Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время одним из основных направлений физики конденсированного состояния является исследование физических свойств наноразмерных структур (см., например, [1-4]). К таким структурам относятся полупроводниковые, металлические и магнитные одиночные квантовые ямы и системы, состоящие из нескольких квантовых ям, сверхрешетки различных типов, квантовые проволоки, квантовые точки и наноострова и многие другие нанообъекты. Определяющей особенностью всех этих систем является квантование энергии электронов, когда, по крайней мере, один из размеров системы становится сравним с длиной волны электрона в данном материале, благодаря чему физические свойства структур значительно изменяются по сравнению со свойствами объемных материалов. Квантово-размерные эффекты наиболее ярко проявляются в высококачественных кристаллических наноструктурах, которые выращиваются, в основном, методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ) или осаждением из металлоорганических соединений (MOCVD). Однако, эпи- таксиальный рост накладывает существенные ограничения на количество полупроводниковых или металлических пар, которые могут быть использованы при конструировании многослойных структур и сверхрешеток: рассогласование в постоянных решетки у материалов, составляющих пару, не должно превышать несколько процентов. По этой причине невозможно создавать качественные «экзотические» структуры на основе пар полупроводник-металл, полупроводник-диэлектрик, металл-диэлектрик и др., хотя интерес к таким структурам, несомненно, существует. В некоторых таких структурах потенциальные квантовые ямы, возникающие из-за разности ширины запрещенной зоны материалов (или работы выхода), могут быть очень глубокими (иногда порядка 3-4 эВ, что сравнимо с энергией связи атомов в решетке), и квантовые эффекты в таких системах будут очень сильными. С другой стороны, подобные структуры, но в аморфном состояние, можно вырастить относительно просто, используя, например, магнетронное или катодное распыление, которое позволяет получать многослойные структуры с очень тонкими слоями (вплоть до нескольких ангстрем) и атомарно-гладкими интерфейсами воспроизводимым образом.
Долгое время аморфные структуры представляли интерес в основном с точки зрения исследования эффектов локализации [5]. Дело в том, что, например, аморфные полупроводники являются очень «грязным» материалом: их дефектность так велика, что такие структуры невозможно легировать - концен- траация дефектов может на несколько порядков превышать концентрации примесей. Однако, в случае очень тонких слоев аморфных полупроводников и сверхтонких металлических слоев (толщиной порядка фермиевской длины волны электрона) квантово-размерные эффекты все таки должны иметь место. Это связано с тем, что квантово-размерные эффекты определяются областью когерентности волновой функции электрона в материале, т.е. длиной свободного пробега электрона X* до сбоя фазы его волновой функции. X* может достигать несколько десятков ангстрем для аморфных металлов и полупроводников. Поэтому, при толщине порядка X* квантово-размерные эффекты в аморфных полупроводниках, проявляющиеся в изменение их ширины запрещенной зоны, могут иметь место. В металлических и магнитных слоях размерные эффекты приводят к осцилляциям на уровне Ферми электронной плотности состояний и связанных с ней параметров (диэлектрической проницаемости, плазменной частоте, частоте столкновений, проводимости и т.д.) при изменении толщины слоев. В настоящее время квантово-размерные эффекты в аморфных полупроводниковых и металлических наноструктурах исследованы совершенно не достаточно.
Большой интерес в последнее время вызывают магнитные наноструктуры различного типа. Это обусловлено как фундаментальными проблемами магнетизма в системах с пониженной размерностью, так и огромным прикладным потенциалом магнитных наноструктур. Так, проводятся интенсивные работы по созданию оперативной памяти на магнитных наноструктурах, разрабатываются всевозможные датчики сверхслабых магнитных полей, способные работать при комнатной температуре. Много усилий затрачивается на создание магнитного транзистора и других элементов электроники. Данные исследования привели к возникновению нового направления в науке - спинтроники. Дополнительный импульс к изучению физических свойств магнитных наноструктур дало открытие в восьмидесятых годах ХХ века эффекта гигантского магнитосопротивления ГМС. Актуальность исследований в этом направление подтверждает и Нобелевская премия по физике за 2007 год, присужденная за открытие эффекта гигантского магнитосопротивления. Несмотря на уже почти двадцатилетний срок, в течение которого проводятся исследования магнетизма наносистем с ГМС, до сих пор природа многих магнитных явлений до конца не изучена. В настоящее время продолжается поиск новых систем с большой величиной магнитосопро- тивления, которое проявлялась бы при комнатной температуре и в сравнительно малых магнитных полях. Это, например, многослойные системы магнетик- полупроводник, системы магнитных квантовых точек и проволок, магнитные сверхрешетки и сильно легированные магнитными примесями полупроводники (разбавленные полупроводники), магнитные нанокомпозиты и др.. Большой интерес проявляет исследования физических свойств магнитных пленок, толщина которых лежит в области, когда квантово-размерные эффекты уже проявляются слабо, а физические параметры еще не достигли своих объемных, трехмерных значений. Это случай перехода системы от двумерного поведения физических параметров к трехмерному - 3D-2D. Интерес к таким слоям обусловлен еще и тем, что многие элементы спинтроники сконструированы из слоев, толщина которых лежит как раз в области перехода 3D-2D.
Цель работы. Целью работы является исследование структурных, оптических, электрических и магнитных свойств аморфных многослойных структур полупроводник-диэлектрик, полупроводник-металл и металл-металл, а также изучение квантово-размерных эффектов в многослойных структурах (Si-SiO2)N и сверхтонких металлических и магнитных слоях.
Для выполнение поставленных целей было:
Отработана технология выращивания и выращены сверхтонкие аморфные слои полупроводников (Si, GaAs, SiC, ZnTe), диэлектриков (SiO2, Al2O3) и металлов (Nb, Ni, Co, FeNi, CoNi, W и др.) и многослойные системы на их основе
Предложен метод лавинного импульсного отжига и кристаллизованы тонкие слои Si, Ge, C, SiC и др. и многослойных наноструктур на их основе. С помощью просвечивающей электронной микроскопии изучены кристаллическая структура сверхрешеток (Si-SiO2)N и различных объемных фаз Si, которые возникали под действием бомбардировки поверхности Si низкоэнергетичными ионами и атомами.
Методами оптической спектроскопии исследован квантово- размерный эффект в аморфных многослойных структурах (Si- SiO2)N.
Исследованы квантово-размерные эффекты в сверхтонких металлических слоях используя методы лазерной эллипсометрии, Фурье- спектроскопии, измерения проводимости.
Используя магнитооптический эффект Керра проведены исследования процессов намагничивания многослойных систем полупроводник-ферромагнетик и ферромагнитных слоев. Сделан упор на изучение поведения оптических и магнитных параметров ферромагнитных слоев в диапазоне толщин d ~ 4.0-12.0 нм.
- Предложены и выращены многослойные системы магнитных на- ноостровов. С помощью магнитооптического эффекта Керра и угловых магнитных измерений исследованы процессы намагничивания и особенности магнитной анизотропии выращенных систем. Изучено влияние структурных параметров систем магнитных наноостро- вов на величину и знак магнитосопротивления, исследована чувствительность этих систем к сверхслабым магнитным полям при комнатной температуре..
Научная новизна. В настоящее время во всем научном мире проводятся широкомасштабные исследования полупроводниковых наноструктур различного типа, которые обусловлены как фундаментальными проблемами физики низкоразмерных структур, так и огромным прикладным потенциалом этих систем. Однако, технологические методы получения систем пониженной размерности накладывают существенные ограничения на количество материалов, из которых такие системы могут быть приготовлены. Но, тем не менее, существует постоянный интерес к таким системам, как полупроводник-диэлектрик, полупроводник-металл и которые зачастую могут быть выращены лишь в поликристаллическом или аморфном состояние и сравнительно простыми технологическими методами. В работе предложены и синтезированы аморфные сверхрешетки (Si- SiO2)N со сверхтонкими слоями и исследован квантово-размерный эффект [9], который начинал проявляться при толщине Si ~ 5 нм. Для кристаллизации этих многослойных структур (также как и отдельных тонких слоев Si и других полупроводников с d ~ 1 нм) был предложен новый тип лавинного импульсного от- жига[6, 7]. Эти аморфные короткопериодные сверхрешетки (Si-SiO2)N, как и сверхрешетки (C-SiC)N [8] были с успехом кристаллизованы. Причем, благодаря именно своему аморфному состоянию эти сверхрешетки при определенных условиях трансформировались в новую кристаллическую структуру, во многом определяющуюся тем периодическим потенциалом, который возникает в результате чередования слоев с различной шириной запрещенной зоны.
В связи с открытием эффекта гигантского магнитосопротивления ГМС и развитием спинтроники, возникла необходимость в исследование физических свойств сверхтонких металлических и магнитных слоев. Это связано с тем, что большинство исследуемых металлических и магнитных структур спинтроники имеют толщины порядка 1-10 нм. В данной диссертации приведены результаты исследований квантово-размерных эффектов в сверхтонких слоях (0.5-4.0 нм) Nb, Ti, FeNi, Co и др. и обнаружены осцилляции диэлектрической проницаемости s, DC- и AC проводимости, плазменной частоты в зависимости от толщины металлических слоев. В слоях Al и Cu с толщинами, лежащими в диапазоне перехода системы 2D-3D (d ~ 4.0 -12.0 нм) были обнаружены гигантские осцилляции s и коэффициента отражения в ИК области спектра, а в ферромагнитных слоях FeNi, Co и CoNi помимо существенного изменения s обнаружено изменение магнитных параметров (поля анизотропии, ориентации осей намагничивания, величины эффекта Керра).
Развитие вычислительной техники и спинтроники обусловило поиск систем с максимальным значением ГМС, а также комбинированных структур ферромагнетик-полупроводник. В работе были выращены и исследованы спин- туннельные системы с полупроводниковыми спейсерами из GaAs, ZnTe и SiC в которых было обнаружено обменное взаимодействие антиферромагнитного типа между ферромагнитными слоями, свидетельствует о наличие во всех этих структурах эффекта ГМС. Более того, в системах с SiC-спейсером обнаружено обменное взаимодействие между немагнитным SiC и тонкими ферромагнитными слоями FeNi и Co, которое зависело от амплитуды внешнего магнитного поля. Кроме спин-туннельных систем с полупроводниковыми спейсерами в данной работе были предложены и получены многослойные системы магнитных наноостровов. В этих системах было обнаружено положительное и отрицательное магнитосопротивление, а также однонаправленная магнитная анизотропия и рассмотрены возможные механизмы, приводящие к этим явлениям. Необходимо отметить, что такие системы способны чувствовать рекордно слабые магнитные поля до 10-6 Э при комнатной температуре.
Научная и практическая ценность. В диссертации впервые предложены и выращены аморфные многослойные короткопериодные периодические структуры (Si-SiO2)N, в которых наблюдается квантово-размерный эффект, проявляющийся в изменение ширины запрещенной зоны Si. Предложен импульсный лавинный отжиг, с помощью которого можно кристаллизовать как тонкие полупроводниковые слои начиная с толщины d ~ 0.5 нм, так и многослойные структуры различного типа. Предложено использовать короткопериодные сверхрешетки для получение в процессе их кристаллизации структур с новой кристаллической структурой.
Показано, что в тонких (d < 3-4 нм) металлических слоях имеет место осцилляционное изменение электрических и оптических параметров, а в диапазоне толщин 4.0 - 12.0 нм (слои наиболее часто используемые в элементах спинтроники) значительные изменения электрических, оптических и магнитных свойств.
В спин-туннельных структурах с полупроводниковыми барьерными слоями было показано, что при определенных толщинах полупроводникового слоя между ферромагнитными слоями возникает антиферромагнитный тип обменного взаимодействия, а для ряда немагнитных полупроводников, таких как SiC, обнаружено обменное взаимодействие между тонкими магнитными и полупроводниковыми слоями, величина которого зависит от амплитуды внешнего магнитного поля.
Предложено использовать многослойные системы магнитных наноостро- вов для создания структур с рекордной чувствительностью к слабым магнитным полям (до 10-6Э). Предложенные системы обладают положительным и отрицательным магнитосопротивлением, однонаправленной магнитной анизотропией, высокой чувствительностью к ориентации внешнего магнитного поля.
Положения, выносимые на защиту
Обнаружение квантово-размерного эффекта в аморфных многослойных периодических структурах^і^Ю2)м, который проявлялся в увеличение запрещенной зоны у Si при dSi < 20 А.
Метод кристаллизации полупроводников и полупроводниковых многослойных структур с помощью предложенного в работе лавинного отжига.
Обнаружение кристаллической решетки с гексагональной симметрии у кристаллизованных короткопериодных структур (Si-SiO2)N как результат воздействия сильного периодического потенциала, возникшего в результате чередования в образцах слоев с большой разницей в ширине запрещенной зоны (Si и SiO2).
Наблюдение стабильных и метастабильных объемных фаз кремния, возникающих при бомбардировке поверхности кристаллического кремния низкоэнергетичными атомами и ионами (E ~ 1 -10 eV)
Обнаружение осцилляционных зависимостей диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, отражения в ИК-области спектра, частоты электронных столкновений, оптической и DC проводимость и др. параметры от толщины металлических слоев Nb, Ti, Al, Ni, Cu, W и др..
Исследование зависимостей оптических и магнитных параметров слоев металлов и ферромагнетиков в области толщин 4-12 нм (область перехода 2D-3D).
Изучение условий возникновения антиферромагнитного типа обменного взаимодействие между ферромагнитными слоями многослойных магнито- полупроводниковых наноструктурах Fe-GaAs-Fe, Fe-ZnTe-Fe и FeNi-SiC- FeNi
Обнаружение в магнитных структурах FeNi-SiC-FeNi порогового по магнитному полю обменного взаимодействия между немагнитным полупроводниковым слоем SiC и ферромагнитными слоями, проявляющееся в существенном изменение полей насыщения и коэрцитивного поля у ферромагнитных слоев.
Наблюдение возникновения магнитосопротивления (положительного и отрицательного), высокой чувствительности к сверхслабым магнитным полям и однонаправленной магнитной анизотропии в многослойных системах магнитных наноостровов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации и отдельные ее положения докладывались на следующих конференциях:
1 Международная конференция по нейтронной физике, г. Киев, сентябрь, 1987; Всесоюзная конференция Ионно-лучевая модификация материалов, Черноголовка, июнь, 1987; XXI Всесоюзная конференция по физике полупроводников, Кишинев, октябрь, 1988; 19 International Conference on the Physics Semiconductors, Warsaw, August, 1988; Sino-Soviet Seminar: Spectroscopy and Optoelectronics in SIM and Related Materials, Shunghai, China, May, 1990; 8 International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, Lubek, FRG, 1991; 1 Российская конференция по физике полупроводников, Н.Новгород, сентябрь, 1993; International Symposium: Nanostructures:Physics and Technology, St.Petersburg, June, 1993; XXI съезде по спектроскопии, Звенигород, февраль, 1995; International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, June, 1995; XV Всероссийская школа-семинар "Новые магнитные материалы для микроэлектроники",июнь, Москва, 1996; 1-st Internftional Conference on Low Temperature Physics, Prague, August, 1996; 2-ая Российская конференция по физике полупроводников, Зеленогорск, февраль, 1996; European Symposium on Lasers and Optics in Manufacturing, June, Faigrands, Munich, FR Germany, 1997; Наноструктуры на основе кремния и германия, Всероссийское совещание,
Н.Новгород, март, 1998; 6-th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, June,1998; 7th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, June, 1999; XVII международная школа- семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2000; Вторая объединенная конференция по магнитоэлектронике (международная), Екатеринбург, июнь, 2000; 6 Всероссийский семинар "Инженерно- физические проблемы новой техники", МВТУ, Москва, май, 2001; 12-й Международный симпозиум "Тонкие пленки в электронике", Харьков, Украина, апрель, 2001, XIV Уральская Международная школа по физике полупроводников "Электронные свойства низкоразмерных полу- и сверхпроводниковых структур, Екатеринбург, февраль, 2002; Moscow International Symposium on magnetism, June, 2002; Symposium and Summer School "Nano and Giga challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia, Moscow, September, 2002; ХХХШ совещание по физике низких температур, Екатеринбург, февраль, 2003; International Conference "Functional Materials", ICFM2003, Ukraine, Crimea, Part- enit, October, 2003; Нанофотоника, Нижний Новгород, март, 2003; XV Уральская международная конференция по физике полупроводников, Екатеринбург, февраль, 2004; 12-th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, June, 2004; 13-th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, June, 2005; International conference «Functional Materials, ICFM-2005», October, 2005; VII Российская конференция по физике полупроводников, Москва, сентябрь, 2005; Совещание Программы фундаментальных исследований "Спин-зависимые явления в твердых телах и спинтроника", апрель, С.Петербург, октябрь, 2006; XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург-Кыштым, февраль, 2006; «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики», Москва, ФИАН, февраль, 2006; 14-th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.Petersburg, June, 2006; ХХ международная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2006; 7 Российско- Украинский семинар «Нанофизика и Наноэлектроника», октябрь, С.Петербург, 2006; VII International scientific Conference "Solid state chemistry and modern micro- and nanotechnologies", сентябрь, Кисловодск, 2007; International conference «Functional Materials, ICFM-2007», Ukraine, Crimea, Partenit, October, 2007; XVII Уральская зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург, февраль, 2008; 10 Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой и опто- и наноэлектронике, декабрь, С.-
Петербург, декабрь, 2008, XXI международная конференция "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, МГУ, июнь, 2009.
Объем и структура работы. Общий объем диссертации составляет 264 страниц. Диссертация состоит из Введения, 7 глав, выводов, списка литературы, включающего 154 наименований; содержит 95 рисунков.
Личный вклад автора в проведенное исследование. Личный вклад автора заключается в выборе направления и объектов исследования, формулировке и постановке задач, выборе и разработке методов решения поставленных задач, непосредственное участие в разработке технологических методов и выращивание объектов исследований и в проведение экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных результатов, написании статей и подготовке докладов.
