Введение к работе
-А!?ТУЭльность_темьк Возникновение и развитие твердотельной электроники обусловлено в большой мерз успехами той области теоретической и экспериментальной физики, которая занимается изучением контактов между металлами и полупроводниками, так как любой прибор твердотельной электроники предполагает наличие большого числа таких контактов, хотя бы даже потому, что необходимо вводить и выводить электронные сигналы, а это сейчас трудно представить без металлических соединений. Чрезвычайно важно, чтобы контакты не влияли бы непредсказуемо на работу данного электронного прибора. Поскольку развитие современной электроники идет по пути все большего и большего уменьшения размеров активных элементов, то размер конктретного элемента может быть уже сопоставим с размерами области контакта металл/полупроводник, свойства которой в данном случае будут ответственны за характеристики всего прибора. Электрофизика контактов определяется такими параметрами и процессами как, например, кристаллическая структура, поверхностные и межфазные состояния, примеси, дефекты, диффузия, химические реакции. При образовании контакта решающую роль могут играть физика и химия поверхностей контактирующих элементов, так как известно, что на поверхности свойства полупроводника или металла могут значительно отличаться от тех, что есть у объемных материалов. Совершенно понятно поэтому, что исследование контактов металл/полупроводник - это важное направление в физике твердого тела и особенно в экспериментальной физике, поскольку до сих пор не удалось создать всеобъемлющую теорию контактных явлений, учитывающую и описывающую из "первых принципов" все процессы, происходящие в области контакта металл/полупроводник.
Прогресс в экспериментальном изучении контактов металл/ полупроводник был достигнут благодаря развитию техники высокого вакуума и методов анализа поверхности твердого тела (Оже- и фото- электронной спектроскопии, дифракции медленных электронов и т.д.), а также благодаря возможности
приготавливать и исследовать контакты непосредственно в
экспериментальном приборе в условиях сверхвысокого вакуума.
Изучение процесса формирования контактов между
полупроводниками группы a,,bv1 и тяжелыми трехвалентными редкоземельными металлами (РЗМ), проведенное в настоящей работе, представляет собой пример подобного исследования.
Цль_настоящей_работы состояла в исследовании методами электронной спектроскопии процесса послойного формирования
КОНТаКТОВ МеЖДУ ПОЛУПрОВОДНИКаМИ ГРУППЫ А,,Ву1 (CdSe, CdS) и
тяжелыми трехвалентными РЗМ (Dy, Gd, но). Соединения на основе полупроводников группы апв(| считаются весьма перспективными для производства приборов твердотельной микроэлектроники: солнечных преобразователей, тонкопленочных транзисторов, приборов оптоэлектроники. Высокая химическая активность РЗМ должна решить проблему создания стабильных контактов с очень незначительной (по сравнению с другими металлами) областью перемешивания. Различия электронной структуры Dy, Gd, но позволили изучить ее роль (электронной структуры) в эффекте "критической толщины" слоя РЗМ на поверхности полупроводника.
Задачи_работы были следующие: і. Выбрать и осуществить в условиях сверхвысокого вакуума методы приготовления чистых монокристаллических поверхностей полупроводников At[Bvi и послойного формирования контактов P3M/aiAi.
-
Исследовать на модельных системах, представляющих собой чередующиеся слои aiibvi, различающиеся типом либо аниона, либо катиона, процессы послойного ионного травления с целью определения наилучших режимов ионного профилирования контактов РЗМ/амву1.
-
Экспериментально, методами Оже-электронной спектроскопии, дифракции медленных электронов и ионого профилирования, изучить процесс формирования контактов FSM/a,,bvi и их строение.
4. Провести сравнительный анализ контактов у/а1івїі-
но/AjjByj, Gd/AMByi для выяснения роли электронного строения
РЗМ в процессе формирования контактов с а,,ву1.
На^чная_новизна работы определяется тем, что впервые получены экспериментальные данные о процессе формирования
КОНТаКТОВ МЄЖДУ ПОЛупрОВОДНИКаМИ ГРУППЫ A^B^CdSe, CdS) и
тяжелыми трехвалентными РЗМ (оу, Gd, но), в результате чего построена общая схема формирования этих контактов
(Dy/CdSe(1120), Dy/CdS(1120), Ho/CdSe(1120) , Gd/CdSe(1120) И
Gd/cds{ii20)). Обнаружено, что они представляют собой сложные многослойные системы. Показано, что в отличие от благородных металлов, для контактов которых с а в характерны очень протяженные области, составленные перемешанными, слабо взаимодействующими компонентами полупроводника и металлом, РЗМ образуют стабильные соединения на поверхности а ву , препятствующие существенному перемешиванию. Научную ценность представляет также обнаружение эффекта "критической толщины", т.е. обнаружение того, что для начала химической реакции между РЗМ и компонентами полупроводника необходимо, чтобы слой РЗМ имел бы определенную (-0.5 монослоя (МО) поверхностную концентрацию. Данный эффект связан с изменением валентности РЗМ при увеличении числа ближайших соседей и показывает, что локализованные мелколежащие 4f оболочки участвуют в формировании химических свойств РЗМ (путем промотирования электрона с 4f оболочки в валентную зону). Н|_защиту_выносятся_следушие_положения:
- Процесс формирования КОНТаКТОВ Dy/CdSe(1120) , Dy/CdS(1120),
Gd/cdse(ii20) и Ho/cdse(ii20) включает в себя несколько
последовательных стадий, зависящих от толщины слоя РЗМ, и для
всех исследованных контактов происходит в соответствии с
одной моделью, которую можно считать общей для контактов
между трехвалентными РЗМ и полупроводниками а ву : при
средневесовой толщине РЗМ до -7 МС имеет место разрыв
химической связи cd-халькоген, перемешивание РЗМ и халькогена
и образование химической связи РЗМ-халькоген; при толщине
слоя РЗМ в -7 МС происходит сегрегация атомов cd на
поверхности контакта; сегрегация препятствует
продолжительному перемешиванию между атомами РЗМ и халькогена и приводит к росту слоя чистого РЗМ при толщинах в -12 МС.
- Эффект "критической толщины" имеет связь с электронной
структурой FSM: для тяжелых трехвалентных РЗМ он наблюдается, если при переходе РЗМ от атомарного состояния к твердотельной фазе есть промотировалие одного 4f электрона в валентную зону.
- Разработан метод оптимизации режимов ионного профилирования
и сведения ионного и электронного пучков при измерении
Оже-профило грамм.
- Установленный в работе факт образования на поверхности
AuBvi стабильного соединения между РЗМ и халькогеном делает
возможным использование РЗМ в качестве промежуточных слоев
при производстве контактов в приборах на основе Aj,bvi.
Пдактическая_ценносхь_работы1
-
На практике осуществлено формирование и исследование "in situ" методами электронной спектроскопии контактов F3M/ax,ву1. При формировании контактов сверхтонкие (-0.1 МС) и сверхчистые слои РЗМ наносились на атомарно-чистые поверхности монокристалла a,,bvi, приготовленные методом раскалывания в сверхвысоком вакууме (по плоскости (иго)).
-
Разработан метод оптимизации режимов ионного травления при измерении Оже-профилограмм. Данный метод основан на использовании многослойных систем с чередующимся элементным составом. Его применение приводит к значительному уменьшению искажения профиля контакта, вызванного действием ионного пучка.
3. Настоящее исследование показывает, что РЗМ образуют
стабильные соединения на поверхности a,,bvi - это позволяет
использовать их в качестве промежуточных слоев при
изготовлении контактов в приборах на основе амв . Данные
слои должны препятствовать взаимной диффузии компонентов
полупроводника и металла, выбранного для производства
электрических цепей (А1 или au, например).
4. Анализ химических соединений, имеющихся в области контакта
P3M/aiibvi, показывает, что при толщинах слоя РЗМ до -7 МС на
поверхности А:]ву1 образуются халькогениды РЗМ, которые,
будучи широкозонными диэлектриками, могут, вероятно,
выполнять функции изолятора в МДП-приборах.
5. Показана связь электронной структуры РЗМ и эффекта
"критической толщины". Этот результат может быть использован в нанотехнологии, поскольку он создает основу для прогнозирования химических свойств сверхтонких (<0.1 МС) покрытий РЗМ на полупроводниковых подложках.
Апробаиия^результатовработы. Основные результаты работы докладовались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Поверхность 89" (Черноголовка, 1989), vn Всесоюзном симпозиуме по ВЭЭ, ФЭС и спектроскопии поверхности твердого тела (Ташкент, 1990), 12 Европейской конференции по изучению поверхности (Ecoss-i2, Стокгольм, 1991), 13 Европейской конференции по изучению поверхности (Ecoss-13, Варвик, .1993), семинарах лаборатории физической электроники отдела ЭТТ НИИФ СПбГУ и рабочей группы проф. Г. Кайндля в Институте экспериментальной физики Свободного Университета Берлина.
Структура_и_объем_диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 175 страниц, в том числе 113 страниц машинописного текста, 37 рисунков на 33 страницах, 2 таблицы на 2 страницах и список литературы на 27 страницах, включающий в себя 257 наименований.