Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование процессов на поверхности твердых тел - одно из важнейших направлений в современной физике конденспрованых веществ. Особенно эти слова следует отнести к изучению поверхности полупроводников и, в частности, поверхности кремния. Дело не только в том, что к этому вынуждают требования микроминиатюризации полупроводниковых приборов, что приводит к возрастанию роли поверхности. Оказалось, что при напылении адсорбата на поверхность кремния в условиях сверхвысокого вакуума на подложке формируется новое двумерное вещество - поверхностная фаза (ПФ). Этот сверхтонкий материал (ПФ) находится в термодинамическом равновесии с "объемом" образца и обладает своей собственной электронной структурой, кристаллической решеткой, а следовательно, и свойствами.
С начала исследований формирования поверхностных фаз на кремнии прошло всего 30 лет, однако в литературе содержится уже более 5000 работ, выполненных в этом направлении. Большинство из них посвящено изучению образования ПФ путем напыления на чистую поверхность Si атомов адсорбата одного типа. Было установлено, что последние ведут себя по разному. Одни пз них становятся сильно связанными с атомами подложки и входят, наравне с атомами кремния, в состав поверхностной фазы кремнпй-адсорбат. Другие оказываются избыточными по отношению к сформированной поверхностной фазой, слабо связаны с подложкой и ведут себя как адатомы на поверхности. Это и определяет характер всех поверхностных процессов при субмонослойных покрытиях адсорбата.
За последние годы удалось определить электронные и кристаллические структуры многих поверхностных фаз, построить большинство фазовых диаграмм для системы "кремний - один адсорбат", определить многие свойства ПФ. По сути дела происходит бурное развитие новой области знаний - двумерного материаловедения. Естественно, что при этом развитие этой науки проходит те же стадии, что и "объемное" материаловедение. I.
Поэтому вполне понятным становится интерес исследователей, возросший в последние годы, к формированию трехкомпонентных ПФ, состоящих из атомов кремния и двух сортов адсорбатов. Такие треххомпонентные ПФ могут возникать при процессах соадсорбдии (т.е. адсорбции двух различных типов атомов). В результате соадсорбции, в зависимости от соотношений энергий связи адсорбат-подложка, адсорбат-адсорбат, на поверхности могут возникнуть двух- или трехкомпонентные поверхностные фазы.
В настоящее время это направление исследований только начало развиваться и процессы соадсорбции многих элементов еще не изучены. К таким неизученным (или малоизученным) системам относятся (In/H)/Si(lll), (In,H)/Si(100), (A1,H)/Si(100) и (A1,H)/Si(110), исследование в настоящей работе.
Выбор объектов исследования обусловлен следующими причинами:
использование водорода в качестве третьего компонента часто приводит к вытеснению атомов металла из ПФ кремний-металл, их агломерации в металлические островки, что в свою очередь открывает возможности формирования нового класса полупроводниковых микроструктур типа "квантовые точки";
экспозиция в водороде кремния с поверхностной фазой на анизотропных поверхностях может привести (при последующем отжиге) к формированию микросруктур типа "квантовая проводка", т.е. к созданию 1-мерного полупроводникового материала;
кроме того, в начале выполнения работы представлялось, что взаимодействие ПФ металлов с атомарным водородом может само по себе служить методом исследований поверхностных фаз металлов на кремнии. Можно сказать, что при процессах соадсорбции атомарный водород сам будет инструментом исследования. До сих пор при исследованиях взаимодействия металла с поверхностью кремния основное внимание уделялось тому, какую структуру образуют атомы адсорбата на поверхности. Процессам, происходящим с атомами подложки должного внимания не уделялось из-за сложности определения реконструкции подложки. В данной работе предполагалось
использовать следующее. При собирании атомов металла из ПФ в островки при комнатной температуре (КТ) массоперенос атомов кремния и изменение реконструкции фактически не происходит, что и дает возможность использовать это обстоятельство для исследования реконструкции поверхности Si при формировании поверхностной фазы металл-кремний. Все вышесказанное и определило основные цели исследования.
Целью диссертационной работы было исследование особенностей взаимодействия ПФ металлов с атомарным водородом на поверхности кремния для систем In/Si(lll), In/Si(100), Al/Si(100), Al/Si(110), а так же исследование структуры ПФ в этих системах. Для этого необходимо было решить следующие основные задачи :
определить устойчивость поверхностных фаз кремний-индий и кремний-алюминий
на кремнии при взаимодействии с атомарным водородом;
получить количественную информации о металлических островках, толщине п доле площади поверхности, занимаемой островками, сформировавшимся в результате агломерации атомов металла из поверхностных фаз;
разработать метод исследования кристаллической структуры ПФ металлов на кремнии с использованием взаимодействия атомарного водорода с ПФ металла.
построить модели строения кристаллической структуры в поверхностных фазах в системах In/Si(lll), In/Si(100), Al/Si(110), Al/Si(100), учитывающие все особенности поведения этих систем.
Научная новизна.
1. Впервые исследованы процессы соадсорбции в следующих системах:
Si(lll)/In, Si(100)/In, Si(110)/Al, Si(100)/Al;
-
Предложен новый метод исследования кристаллических структур ПФ в системе металл-кремний;
-
Получены новые трехкомпонентные фазы Si(lll)-4xl-H(In), Si(100)-lx6-H(Al) HSi(100)-4xl-H(In).
-
Предложены новые модели строения фаз Si(lll)4xl-In, Si(100)-4x3-In и
Si(100)c(4xl2)-Al.
. Практическая денность. Получена новая информация о кристаллических структурах в ПФ Si-Al, Si—In (Si(lll)-4xl-In, Si(100)-4x3-In, Si(100)c(4xl2)-Al).
Разработан метод анализа кремниевой подрешетки в поверхностных фазах путем адсорбции водорода на кремниевую подложку с ПФ Si-Me при комнатной температуре.
Предложен и опробован метод формирования двумерных объектов типа "квантовая проводка" на поверхности кремния.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Атомы In из поверхностных фаз In—Si на Si(lll), Si(100) при взаимодействии с атомарным водородом при комнатной температуре агломерируют в островки на поверхности Si. Отжиг приводит к десорбции водорода и восстановлению ПФ In—Si.
-
Атомы А1 из поверхностных фаз Al-Si на Si(llO), Si(100) при взаимодействии с атомарным водородом агломерируют в металлические островки. Дальнейший отжиг приводит к восстановлению ПФ Si-Al. Существует два этапа восстановления ПФ Al-Si - при температурах ~600С и температурах ~800С.
-
Атомы кремния в поверхностной фазе Si(lll)4xl-In реконструированы с периодичностью 4x1.
-
При взаимодействии с атомарным водородом поверхностной фазы Si(100)4x3-In при комнатной температуре происходит формирование новой поверхностной фазы Si(100)4xl-H(In).
-
Атомы кремния самого верхнего слоя подложки принимают участие в формировании поверхностной фазы Si(100)4x3-In и образуют кристаллическую подрешетку с периодичностью 4x1.
6. Взаимодействие при комнатной температуре атомарного водорода с поверх
ностной фазой Si(100)c(4xl2)-Al приводит к формированию новой ПФ Si(100)6xl-
Н(А1).
7. Поверхностная фаза Si(100)c(4xl2)-Al формируется не только атомами алюминия, но и атомами кремния. Самый верхний слой атомов кремния в этой поверхностной фазе реконструирован с периодичностью 1хб.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 111 страниц, включая 45 рисунков и список литературы из 102 наименований.
