоскостями на поверхностях кристалла с помощью дифракции медленных электронов.
-
Ориентация плоскости ступеней высотой в 3 межплоскостных расстояния d(iu) на вицинальных поверхностях Si( 111), отклонённых в направлении [Т Т 2 ].
-
Результаты исследования диффузии атомов Pb и Си вдоль поверхностей кремния (111),(110) и (100):
- выявлены механизмы диффузии атомов Pb и Си вдоль поверхностей кремния (111),
(110)и (100);
- получены температурные зависимости коэффициентов диффузии.
Личный вклад соискателя в диссертационную работу заключается в активном участии в постановке задач и определении способов их решения, в организации и проведении экспериментов, в анализе и интерпретации полученных результатов.
В исследованиях принимали участие другие научные сотрудники Института физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск) и Института физики твердого тела (г. Ганновер). Работы проводились в тесном взаимодействии с соавторами, которые не возражают против использования в диссертации полученных совместно результатов.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ. Список работ приведён в конце авторефереата.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по диссертации, заключения и списка литературы. В конце каждой главы приводятся выводы по главе. Диссертационная работа содержит 135 страниц текста, содержит 84 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 84 наименований.
