Введение к работе
Актуальность темы. Важным объектом современной физики полупроводников являются системы пониженной размерности, создаваемые на атомарно-чистых полупроводниковых поверхностях. По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области, все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц, и это открывает перспективы создания принципиально новых переключающих, запоминающих, усиливающих элементов и других устройств для микроэлектроники.
Данная диссертационная работа посвящена исследованию формирования, параметров электронной структуры, оптических и полупроводниковых свойств систем на основе двумерных упорядоченных пленок железа (Fe) и силицида кальция (Ca2Si) на кремнии.
Особенностью подхода к формированию двумерных (2D) пленок силицидов металлов является использование стабильных поверхностных сверхструктур различных металлов на кремнии в качестве барьерных слоев или прекурсоров для создания сплошных пленок моноатомной толщины в условиях сверхвысокого вакуума и использования методов in situ исследования электронной структуры, оптических и электрических свойств.
Целью диссертационной работы является установление механизмов роста и определение свойств слоев железа (Fe) и силицида кальция (Ca2Si) на поверхностной фазе Si(111)-(2x2)-Fe и прекурсоре Mg2Si на Si(111) соответственно, для создания кремний-силицидных полупроводниковых наноструктур.
Обоснование выбора материалов. Выбор материалов для исследований основан на использовании экологически чистых и недорогих материалов (железо, кальций и магний) для создания тонкопленочных полупроводниковых соединений с кремнием с целью определения перспектив их использования.
Основные задачи диссертационной работы:
-
Исследование морфологии и электрических свойств поверхностной фазы (ПФ) Si(111)-(2x2)- Fe.
-
Определение механизма роста и исследование свойств Fe на Si(111)-(2x2)- Fe.
-
Определение механизма замещения атомов Mg атомами Ca в 2D фазе Mg2Si и в полупроводниковой пленке силицида магния.
-
Исследование электронных, электрических и оптических свойств слоев Ca2Si, выращенных на прекурсоре Mg2Si на Si(111).
Научная новизна работы:
-
Определены полупроводниковый тип проводимости, концентрация и подвижность основных носителей (дырок) в поверхностной фазе железа Si(111)-(2x2)-Fe методом in situ температурных Холловских измерений.
-
Установлено, что ПФ (2x2)-Fe на Si(111) с полным покрытием поверхности подложки выступает в роли диффузионного барьера, препятствуя перемешиванию атомов кремния и осаждаемых атомов железа. Слои Fe на такой ПФ растут в виде двумерных островков, повторяя морфологию кремниевой поверхности и сохраняя напряженное состояние кристаллической решетки, что приводит к повышению подвижности дырок в кремнии.
-
Установлено, что при осаждении Ca на прекурсор (2D фаза или тонкая пленка Mg2Si) при температурах (90 - 200 оС) происходит замещение атомов Mg атомами кальция и десорбция магния с поверхности с последующим формированием Ca2Si.
-
Определена оптимальная температура (125 ± 5оС) подложки Si(111) с предварительно сформированным прекурсором (2D фазой Mg2Si), которая необходима для получения сплошной поликристаллической пленки Ca2Si при осаждении атомов кальция.
-
Определена ширина фундаментального перехода (1.02 ± 0.06 эВ) методом измерения эффекта Холла для слоев Ca2Si, выращенных на Mg2Si на Si(111).
-
Установлена область прямых фундаментальных переходов с максимальной интенсивностью (1.68 - 2.8 эВ) и рассчитан прямой межзонный переход с максимальной силой осциллятора (1.68 - 1.81 эВ) в слоях Ca2Si, сформированных на прекурсоре Mg2Si.
Практическая ценность. Формирование и исследование свойств поверхностной фазы Si(111)-(2x2)-Fe связано с определением условий формирования барьерного слоя, препятствующего силицидообразованию в ходе роста железа на Si(111). Использование такого слоя позволит разработать технологию изготовления приборов со спиновой инжекцией на кремнии.
Методики получения сплошных пленок силицида кальция на кремнии с использованием прекурсора 2D фазы Mg2Si и тонкой пленки силицида магния, могут быть использованы в целях разработки фото- и термоэлектрических приборов на кремнии. Предложена технология формирования тройных наногетероструктур Ca2Si/Mg2Si/Si, перспективного материала для формирования полупроводниковых транзисторов.
Основные защищаемые положения:
-
Поверхностная фаза Si(111)-(2x2)-Fe с полным покрытием поверхности подложки обладает полупроводниковой проводимостью с шириной запрещенной зоны (ШЗЗ) 0.99±0.06эВ и является барьером для перемешивания атомов Fe и Si в подложке.
-
Рост сверхтонких слоев Fe на ПФ Si(111)-(2x2)-Fe с полным покрытием происходит по механизму разрастания напряженных двумерных островков, вызывающих напряженное состояние кристаллической решетки Si до толщины слоя Fe = 1.35 нм, способствуя полуторократному увеличению эффективной подвижности дырок в кремниевой подложке.
-
При осаждении Ca на прекурсор Mg2Si (2D фазу Mg2Si или тонкую пленку Mg2Si на Si(111)) замещение атомов Mg атомами Ca и десорбция магния с поверхности в условиях сверхвысокого вакуума происходит, начиная с 125оС, что приводит при толщинах Ca более 1.25 нм к формированию сплошной поликристаллической пленки Ca2Si.
-
Тонкая пленка Ca2Si, выращенная с использованием прекурсора Mg2Si, обладает шириной запрещенной зоны Еg = 1.02 ± 0.06 эВ.
-
Интенсивные прямые межзонные переходы в полупроводниковых пленках Ca2Si, выращенных с использованием прекурсора Mg2Si, наблюдаются в диапазоне энергий фотонов 1.68 – 2.8 эВ, а смещение их низкоэнергетической границы соответствует переходу пленки Ca2Si из напряженного в релаксированное состояние.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на Всероссийской конференции молодых ученых (г. Новосибирск, 2008); XII Межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (г. Владивосток, 2009); VIII Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Благовещенск, 2009); VII Международной конференции и VI Школе молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе (г.Нижний Новгород, 2010); Asia-Pacific Conference “SEMICONDUCTOR SILICIDES” (Tsukuba, Japan, 2010); 9th Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces (Vladivostok, 2010); IX Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Хабаровск, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ.
Личный вклад автора. Автор принимал участие во всех экспериментах, выполненных в ИАПУ ДВО РАН, обработке данных, обсуждении и написании статей и тезисов докладов, подготовил и запустил оборудование в АмГУ и лично выполнил эксперименты.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 136 страниц, включая 49 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 91 наименования.
