Введение к работе
Актуальность темы. Для оптимизации процесса термооксидирования фосфида индия, одного из самых перспективных полупроводников А В , и устранения негативных последствий механизма собственного оксидирования (обогащения растущей пленки металлическим индием и появления омической проводимости в структуре оксидДпР) целесообразно использование различных хемостимуляторов и их композиций. Существует насколько способов введения хемостимулятора в реакционную среду - через газовую фазу в процессе оксидирования или непосредственно на поверхность полупроводника. В последнем случае используют две группы методов - «жёсткие» (магнетронное распыление, МЛЭ, электровзрыв и т.д.) и «мягкие» (золь-гель процессы, низкотемпературные MOCVD и т.д.). Однако введение хемостимулятора через газовую фазу не позволит, в случае использования композитного хемостимулятора, дифференцировать механизмы транзита и катализа. Методы непосредственного нанесения хемостимулятора также обладают недостатками: «мягкие» - плохой границей раздела пленка-полупроводник (возможно отслоение пленки) и соответственно ограниченной отражающей способностью этой границы, что приводит к обогащению пленок металлическим In и ухудшению их электрофизических характеристик. «Жёсткий» метод электровзрыва не позволяет создать регулярный слой хемостимулятора со стабильной воспроизводимостью. Применение молекулярно- лучевой эпитаксии ограничено дороговизной и максимальной технической сложностью.
Модифицирование поверхности полупроводника хемостимуляторами (и их композициями) методом реактивного магнетронного напыления, разграничение каталитического и транзитного механизмов с использованием преимуществ каждого из них в процессах оксидирования таких гетероструктур - весьма важная задача, решение которой приведет к целевому управлению процессом термооксидирования А В с программированием состава и свойств пленок.
Работа выполнена в рамках НИР «Исследование воздействия активных компонен-тов-хемостимуляторов на кинетику и механизм окисления, структуру и свойства бинарных полупроводников в процессе синтеза функциональных материалов», номер госрегистрации 0120.0602176, выполняемой по аналитической ведомственной программе «Развитие потенциала высшей школы», и государственного задания Министерства образования и науки РФ 3.1673.2011 «Установление механизма хемостимулированного оксидирования и особенностей функциональных свойств тонких оксидных пленок на полупроводниках А3В5», номер Г.Р. 01201263907 от 18.06.2012. Исследование поддержано грантами РФФИ № 03-03-96500-р2003пчр_а, № 06-03-96338-р_центр_а, № 09-03-97552-рцентра, № 10-03-00949-аи№ 13-03-00705-а.
Цель работы - установление механизма воздействия предварительно нанесенных наноразмерных слоев композиций оксидов р и d - элементов V2O5 + РЬО и NiO + РЬО на термическое оксидирование InP и выявление специфики влияния хемостимулятора-катализатора (V2O5) при его совместном нахождении с хемостимулятором-транзитором (РЬО).
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Исследование кинетики термического оксидирования гетероструктур (V205+PbO)/InP и (№0+РЮ)ЛпР с нанесёнными наноразмерными слоями хемостиму-лятора различного состава.
-
Установление влияния природы и состава исходного композитного слоя хемо-стимулятора на состав и свойства сформированных термооксидированием пленок на ГпР.
-
Исследование механизма формирования многокомпонентных пленок при термооксидировании InP с нанесенными нанослоями композиций оксидов/? и й- элементов.
-
Выявление различий в механизмах термического оксидирования изучаемых структур, обусловленных природой d - элемента в нанесенных композициях.
Научная новизна
показано хемостимулирующее воздействие нанесенных слоев композиций оксидов/? и й- металлов на процесс термического оксидирования фосфида индия;
установлен характер взаимодействий, ответственных за формирование пленок сложного состава при оксидировании гетероструктур (V205+PbOyinP и (МО+РЮ)ЛпР;
доказана каталитическая активность V2O5 в составе нанесенного нанослоя композита с транзитором РЬО в процессе термооксидирования поверхности фосфида индия;
впервые обнаружены и интерпретированы положительные нелинейные эффекты совместного хемостимулирующего воздействия напыленных композиций УгОб+РЬО и NiO+PbO в процессе термооксидирования фосфида индия;
установлено улучшение электрофизических характеристик пленок, сформированных термооксидированием гетероструктур (V205+PbOyinP и (МО+РЮ)ЛпР, по сравнению с собственными оксидными пленками на InP.
разработаны схемы процессов термооксидирования гетероструктур на основе InP с нанесенными слоями нанокомпозита оксидов/? и d - металлов.
Практическая значимость.
Полученные результаты комплексного исследования механизма роста пленок на InP, их состава и свойств могут быть применены для оптимизации процессов синтеза нового поколения неорганических материалов. Они позволят увеличить производительность процесса термооксидирования фосфида индия за счет снижения рабочей температуры и увеличения скорости роста функциональных пленок. Будут достигнуты заданный состав сформированных пленок, блокировка диффузии неокисленного индия в них и соответственно улучшение диэлектрических характеристик, что впоследствии позволит гибко управлять составом и свойствами образующихся тонкопленочных гетероструктур в целом и реализует возможность создания новых функциональных устройств на их основе.
Положения, на защиту
1. Механизм воздействия композиции двух транзиторов NiO+PbO на термическое оксидирование InP, проявляющийся в ускорении процесса при сохранении высоких значений ЭЭА, не зависящих от состава композита, и относительно невысокой степени окисленности подложки, сравнимых с собственным оксидированием InP (УМРЭС), ее легировании катионообразователями хемостимуляторов (ОЭС),
расходом исходных оксидов-транзиторов и их отсутствием в сформированной оксидно-фосфатной пленке (ИКС, РФ А).
-
Механизм термического оксидирования InP под воздействием композиции катализатор - транзитор X^Os+PbO, характеризующийся закономерным снижением ЭЭА (примерно на порядок по сравнению с собственным) и возрастанием степени окисленности InP с увеличением содержания V2O5 в исходном слое хемостимулято-ра (УМРЭС), регенерацией катализатора и расходом транзитора (ИКС, РФ А), блокировкой неокисленного индия (спектральная эллипсометрия, ОЭС), улучшением диэлектрических характеристик полученных пленок по сравнению с собственным оксидированием InP и индивидуальным влиянием оксидов композиции.
-
Характер и физико-химическая природа нелинейных эффектов совместного хемостимулирования процесса термического оксидирования InP магнетронно нанесенными нанослоями композиций оксидов NiO+PbO и V205+PbO (ИКС, РФ А, ОЭС, УМРЭС).
Публикации. По материалам работы опубликовано 5 статей (все - в реферируемых российских журналах из Перечня ВАК) и 8 тезисов докладов на научных конференциях.
Апробация работы. Результаты работы доложены на международной конференции «Structural chemistry of partially ordered systems, nanoparticles and nano composites» (Санкт-Петербург, Россия, 2006), III, IV и VI Всероссийских конференциях «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах - ФАГРАН» (Воронеж, Россия, 2006, 2008, 2012); XI Международной конференции по физике и технологии тонких плёнок (МКФТТП-ХІ) (Ивано-Франковск, Украина, 2007); 6 Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)», (Воронеж, Россия, 2007); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008» (Москва, Россия, 2008); X юбилейной международной научной конференции «Химия твёрдого тела: наноматериалы, нанотехнологии», (Ставрополь, Россия, 2010).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и Приложения, изложена на 235 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 105 рисунков и библиографический список, содержащий 180 наименований литературных источников.
Личный вклад автора в диссертационную работу Автором осуществлены эксперименты по магнетронному синтезу наноразмерных слоев оксидов р (РЬО) и й- элементов (NiO, V2O5) и композитов различного состава на поверхности полупроводникового монокристалла (InP); изучены кинетика термооксидирования и состав полученных гете-роструктур методами лазерной и спектральной эллипсометрии, растровой электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, инфракрасной спектроскопии и т. д.; проведена оценка термодинамических параметров реакций, протекающих в изучаемых системах; совместно с научным руководителем обработаны и обобщены полученные данные,
интерпретирован механизм и предложены схемы процессов, протекающих в исследуемых структурах.