CC BY
20
УДК 538.911
Л.В. Бондаренко1, Д.А. Цуканов1'2, Е.А. Борисенко1, Д.В. Грузнев1, А.В. Матецкий1,
А.В. Зотов1'2, А.А. Саранин1'2 1 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН 2 Дальневосточный федеральный университет
Электрическая проводимость системы (Au, In)/Si (111)
С помощью методов дифракции медленных электронов, сканирующей туннельной микроскопии и четырехзондового метода измерения электрической проводимости in situ изучена структура (Au, In)/Si(111). Показано, что напыление порядка 0,7-0,8 монослоя индия при комнатной температуре на реконструированную поверхность Si(111)\/3 х л/3 — (Au, In) приводит к увеличению проводимости образца примерно в 2,5 раза, дальнейшее напыление индия вызывает падение проводимости. При покрытии индия порядка 2,5 монослоя кратковременный отжиг поверхности приводит к формированию новой реконструкции Si(111)2V7 х а/3 — (Au, In), которая ранее не наблюдалась. Исследована проводимость пленок золота на различных реконструкциях индия на поверхности Si(111), показана зависимость изменений проводимости от механизма роста пленки золота.
Ключевые слова: измерения электрического транспорта, сканирующая туннельная микроскопия, кремний, золото, индий, металлические пленки.
I. Введение
Исследование электропроводности поверхностных структур или поверхностных фаз на кремнии представляет большой интерес как с фундаментальной, так и с технологической точки зрения. Это связано с тем, что одним из активно развиваемых сейчас направлений в кремниевой технологии производства полупроводниковых приборов является создание таких новых элементов для микроэлектроники, как двумерный диод, двумерный транзистор. В последнее время сообщается об использовании полупроводниковых наноструктур в качестве элементной базы микро- и наноэлектроники. В связи с этим возникает потребность в соединительных элементах сверхмалой толщины, которые можно было бы формировать на полупроводниковой подложке. Поверхностные фазы на кремнии с этой точки зрения являются наиболее перспективным материалом вследствие таких уникальных свойств, как сверхмалая толщина (порядка размера атома), упорядоченная кристаллическая структура, собственная электронная структура и т.д. [1]. Исследования электропроводности таких материалов началось сравнительно недавно, см., например, [2-5] и охватывает лишь малую часть известных структур на поверхности кремния. Фундаментальной проблемой является выяснение механизмов электропроводности таких материалов. На сегодняшний день известно, что увеличение (или уменьшение) поверхностной проводимости происходит за счет: 1) изгиба зоны в приповерхностной области (слой поверхностного пространственного заряда); 2) наличия зон поверхностных состояний, присущих поверхностным сверхрешеткам; 3) проводящих слоев атомов адсорбата (или тонких пленок), выращенных на поверхности. Если измерять поверхностную проводимость кремния с упорядоченными структурами атомов адсорбата, то она может быть суммой этих трех вкладов. Для того чтобы извлечь только поверхностный вклад измеряемой проводимости, изменение проводимости должно измеряться in situ в сверхвысоком вакууме (СВВ) во время перестройки поверхности в условиях, при которых объемная проводимость не изменяется, например, отсутствует существенная диффузия атомов легирующей примеси или атомов адсорбата в объемную подложку. Только в этом случае изменения проводимости происходят в приповерхностной области.
Одной из наиболее интересных систем с точки зрения исследования проводимости является система (Au, In)/Si(111). Так, например, известно, что реконструкция Si(111)a — л/3 х л/3 — Au (рис. 1а) обладает большим количеством доменных стенок [6], появление которых вызвано напря-
жением решетки поверхности. Однако при напылении на неё порядка 0,5 МС (1 монослой (МС) равен плотности атомов верхнего слоя нереконструированной грани 81(111), то есть 7,8 х 1014 см-2) индия и кратковременном отжиге при 600°С напряжение снимается и доменные стенки «исчезают», формируя «гладкую» реконструкцию поверхности 81(111)\/3 х - (Аи, 1п) [7] (рис. 1б).
Как известно, электрическая проводимость любой системы определяется как
а = ц.пв, (1)
где ^ — подвижность носителей, п — их концентрация и в — заряд электрона. Доменные стенки на поверхности 81(111)а; — л/3 х \/3 — Аи выступают как рассеивающие центры для носителей заряда, понижая их подвижность и, следовательно, общую проводимость. А значит, гладкая поверхность 81(111)^/3 х л/3 — (Аи, 1п) должна обладать существенно большей проводимостью. Кроме того, как было показано в [8], с помощью фотоэлектронной спектроскопии эта структура обладает свойствами идеального двумерного электронного газа, что делает ее и в целом систему (Аи, 1п)/81(111) интересной для изучения структуры и электрических свойств.
Рис. 1. 50 х 40 нм2 СТМ изображения поверхностей: Si(111)a — л/3 х л/3 — Au (а); Si(111^v/3 х v^ — — (Au, In) (б) [7]
II. Эксперимент
Эксперименты по измерению электропроводности выполнены в сверхвысоковакуумной камере «Riber» DEL-300, оснащенной дифракцией медленных электронов (ДМЭ) и приставкой для измерения электрической проводимости четырёхзондовым методом in situ. Структура поверхности исследовалась в сверхвысоковакуумной камере «Omicron» STM VT-XA, оснащенной сканирующей туннельной микроскопией (СТМ) и ДМЭ. В качестве подложек использовались пластины монокристаллического кремния Si(111) n-типа (15 х 5 х 0,45 мм3), легированного фосфором, с удельным сопротивлением 10-25 Ом ■ см. Атомарно-чистую поверхность образца получали дегазацией при температуре 600°C в течение нескольких часов с последующим отжигом при температуре 1250°C. Подготовленная таким образом поверхность образца давала четкую картину ДМЭ 7 х 7, характерную для атомарно-чистой поверхности Si(111).
Напыление золота и индия на поверхность образцов осуществляли испарением из источников, представляющих собой нагреваемые вольфрамовые проволоки, покрытые соответственно золотом и индием. Калибровка скорости напыления источников осуществлялась по фазовым диаграммам для субмонослойных систем Au/Si(111) и In/Si(111) [1]. Скорость напыления в обоих случаях составляла около 1 МС в минуту. Нагрев образцов осуществлялся пропусканием через них переменного и постоянного токов.
Используемые методы контроля поверхности (СТМ и ДМЭ) позволяют говорить об отсутствии диффузии в объем атомов напыляемого вещества и тем самым не учитывать при анализе результатов процессы легирования подложки Si атомами In и Au [9, 10]. Однако все полученные результаты измерения проводимости будут характеризовать систему «металл на поверхности объемного Si». При этом основным рассматриваемым механизмом будет проводимость через тонкие атомные слои на поверхности (или через реконструированную поверхность), изменяющаяся в зависимости от их структуры и толщины, так как вклад в проводимость объема Si достаточно мал
(уровень проводимости чистой поверхности 7 х 7 существенно ниже проводимости исследуемых структур и не меняется после нескольких этапов напыления и отжига при 1250° C [11]).
Измерения электрической проводимости проводились in situ четырехзондовым методом при комнатной температуре (КТ) пропусканием постоянного тока порядка 10 мкА в кристаллографическом направлении подложки < 112 >. Зонды расположены по углам квадрата с межзондовым расстоянием 1 мм. Измерения проводились в нескольких точках на образце с использованием четырех различных способов пропускания тока в каждой точке [12]. Ошибка измерений определялась из усредненного значения проводимости для каждой исследуемой поверхности образца. Вольт-амперные характеристики четырехзондовой головки показывали линейный характер на всем диапазоне используемых токов. Зондовая головка была расположена на отдельном манипуляторе и подводилась к поверхности образца только на время измерений. Результаты измерений регистрировались в единицах проводимости Ом-1.
Покрытие I
Проводимость при напылении 1п 81(111)а - х ^3 - Аи и Поверхностна,я проводимость раз- 31(111)^3 х У3 - (Аи, 1п). Пунктирная ли-реконструкдий на 31(111): 7 х 7, ния — уровень проводимости соответствующий
чистой поверхности 7 х 7
Рис
личных
Si(111)a-л/3 хл/3 - Au, Si(111)V3 х л/3 - (Au, In)
III. Результаты и обсуждения
На рис. 2 представлены результаты изменения электрической проводимости при переходе реконструкции поверхности из а — у/3 хл/3 — Au в у/3 х \/3 — (Au, In) и обратно в результате отжига. Эти результаты находятся в соответствии с данными, полученными в [13]. Увеличение проводимости при этом, вероятно, связано с уменьшением рассеяния носителей заряда на доменных стенках и/или формированием двумерного электронного газа [8]. При этом авторы статьи [8] считают, что двумерный электронный газ формируется в результате двух процессов: снятия напряжения решетки и легирования поверхности электронами атомов индия. В связи с этим представляют интерес исследования влияния покрытий индия более 0,15 МС на электрическую проводимость, результаты которых представлены на рис. 3. Как видно, проводимость увеличивается почти в три раза до тех пор, пока покрытие In не достигает (0,7-0,8) МС, а затем наблюдается уменьшение проводимости. Наблюдение поверхности при помощи СТМ не отображает существенных изменений, кроме образования островков. Рост проводимости, скорее всего, связан с продолжением процесса легирования поверхности электронами при поступлении новых атомов In (увеличением плотности двумерного электронного газа), а падение — с рассеянием носителей на растущих островках [14]. При этом максимальные значения проводимости соответствуют суммарному покрытию In около 1 МС, так как Si(111)\/3 х л/3 — (Au, In) содержит 0,15 МС In [7]. Вероятно, такой нелинейный характер изменения проводимости связан с конкуренцией двух процессов: изменения концентрации электронов в поверхностном слое и их же рассеяния на островках индия при увеличении концентрации адсорбата на поверхности. Так, согласно данным работы [8], исходная поверхность а — \/3 х \/3 — Au содержит 0,1 электрон на элементарную ячейку \/3 х \/3,
а модифицированная индием поверхность л/3 х л/3 — (А и, 1п) — 0,3. Отсюда несложные расчеты показывают, что дополнительное напыление при комнатной температуре порядка 0,8 МС 1п должно увеличивать поверхностную плотность носителей п и согласно (1) проводимость а примерно в 5 раз. Однако при увеличении покрытия индия рассеяние на островках начинает расти и тем самым уменьшает подвижность и рост проводимости замедляется, а затем проводимость начинает снижаться. Для сравнения на рис. 3 приведена также зависимость проводимости от покрытия индия на а — у/3 х \/3 — Аи. Как видно, проводимость почти не меняется, поскольку основная часть добавочного 1п при таких покрытиях, по данным работы [15], собирается в островки на поверхности, но так как поверхность а — \/3 х \/3 — Аи не обладает свойствами двумерного электронного газа, значительного роста проводимости не наблюдается.
4,5 •
4,0-
2,0 ■
Рис. 4. Экспериментальное (а) и теоретическое (б) ДМЭ изображения реконструкции
2ч,7хл/3-(Аи, 1п)
I-
í
л/Зхл/Э-(Аи, 1п)
а-л/Зхл/З-Аи после отжига
Уровень проводимости а-УЗхУЗ-Аи до отжига
20
120
140
81(111)2л/7 х л/3 — (Ли, 1п)
40 60 80 100
Время десорбции, минут
Рис. 5. Изменения проводимости при десорбции 1п
Рис. 6. СТМ изображения поверхности 81(111)2^7 х ^3 — (Ли,1п) а - 300 х 300 нм2; б -30 х 30 нм2
5,04,54,03,5 3,02,52,0 1,5 1,0 0,50,0
2л/7 хл/3-(Аи, 1п)
0,0
0,5
2л/7 хл/з-(Аи, 1п) +л/7хл/з-(Аи,1п)
2,0
2,5
1,0 1,5
Покрытие 1п, МС
Рис. 7. Проводимость при напылении 1п при КТ на 81(111)л/3х\/3—1п и с покрытием Ли — 0,35 МС
Покрытие Аи,
Рис. 8. Зависимость проводимости пленок золота от покрытия на различных реконструкциях 1п на 81(111): х — 1п, 77 х ^3 — 1п, 81(111)^31 х — 1п, 81(111)4 х 1 — 1п
Если увеличить покрытие 1п на 81(111)\/3 х л/3 — (Ли, 1п) до 2,5 МС и прогреть поверхность несколько секунд при температуре 600°С, то формируется новая реконструкция: 2\/7 х у/3 — (Ли, 1п) (рис. 4а, рис. 4б — картины ДМЭ), проводимость которой в зависимости от времени отжига при температуре порядка 500°С изображена на рис. 5. Как видно на этом рисунке, при десорбции 1п поверхность претерпевает обратную последовательность смены реконструкций: 2л/7 х л/3 — (Ли,1п) ^ л/3 х л/3 — (Ли,1п) ^ а — л/3 х л/3 — Ли, что сопровождается соответствующими изменениями проводимости.
Как оказалось, описанный выше способ получения реконструкции 81(111)2^7 х ^3 — (Ли, 1п) не является единственно возможным. Если при комнатной температуре напылить на \Р3 х \/3—1п 0,35 МС Ли, а затем 1,07 МС 1п, то поверхность будет полностью покрыта реконструкцией 2\/7 х л/3 — (Ли, 1п) рис. 6. Известно, что покрытие 1п в л/3 х л/3 — 1п составляет 0,33 МС [16], а значит, стехиометрия новой реконструкции Ли : 1п — 0,35 : 1,4 или Ли1щ, так как отклонение от этого соотношения приводит к уменьшению доли покрытия 2\/7 х л/3 — (Ли, 1п). Изменения проводимости для данного способа получения новой реконструкции отображены на рис. 7. Видно, что проводимость сильно растет при напылении золота, а уровень 2\/7 х \/3 — (Ли, 1п) близок к уровню проводимости л/3 х л/3 — (Ли, 1п). При дальнейшем увеличении покрытия 1п формируется хорошо проводящая реконструкция у/7 х \/3 — (Ли, 1п), как и в случае с напылением 1п на л/3 х л/3 — 1п без этапа с Ли [2].
На рис. 8 представлены результаты измерения электрической проводимости пленок золота на различных реконструкциях индия: л/3 х л/3 — 1п, л/7 х л/3 — 1п, ^3! х ^/3! — 1п, 4 х 1 — 1п. Видно, что проводимость пленки золота на — 1п растет гораздо быстрее, чем на \/эТ х \/эТ — 1п
и на 4 х 1 — 1п. Это связано с различиями в механизме роста пленок. Как показали СТМ — изображения поверхности, золото на \/3 х \/3 — 1п растет послойно уже при покрытиях порядка 1-2 МС, создавая тонкий хорошо проводящий слой. На -/31 х \/3Г — 1п при тех же покрытиях золото растет в основном островками, не формируя сплошного и однородного слоя, что приводит к тому, что проводимость такой системы меньше, чем у пленок золота, которые растут послойно. Возможно, островковый механизм роста имеет место для случая 4х1—1п, где проводимость растет еще медленнее. Проводимость пленки золота, выращенной на -\/7 х \/3 — 1п, в целом соответствует проводимости золота на
л/3х л/э —1п, при этом необходимо учитывать тот факт, что проводимость л/7 хл/3 — 1п больше, чем проводимость л/3 хл/3 — 1п. По-видимому, пленка золота на у/7 х \/3 — 1п растет послойно, так же, как и на л/3 х л/3 — 1п.
В табл. 1 представлены значения проводимости различных реконструкций в системе (Ли, 1п)/81(111). Видно, что наибольшей проводимостью
(4,3 ± 0,2)М0м-1 обладает структура 81(111)^/3 х л/3 — (Ли, 1п), на которую осаждено 0,7 — 0,8 МС 1п (то есть с суммарным покрытием порядка 1 МС 1п).'
Таблица 1
Электрическая проводимость различных реконструкций в системе (Ли, !п)/81(111)
Поверхностная фаза Условия формирования Проводимость, МОм 1
81(111)7 х 7 1 с при 1250°С 0,4 ± 0,2
81(111)а — х — Ли напыление ~ 0,8 МС Ли при 550°С 1,4 ± 0,5
81(111)^3 х — (Ли, 1п) напыление 0,5 МС 1п на а — л/3 х \/3 — Ли и 5 с при 600°С 2,1 ± 0,3
1п/81(111)^3 х ^3 — (Ли, 1п) напыление 0,7-0,8МС 1п на л/3 х \/3 — (Ли, 1п) при КТ 4,3 ± 0,2
81(111)2^7 х ^3 — (Ли, 1п) напыление 0,35 МС Ли и 1,07 МС 1п на ^3 х ^3 — 1п при КТ 2,1 ± 0,3
IV. Выводы
Напыление порядка 0,7-0,8 монослоя индия при комнатной температуре на реконструированную поверхность 81(111)^/3 хл/3 — (Ли, 1п) приводит к увеличению проводимости образца примерно в 2,5 раза, возможно из-за легирования поверхности атомами индия (увеличения плотности двумерного электронного газа), дальнейшее напыление индия вызывает падение проводимости в результате рассеяния носителей на островках из адсорбированных атомов. При покрытии индия порядка 2,5 монослоя кратковременный отжиг поверхности приводит к формированию новой реконструкции 81(111)^^/7 х \/3 — (Ли, 1п), стехиометрический состав которой ЛиТщ. Проводимость
пленок золота на различных реконструкциях индия на поверхности Si (111) сильно зависит от режима их роста: при послойном росте золота проводимость системы существенно выше, чем при островковом.
Литература
1. Lifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V. Surface Phases on Silicon. — John Wiley & Sove Chichester, 1994.
2. Hasegawa S., Tong X., Takeda S., Sato N., Nogano T. Structures and electronic transport on silicon surfaces // Progress in Surface Science. — 1999. — V. 60. — P. 89-257.
3. Ryzhkov S.V., Tsukanov D.A., Gruznev D.V., Lifshits V.G. Study of electrical properties of ultra-thin Na films on Si (100) // Phys. Low-Dim. Struct. — 1998. — V. 07. — P. 109-116.
4. Hasegawa S., Grey F. Electronic transport at semiconductor surfaces from point-contact transistor to micro-four-point probes // Surf. Sci. — 2002. — V. 500. — P. 84-104.
5. Tsoukanov D.A., Ryzhkov S.V., Gruznev D.V., Lifshits V.G. The role of the surface phases in surface conductivity // Appl. Surf. Sci. — 2000. — V. 162-163, N 01. — P. 168-171.
6. Nagao T., Voges C., Pfnuer H., Henzler M., Ino S., Shimokoshi F., Hasegawa S. Diffraction from small antiphase domains: а — л/3 x л/3 — Au, в — л/3 x л/3 — Au, 6 x 6 — Au phases of Au adsorbed Si (111) // Appl. Surf. Sci. — 1998. — V. 130-132. — P. 47-53.
7. Gruznev D.V., Filippov I.N., Olyanich D.A., Chubenko D.N., Kuyanov I.A., Saranin A.A., Zotov A.V., Lifshits V.G. Si(111) — а — л/3 x л/3 — Au phase modified by In adsorption: Stabilization of a homogeneous surface by stress relief // Phys. Rev. B. — 2006. — V. 73, N 11. — P. 115335-7.
8. Kim J.K., Kim K.S., Mc Chesney J.L., Rotenberg E., Hwang H.N., Hwang C.C., Yeom H.W. Two-dimensional electron gas formed on the indium-adsorbed Si(111)\/3 x л/3 — Au surface // Phys. Rev. B. — 2009. — V. 80, N 7. — P. 75312.
9. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности. — М.: Наука, 2006.
10. Лифшиц В.Г., Репинский С.М. Процессы на поверхности твердых тел. — Владивосток: Дальнаука, 2003.
11. Tanikawa T., Yoo K., Matsuda I., Hasegawa S., Hasegawa Y. Nonmetallic transport property of the Si(111)7 x 7 surface // Phys. Rev. B. — 2003. — V. 68, N 11. — P. 113303.
12. Батавин В.В., Концевой Ю.А. Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. — М.: Радио и связь, 1985.
13. Yamazaki S., Matsuda I., Hasegawa S. Increase of surface electrical conduction by In deposition on а — л/3 x л/3 — Au surface // Abstracts of RJSSS-7. — 2006.
14. Luo E.Z., Heun S., Kennedy M., Wollschlager J., Henzler M. Surface roughness and conductivity of thin Ag films // Phys. Rev. B. — 1994. — V. 49. — P. 4858.
15. Takeda S., Tong X., Ino S., Hasegawa S. Structure-dependent electrical conduction through indium atomic layers on the Si (111) surface // Surf. Sci. — 1998. — V. 415, N 3. — P. 264-273.
16. Saranin A.A., Zotov A.V., Lifshits V.G, Ryu J.-T., Kubo O., Tani H., Harada T., Katayama M., Oura K. Analysis of surface structures through determination of their composition using STM: Si(100)4 x 3 — In and Si(111)4 x 1 — In reconstructions // Phys. Rev. B. — 1999. — V. 60, N 20. — P. 14372-14381.
Поступила в редакцию 27.04.2011.
