CC BY
9Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 1 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 1 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 1 | 2024 год
СОСТАВ И СТРУКТУРА МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ Si /Al(111) И
Si/Cu(111)
Ёркулов Руслан Махаммади угли,
Университет экономики и педагогики, доктор философии по физико-математическим наукам, доцент E-mail: [email protected]
Аннотация. В данной работе приведены результаты экспериментальных исследовании закономерности формирования межфазной границы при напылении Si и Ge на поверхность монокристаллов Al(111) и Cu(111). Установлены оптимальные режимы напыления и отжига для получения систем полупроводник-металл. Определены влияние имплантации ионов бария на состав, морфологию, электронную и кристаллическую структуру системы Si(Ge)/Cu(Al). Показано оптимальная температура создания наногетероструктуры Si-CuSi-Cu. На основе данных ОЭС и ХПЭ впервые установлено, что при напылении Si на поверхность Al и последующего отжига не образуется соединение между атомами Si и Al. Определены параметры энергетических зон CuSi.
Ключевые слова: гетероструктура, нанопленки, нанофазы, монокристалл, потерь энергии электронами, интенсивность, плазменные колебания, фотоэлектроны.
Введение. Использование наноразмерных материалов в создании различных гетероструктур для современных приборов электроники требует получения наиболее полной информации о концентрации примесных атомов на поверхности и их распределении по глубине. Поэтому в настоящее время широко исследуются нанопленки и нанокристаллы силицидов металлов и другие полупроводниковые соединения, полученные различными методами в условиях сверхвысокого вакуума на поверхности Si, а также многослойные системы Si-Me-Si-Me, на основе которых разрабатываются современные приборы микро- и наноэлектроники [1-5].
В частности, нанофазы и нанослои силицидов и германидов металлов имеют перспективы в создании СВЧ-транзисторов и интегральных схем, а гетероструктуры GexSil-x/Si — в создании светодиодов, фотодетекторов, лазерных источников, оптических и электронных приборов [6-13].
В настоящей работе даны результаты экспериментальных исследовании закономерности формирования межфазной границы при напылении Si и Ge на поверхность монокристаллов Л1(1П) и
^(111), установления оптимальных режимов напыления и отжига для получения систем полупроводник-металл, влияние имплантации ионов и адсорбции атомов бария на состав, морфологию, электронную и кристаллическую структуру системы Si(Ge)/Cu(Al). До начало настоящей работы такие исследования не проводились.
В качестве подложки выбраны особо чистые монокристаллические образцы Al(111) и ^(111). Перед напылением Si эти образцы обезгаживались при Т=850 К и 900 К соответственно при вакууме 10-7 Па в течение 3-4 часа. Дальнейшая очистка проводилась травлением поверхность Ar+ с энергией 1 кэВ в сочетании кратковременным отжигом до 950 и 1000 К (Cu). При этом поверхностная концентрация кислорода составляла >1 ат.%, а углерода-0,5 ат.%. Напыление Si с толщиной от 1 до 20 монослоев осуществлялось при вакууме -10-6 Па. Изменение состава и электронной структуры поверхности Al(111) и ^(111) при напылении Si исследовались методами Оже-электронная спектроскопия, Спектроскопия характеристических потерь энергии электронами и Ультрафиолетовая
106
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 1 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 1 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 1 | 2024 год
фотоэлектронная спектроскопия при вакууме - 10-7 Па.
На рис. 1 приведено оже-спектры, полученный при напылении Si на поверхность Al(111) (рис 1, а) и Си(111) (1, б). Толщина пленок 0 в монослоях показано на кривых. Видно, что в случае системы Si/Al(111) адсорбция Si начиная, с 0si=2 монослоя сопровождаются появлением и увеличением интенсивности оже-пика кремния L2зVV (Е=92 эВ) и ослаблением интенсивности оже-пика L23VV Al (Е=68 эВ). С ростом толщина пленки Si положения и форма оже-пиков Si и Al практически не меняются, изменяются только лишь их интенсивности. Начиная с толщины 0si=3-4 монослоя, происходит резкое уменьшение интенсивности пика Л!, что обьясняется формированием сплошной пленки Si. Полное исчезновение оже-пика Л1 наблюдается при 0si > 10 монослоев. Концентрация Si в этой пленке составляю ~35-40 ат.%. Анализ результатов ОЭС показывает, что до 0^=8-10 монослоев происходит интенсивная взаимодиффузия атомов Si в Л1 и Л1 в Si. При этом химическая связь между атомами Л1 и Si не образуется, а образуется механическая смесь типа [A1+Si] с толщиной 14-16 монослоев (35-40 А). При 0 > 12-15 монослоев интенсивность пика SiL2зVV практически не меняется.
Иная картина наблюдалась в оже-спектрах системы Si/Cu(111) (1, б). При 0si =2 монослоев в оже-спектре появляется пикL23VV Si, интенсивность пика Си МVV (Е=61 эВ) уменьшается и немного увеличивается его ширина. Начиная с 0-3-4 монослоев пик Si с Е=92 эВ расшепляется на два пика: 90 и 94 эВ [14], и вместо пика Си с Е=61 эВ появляются пики с энергиями 59 и 63 эВ. А также появляются ряд малоинтенсивные пики. Эти резултаты показывают, что в данном случае образуются химическое соединения Cu+Si [15]. Анализ изменения интенсивностей высокоэнергетических пиков Си (Еьыы=922 эВ) и Si (Еьыы=1620 эВ) и расчеты проведенная с использованием формулы С х аСтабл показали, что при 0-12 монослоев формируются аморфная пленка (рис.1.б) силицида меди с толщиной 0-24-
26 монослоев (60-65 А) с примерным составом CuSi. При толщине 0si > 12-15 монослоев формируется пленка "чистого" кремния. Прогрев системы Si/ Си(111) с 0si - 12 монослоев при Т= 810 К в течение 30-40 мин приводило к формированию поликристаллической пленки (рис.1.б) CuSi с хорошим стехиометрическим составом, а при Т - 900 К формировалась островковая монокристаллическая пленка. В случае 0si > 15-20 монослоев прогрев при Т-750 К приводить к увеличению толщины пленки CuSi на 2-3 монослоев, а поверхностная пленка Si имела структуру близкую к монокристаллической. При увеличении температуры до 900 К происходит изменение морфологии поверхности пленки Si, из-за образования островков в пленке CuSi. Таким образом, оптимальная температура создания наногетероструктуры Si-CuSi-Cu является 750-800 К. В случае пленок Si с 0si > 25-30 монослоев при температуре 900 К формировалось монокристаллическая пленка Si(111), состав структура и свойства, которой не отличается для массивных пленок (рис.1.б). Спектры ХПЭЭ Л1 и Си с пленкой Si толщиной 0si -8 и 0si -20 монослоев соответственно показано на рис 1а и 1б. Спектры получены при Ер=310 эВ.
Рис. 1. Оже-спектры Si напыленные на поверхность Л1(111) (рис 1, а) и Си(111) (рис 1, б). Цифры у кривых толщины пленок Si в монослоях.
107
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 1 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 1 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 1 | 2024 год
Из рис.2 видно, что в спектре чистого Al(111) обнаруживается интенсивные пики с энергиями ДE > 9,2; 13; 18; 23,2 эВ обусловленные возбуждением поверхностных плазмонов Ью* и 2Ью*, объемного Ьюv и гибридного (Ью* + 2Ью*, плазменных колебаний. При напылении Si с 0Si ~2 монослоев интенсивность пиков ХПЭЭ Al уменьшается и появляется широкий пик с ДЕ-12 эВ. Однако, положение пиков ХПЭЭ Al практически не меняются.
При 9& ~4 монослоя интенсивность пиков Al связанные с поверхностными плазменными колебаниями исчезают, а интенсивность пика Ьюv резко уменьшается и уширяется. Уже при 9si ~ 10 монослоев в спектре обнаруживаются основные пики коллективных колебаний валентных электронов Si: 10,6 (Ью*); 16,7 (Ьюv); 21 (2Ью*) и 28,3 эВ (Ью^ + Ью*).
В случае системы Si/Cu(111) в спектре ХПЭЭ чистого Си(111) обнаруживаются пики с ДE=7,2 (Ью*), 9,8 14 эВ (2Ью*) и 17 эВ (Ью* + Ью^). Напыление Si с 9si ~ 2 монослоев приводит к изменению энергетических положений и интенсивности всех пиков Си. Уже при 9~ 8 монослоев обнаруживаются интенсивные пики с ДЕ=8,8 эВ; 13,8; 18 и 21,8 эВ. Расчеты, показали, что эти пики соответствует возбуждению поверхностных, обьемных и гибридных плазменных колебаний силицида CuSi.
Рис. 2. Спектры XПЭЭ: 1-Al(111); 2-Al(111) с пленкой Si с 0=4 монослой; 3-Cu(111); 4-Cu(111)
с пленкой Si с 9=8 монослоев; 5-Си с пленок Si с 9=20 монослой.
По спектрам фотоэлектронов можно определить основных параметров зон, в частности, фотоэлектронную Ф и термоэлектронную работы выхода ф (т.е. положения Еу и Еб), тип проводимости полупроводника и оценить значение квантового выхода. В случае чистого Си(111): Ф=ф= ^-ДЕ~4,4 эВ. Силициды CuSi имеют р-тип проводимости, что не наблюдается смещение положение начало спектра относительно Еб металла; начало спектра в случае "толстой" пленки Si смещается относительно Еб в сторону меньших Есв на ~1 эВ, т.е. Si обладает п-типом проводимости. Ширины запрещенных зон Si и CuSi определили методом спектроскопия упруго отраженных электронов (таблице 1).
Таблица 1. Параметры энергетических зон.
Образиц Ev, эВ Ef, эВ Eg, эВ Y (при hv=10,8 эВ)
Cu 4,4 4,4 0 2-10-5
CuSi 4,2 4,2 0,4 810"5
Si 4,8 3,8 1,1 2-10-4
Аналогичные закономерности
наблюдались, при напылении Ge на поверхности Al(111) и Cu(111). Поэтому результаты исследовании для пленок Ge не приводится. Отметим, что при 0 >20-25 монослоев прогрев при температуры 950 К приводить к формированию пленки Si(111) и Ge(111) с хорошим стехиометрическим составом.
Таким образом, на основе данных ОЭС и ХПЭ впервые установлено, что при напылении Si на поверхность Al и последующего отжига не образуется соединение между атомами Si и Al. В случае системы Cu- Si и Cu-Ge в зависимости от отжига образуется связи типа CuSi, CuGe. Определены параметры энергетических зон CuSi.
108
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 1 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 1 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 1 | 2024 год
Список литературы
1. Landry O., Bougerol C., Renevier H., Daudin B. // Nanotechnology. - 2009. - Т. 20. - №. 41. - С. 415602.
2. Wang D., Zou Z. Q. Formation of manganese silicide nanowires on Si (111) surfaces by the reactive epitaxy method //Nanotechnology. - 2009. - Т. 20. -№. 27. - С. 275607
3. Домашевская Э.П., Терехов В. А., Турищев С.Ю., Коюда Д.А., Румянцева Н.А., Першин Ю.П., Кодратенко В.В., Appathurai N. // ФТТ. - 2013. Т. 55. - №. 3. - С. 577 - 584.
4. Алексеев А.А., Олянич Д.А., Утас Т.В., Котляр В.Г., Зотов А.В., Саранин А.А. // ЖТФ. -2015. - Т.85. - №.10. - С.94-100.
5. В.М. Ротштейн, Р.Х. Ашуров, Т.К. Турдалиев, И.Х. Ашуров // Uzbek Journal of Physics. - 2017. - №4. - С.12.
6. Masini G., Colace L., Assanto G. Assanto G. Si based optoelectronics for communications //Materials Science and Engineering: B. - 2002. - Т. 89. - №. 1-3. - С. 2-9.
7. Pavesi L. Will silicon be the photonic material of the third millenium? //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2003. - Т. 15. - №. 26. - С. R1169.
8. Krasil'nik Z. F., Novikov A. V. E. Optical properties of strained Si1-xGex and Si1-x-yGexCy heterostructures //Physics-Uspekhi. - 2000. - Т. 43. -№. 3. - С. 295.
9. Дружинин А. А., Островский И. П., Ховерко Ю. Н., Ничкало С. И., Корецкий Р. Н. Нанокристаллы Si1-xGex в роли чувствительных элементов сенсора магнитного поля и температуры //Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2012. №. 5. - С. 19.
10. Неизвестный И. Г. МДП-ТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ Ge-ПУТЬ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ КМОП-ТЕХНОЛОГИИ //Автометрия. - 2016. - Т. 52. - №. 5. - С. 5-13.
11. Bolkhovityanov Y. B., Deryabin A. S., Gutakovskii A. K., Sokolov L. V. Unzipping and
movement of Lomer-type edge dislocations in Ge/GeSi/Si (0 0 1) heterostructures //Journal of Crystal Growth. - 2018. - Т. 483. - С. 265-268.
12. Saito S., Al-Attili A. Z., Oda K., Ishikawa Y. Towards monolithic integration of germanium light sources on silicon chips //Semiconductor Science and Technology. - 2016. - Т. 31. - №. 4. - С. 043002.
13. Liu J., Kimerling L. C., Michel J. Monolithic Ge-on-Si lasers for large-scale electronic-photonic integration //Semiconductor Science and Technology. - 2012. - Т. 27. - №. 9. - С. 094006.
14. Умирзаков Б.Е. Диссертация на соиск. уч. степ. д.ф.-м.н. Электронно-спектроскопические исследования и анализ состояния поверхности многокомпонентных систем, созданных ионной имплантацией. - 1993. - С 293.
15. Исаханов З.А., Ёркулов Р.М., Туляганова Ш.А. Изучение свойства наноразмерных структур, созданных на поверхности свободной пленочной системы Si/Cu //Лазерные, плазменные исследования и технологии-ЛАПЛАЗ-2020. - 2020. - С. 204-205.
109
