Формирование, структура и свойства тонких пленок силицида магния на Si(111) Ваванова Светлана Владимировна

Введение к работе

Актуальность темы

В настоящее время широко изучены и используются термоэлектрические свойства некоторых полупроводников Соединение Mg₂Si хорошо известный многообещающий материал для преобразования термоэлектрической энергии в температурном диапазоне от 500 до 800 К Фундаментальные электронные свойства монокристаллов Mg₂Si широко исследовались теоретически и экспериментально [1-7] Формирование эпитаксиальных пленок Mg₂Si на кремнии осложнено малым коэффициентом прилипания магния к кремнию при повышенных температурах подложки Наибольший интерес получили работы по формированию тонких пленок Mg₂Si стехиометрического состава на кремнии методом молекулярно-лучевой эпитаксии [2,3] Однако температура подложки в процессе роста не может превышать 200С, что обеспечивает формирование только поликристаллических пленок Mg₂Si с достаточно развитым рельефом поверхности Для создания гетеропереходов силицид-кремний и построения новых полупроводниковых приборов это не является достаточным условием Поэтому представляет несомненный интерес разработка нового метода роста пленок Mg₂Si на кремнии, в котором можно использовать более высокие температуры подложек для повышения кристаллического качества пленок Исследования оптических и термоэлектрических свойств выращенных пленок Mg₂Si и фотоэлектрических свойств гетероперехода Mg₂Si/Si позволят провести анализ стехиометрии пленок и параметров их энергетических структур Целью диссертационной работы является определение условий твердофазного роста тонких пленок Mg₂Si и перспектив использования пленок Mg₂Si в кремниевой термоэлектронике Обоснование выбора материалов

Монокристалл силицида магния достигает высоких значений термо-э д с, поэтому магний и кремний как экологически чистые материалы выбраны для создания тонкопленочного полупроводникового соединения - Mg₂Si, которое может обладать высоким значением термо-э д с

Основные научные задачи

1. Определить условия формирования тонких пленок Mg₂Si на поверхности Si(lll)методом твердофазной эпитаксиииз смесиMg-Sj

2. Исследовать морфологию, структуру, оптические и электрические свойства выращенных пленок Mg₂Si

3. Исследовать изменения электронной структуры в области первых прямых переходов в выращенных пленках Mg₂Si на Si(lll) по сравнению с монокристаллом Mg₂Si

4. Исследовать электрические и фотоэлектрические свойства р-р гетероперехода Mg₂Si/Si

Научная новизна

5. Впервые выращены пленки Mg₂Si на Si(lll) с эпитаксиально ориентированными зернами, определены и промоделированы их оптические функции, исследованы особенности структуры энергетических зон вблизи края поглощения

6. После длительного отжига смеси Mg-Si на Si( 111) при температурах 450-550С обнаружено замещение части атомов магния атомами кремния при сохранении кристаллической решетки Mg₂Si

7. Впервые исследованы электрические свойства тонких пленок Mg₂Si на Si( 111) Поликристаллическая пленка Mg₂Si является полупроводником р-тшіа проводимости с концентрацией основных носителей ~ 6 5 10¹⁸ см"³ и подвижностью 250+20 см²/В сек Определена температурная зависимость подвижности дырок \х ~ Т⁵

8. Впервые исследованы термоэлектрические свойства тонких пленок Mg₂Si Величина коэффициента термо-э д с тонких пленок Mg₂Si не превышает 70 мкВ/град при Т = 300 - 420 К и зависит от температуры однократного отжига смеси Mg-Si

9. Впервые исследованы фотоэлектрические и приборные свойства р-р гетероперехода Mg₂Si/Si на подложке Si(lll) и-типа проводимости и определены параметры разрывов зон

Практическая ценность

10. Разработана методика формирования затравочного слоя, состоящего из одинаково ориентированных наноразмерных островков Mg₂Si на подложке Si(l 11)

11. Разработана методика твердофазного высокотемпературного (до 550С) формирования тонких пленок Mg₂Si на Si(lll) с использованием предварительно сформированного затравочного слоя

12. Определены электрические параметры пленок Mg₂Si стехиометрического состава и установлено влияние межкристаллитных дефектов на величину проводимости

Защищаемые положения

1 При отжиге мультислоев Mg и Si с общей толщиной не более 50 нм на
затравочных островках Mg₂Si на Si(l 11) температура 550С является достаточной
для эпитаксиальной ориентации зерен в пленке Mg₂Si

2. При твердофазном отжиге смеси Mg-Si на Si(lll) (Т = 450-550С) происходит замещение части атомов магния на атомы кремния в кубической решетке Mg₂Si, что приводит к ее сжатию по сравнению с монокристаллом, и сдвигу величины энергий прямых переходов в область меньших значений

3. Поликристаллическая пленка Mg₂Si с зернами стехиометрического состава является полупроводником р-пта проводимости с энергией первого прямого межзонного перехода 0 9+0 05 эВ, концентрацией дырок 6 5 10¹⁸ см"³ и подвижностью 250±20 см7В сек при комнатной температуре, а основной вклад в механизм рассеяния вносят межкристаллитные дефекты

4. Пленки Mg₂Si на Si(lll) после однократного отжига смеси Mg-Si при температуре 550С являются полупроводником п-типа проводимости и имеют коэффициент термо-э д с до 70 мкВ/К в диапазоне температур 300-420 К

5 В гетероструктуре Mg₂Si-/?/Si-p/Si-n электрические поля р-р
гетероперехода Mg₂Si/Si и р-п перехода имеют разные направления Фото-э д с
р-р гетероперехода Mg₂Si/Si обусловлена межзонными переходами в Mg₂Si в
области энергий 0 7-0 9 эВ В зонной структуре гетероперехода разрыв в
валентной зоне составляет AE_V = 0 48 эВ и в зоне проводимости АЕ_С = 0 12 эВ

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на 1^ой, 4^ой и 5^ой Азиатско-Тихоокеанской конференции по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники (г Владивосток, Россия, 2000 г и 2002 г , г Хабаровск, Россия, 2004 г), 4^0М Российско-Японском семинаре по физике поверхности полупроводников JRSSS-4 (г Нагойя, Япония, 2000 г), 2^ой Региональной научной конференции «Физика фундаментальные и прикладные исследования» (г Хабаровск, Россия, 2001г), З^еи Региональной научной конференции «Физика фундаментальные и прикладные исследования» (г Благовещенск, Россия, 2002 г), 9^ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (г Красноярск, Россия, 2003 г), 7^ой, 8^ой, 9^ой и 10^ой Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (г Владивосток, Россия, 2003-2006 гг), конференции Азиатско-Тихоокеанского региона «Полупроводниковые силициды-2006» (г Нара, Япония, 2006 г) Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 статей в реферируемых научных журналах и 3 статьи в сборниках трудов региональных и международных конференций

Личный вклад автора. Вошедшие в диссертацию результаты отражают итоги исследований роста, оптических и фотоэлектрических свойств структур Mg₂Si на Si(lll), проведенных автором в ИАПУ ДВО РАН совместно с сотрудниками лаборатории оптики и электрофизики Все эксперименты и обработка данных по исследованию транспортных и термоэлектрических свойств проведены лично автором Автор участвовал в обсуждении экспериментальных данных и написании статей

Участие соавторов публикаций заключалось в следующем д ф -м н НГ Галкину принадлежит идея использования твердофазного роста из смеси Mg-Si на затравочных островках для получения эпитаксиальных пленок Mg₂Si, он также участвовал в обсуждении результатов и написании статей К ф -м н А М Маслов и К Н Галкин обрабатывали и интерпретировали часть данных по оптической спектроскопии К ф -м н А В Конченко и В О Полярный принимали участие в экспериментах по росту пленок Mg₂Si и исследовании

фотоэлектрических свойств Изображения в атомном силовом микроскопе получены Е А Чусовитиным К ф -м н А В Герасименко и к х н ТА Кайданова проводили регистрацию рентгеновских спектров от пленок Mg₂Si Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы Общий объем диссертации составляет 152 страницы, включая 59 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 103 наименований

Похожие диссертации на Формирование, структура и свойства тонких пленок силицида магния на Si(111)

Закономерности формирования структуры и магнитных свойств при напылении магнитно-анизотропных пленок на основе сплава Nd-Fe-BКорнилов, Николай Владимирович

Формирование поверхности Si(111) при молекулярно-лучевой эпитаксии кремния и адсорбции бораБалашев Вячеслав Владимирович

Формирование границы раздела при послойном росте Cr, Co и Fe на Si(111)Ильященко Владимир Михайлович

Закономерности формирования структуры и свойства композитов титановый сплав - биопокрытиеСагымбаев Ерик Ерлесович

Расчёт температурных полей и формирование структуры и свойств поверхностных слоёв металлов и сплавов при облучении пучком релятивистских электроновГолковский Михаил Гедалиевич

Закономерности формирования структуры и свойств поверхностного слоя стали 45, модифицированной методами электровзрывного легирования и электронно-пучковой обработкиФилимонов, Семен Юрьевич

Формирование структуры и свойств углеродистой стали при электровзрывном боромеднении и электронно-пучковой обработкеВащук, Екатерина Степановна

Исследование формирования, структуры и свойств поверхностных фаз элементов III и V групп на кремнииРыжков, Сергей Витальевич

Закономерности формирования структуры и свойств кальцийфосфатных покрытий на поверхности биоинертных сплавов титана и цирконияЛегостаева Елена Викторовна

Формирование, структура и оптические свойства нанокомпозитных систем «Ge в пори-стой матрице Al2O3Бельтюков Артемий Николаевич