СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..................................................................4
ГЛАВА 1. МЕХАНИЗМЫ ПРОВОДИМОСТИ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛИЦИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ................................................................10
1.1 Транспортные свойства и механи змы проводимости в силицидах переходных металлов. 11
1.2. Электрические и фотоэлектрические свойства полупроводниковых силицидов переходных металлов. 17
1.3. Гетероструктуры кремний - силицид переходного металла 23
1.4 Выводы. 25
ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ.......................26
2.1. Методы исследования. 26
2.1.1. Электронная оже - спектроскопия. 26
2.1.2. Дифракция медленных электронов. 27
2.1.3. Спектральные измерения фотоэффектов. 29
2.1.4. Измерения электрических параметров полупроводников и гетерострукгур.
3»
2.2. Экспериментальная аппаратура. 31
2.2.1 Сверхвысоковакуумная установка "УАК1А№' 32
2.2.2. Сверхвысоковакуумная установка с автоматизированной приставкой для холловских измерений. 34
2.2.3. Установка для регистрации спектральных зависимостей фотоэффектов в полупроводниках на базе монохроматора МДР-3. 37
2.3. Методики и схемы экспериментов. 39
2.3.1 Методики приготовлении образцов и источников. 39
2.3.2 Схемы ростовых, электрических и фотоэлектрических экспериментов. 40
2.3.3 Методика расчета параметров полупроводниковых пленок с учетом шунтирования. 42
ГЛАВА 3. ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК СИЛИЦИДОВ ХРОМА И ЖЕЛЕЗА НА Sl(111)...........................................46
3.1. Влияние удельного сопротивления кремниевой подложки на шунтирование параметров пленки полупроводникового силицида. 46
3.2. Рост и структу ра эпитаксиальных пленок CrSi2 и p*FeSi2 на Si(l 11). 49
3.3. Транспортные свойства тонких эпитаксиальных пленок CrSi2 на SiC111). 54
3.4 Формирование и транспортные свойства сверхтонких эпитаксиальных пленок моносилицида хрома на Si(lll). 63
3.5 Формирование и транспортные свойства сверхтонких пленок моносилицила железа на Si( Ш). 71
3.6. Выводы 74
ГЛАВА 4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК И ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИЛИЦИДОВ ХРОМА И ЖЕЛЕЗА НА КРЕМНИИ.......................................................................75
4.1. Собственная фотопроводимость в тонких эпитаксиальных пленках дисилипида хрома на Si(lll) 76
4.2. Фотоэлектрические, вольтамперные и вольтфарадные характеристики гетерострукту р CrSii/SKl 11) 82
4.3. Фотоэлектрические, вольтамперные и вольтфарадные характеристики гетеростру ктур p-FeSi2/Si(lll) 99
4.4 Выводы 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................119
3
Введение.
Развитие физики твердою тела и физики полупроводников в последние 10-15 лет привело к созданию нового направления науки - наноэлектроники. Основными задачами наноэлектроники являются создание материалов с пониженной размерностью (двумерных, одномерных, нульмерных), исследование их электрических, фотоэлектрических и оптических свойств, а также разработка новых видов полупроводниковых приборов на их основе. Кремний является базовым материалом в технологии современных интегральных микросхем, но активные элементы интегральных микросхем, выполненные по субмикронной технологии, приближаются к физическому пределу по своим электрическим параметрам. Создание элементов кремниевой гетероэлектроники на базе силицидов металлов (транзисторы с проницаемой базой, гетерострукгурные биполярные транзисторы) может расширить указанные пределы.
Известно, что дисилициды хрома (CrSi2> и железа (P-FeSi2> являются узкозонными полупроводниками перспективными в создании фото детекторов, чувствительных в инфракрасной области спектра. Применение силицидов хрома и железа в качестве новых материалов зависит от успехов гетероэпитаксиального роста на кремнии и изученности их транспортных и оптических свойств в виде тонких и сверхтонких пленок на кремнии. Известно, что эпитаксиальные пленки дисилицида хрома растут на Si(lll) в двух ориентациях CrSio А- и В-типа. При этом эпитаксиальные CrSi2 A-типа пленки толщиной от 10 до 100 нм имеют напряженную структуру из-за малого (0.1%) несоответствия кристаллических решеток Si(lll) и CrSi2(0001), а эпитаксиальные пленки CrSi2 В-типа толщиной более 5 нм имеют упорядоченную сетку дислокаций из-за большого несоответствия (около 17%) параметров кристаллических решеток. Эпитаксиальные пленки (P-FcSb) также имеют несоответствие с решеткой Si(lll) порядка 6%. что усложняет рост толстых эпитаксиальных пленок. Однако задачи эпитаксиального роста тонких (10-НЮ нм) эпитаксиальных пленок данных дисилицидов на Si(lll) решены в значительной степени за счет технологии создания затравочных слоев в условиях сверхвысокого вакуума и их дальнейшего доращивания методами молекулярно-лучевой и твердофазной эпитаксии. Данная технология обеспечивает возможность получения эпитаксиальных пленок хорошего кристаллического качества. Однако, транспортные свойства тонких эпитаксиальных пленок дисилицидов хрома и железа были изучены недостаточно подробно. Кроме того, не было изучено влияние ориентации пленок
4
дисилицидов хрома на их электрические и фотоэлектрические свойства. Несомненный интерес для развития кремниевой гетероэлектроники представляют пленки моносилицидов хрома и железа, поскольку они обладают металлическими свойствами и могут расти эпитаксиально на кремнии. Тем не менее, рост сверхтонких (5-10 нм) пленок моносилицидов хрома и железа на $і( 111) и исследования их транспортных свойств в процессе роста ранее не проводились. Остается также неисследованной область спектральной чувствительности эпитаксиальных пленок дисилицида хрома, а также приборные свойства гстероструктур на основе кремния и эпитаксиальных пленок
дисилицидов хрома и железа на подложках с разным типом проводимости в видимой и инфракрасной областях спектра.
Таким образом, основными задачами настоящей работы являлись:
1. Исследование механизмов проводимости в тонких эпитаксиальных пленках
дисилицида хрома на 8і(111) в зависимости от условий роста и толщины пленки.
2. Исследование транспортных свойств сверхтонких эпитаксиальных пленок
моносилицидов хрома и железа на 8і(111) в процессе их роста в условиях сверхвысокого вакуума.
3. Исследование спектральной фоточувствительности гетероструктур Сг8І2/8і(111) и [3-Ге8І2/8і(111) в зависимости от толщины пленок силицидов и типа проводимости подложки и построение зонных энергетических диаграмм гетероструктур.
4. Разработка и изготовление вакууммированной приставки для низкотемпературных спектральных измерений фотоэдс (фотопроводимости) и автоматизированной системы сбора и обработки фотоспектральных данных на базе монохроматора МДР-3.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
В первой главе приводится обзор литературы по транспортным, оптическим и фотоэлектрическим свойствам силицидов хрома, железа и марганца на кремнии. Рассмотрены основные результаты по эпитаксиальному росту силицидов хрома и железа на кремнии, прослеживается связь структурных свойств эпитаксиальной пленки с ее электрофизическими и фотоэлектрическими свойствами. Приведены существующие на данный момент экспериментальные и теоретические результаты, касающиеся транспортных свойств силицидов переходных металлов. Рассмотрены основные факторы, влияющие на подвижность и концентрацию носителей, приведены данные по измерению холловской подвижности, удельной проводимости для различных структур на основе
5
переходных металлов. Проведен сравнительный анализ ширины запрещенной зоны силицидов Cr, Fe и Мп, полученной экспериментально и теоретически. Показано, *гго достоверность полученных результатов очень сильно зависит от методов получения тонкопленочных структур и их структурного совершенства. Также уделено внимание гетероструктурам кремний-силицид переходного металла. В частности рассмотрены особенности формирования гетероструктур, их электрические и фотоэлектрические свойства.
Вторая глава содержит краткое описание использованных в исследованиях методов, аппаратуры, методик приготовления образцов и расчетов.
Описаны основные методы, которые использовались при проведении экспериментов: электронная Оже спектроскопия (ЭОС), дифракция медленных электронов (ДМЭ), метод спектральных измерений фотоэлектрических параметров полупроводниковых структур, измерение электрических параметров гетероструктур и дискретных меза - диодов. Также кратко описана экспериментальная аппаратура, представлены две сверхвысоковакуумные камеры, в которых производился рост и анализ образцов. Первая из них СВВ установка “VARIAN” оснашена двухпролетным оже-анализатором, манипулятором с тремя степенями свободы, держателем карусельного типа па три образца, оптическим вводом, блоком источников на три источника (Fe, Cr, Si), кварцевым датчиком толщины, ионной пушкой и рентгеновской пушкой. Вторая установка представляет собой СВВ камеру, оснащенную приставкой для in situ холловских измерений, анализатором ДМЭ, держателем образца, блоком источником на два испарителя и кварцевым датчиком толщины. Описана автоматизированная установка для регистрации спектральных зависимостей фотоэффектов и приводится блок-схема установки.
В конце второй главы кратко описаны методики роста тонких пленок силицидов методом затравочного слоя в условиях сверхвысокого вакуума, даны схемы экспериментов, описывается методика приготовления дискретных меза-диодов для электрических и фотоэлектрических измерений. Приводится методика расчета параметров полупроводниковых пленок с учетом шун тирования подложкой.
Третья глава посвящена исследоваЕшям транспортных свойств эпитаксиальных пленок моносилицидов и дисилицидов хрома и железа на Si(lll). В начале главы рассмотрено влияние удельного сопротивления кремниевой подложки на параметры пленки полупроводникового силицида. Рассмотрены особенности формирования эпитаксиальных пленок CrSb и p-FeSij на Si( 111), определены оптимальные условия роста затравочных островков для роста сплошных эпитаксиальных пленок силицидов.
6
Представлены результаты исследования транспортных свойств и механизмов рассеяния носителей в эпитаксиальных пленках дисилицида хрома. Рассмотрены особенности формирования и транспортные свойства тонких пленок моносилицидов хрома и железа на кремнии.
В четвертой главе исследованы спектральные зависимости фотопроводимости в тонких эпитаксиальных пленках дисилицида хрома на кремнии, а также фотоэлектрические свойства, вольтаммерные и вольтфарадные характеристики гетероструктур на основе силицидов хрома и железа на кремнии. Проведены спектральные исследования собственной фотопроводимости в эпитаксиальных пленках Сг812 с толщинами 100-1100 нм при комнатной температуре и охлаждении в диапазоне энергий фотонов 1.0 - 1.6 эВ.
Исследовано формирование сигнала фотовыхода в гетероструктурах Сг812/81, р-Ре8Ь/81 и выращенных на подложках р- и п -типа проводимости со встроенным и без встроенного р-п перехода. Установлено, что максимальный фотовыход имеют гетероструктуры Сг8Ь-р/8ы1 с толстыми эпитаксиальными пленками дисилицида хрома, для которых сформирован р-п гетеропереход, а фотоэдс генерируется в СгёР и 8ь
Показано, что максимальной фотоспектрапьной чувствительностью обладает гетероструктура р-Ре812-р/81( 111)-п с толстой пленкой дисилицида железа, в которой р-п гетеропереход осуществляет разделение носителей, генерированных в Ре8Ь и Эи в диапазоне энергий 0.7-3.1 эВ. Построены зонные диаграммы для гетероструктур.
В заключении изложены основные результаты работы.
На защиту выносятся следующие положення:
1. В эпитаксиальных пленках Сг812, выращенных на высокоомных кремниевых подложках, обнаружено, что улучшение кристаллического качества приводит к значительным изменениям в законе рассеяния основных носителей (дырок) и резкому увеличению их подвижности.
2. Проводимость и оптическое поглощение двумерных эпитаксиальных пленок моносилицидов хрома и железа на 81(111) определяются типом их двумерной энергетической зоны и имеют полуметаллический характер.
3. В тонких эпитаксиальных пленках Сг812 на 81(111) наблюдается фотопроводимость в диапазоне энергий 0.5 - 1.5 эВ, которая определяется первыми межзонными переходами, начиная с фундаментальною.
7
4. Величина и знак фотоэдс в гетероструктурах CrSi>/Si( 111) и (3-FeSi2/Si(l 11) определяются зонной энергетической структурой гетероперехода, наличием встроенного р-n перехода и плотностью состояний на границе раздела силицид-кремний.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В
СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:
1. Галкин И.Г., Конченко Л.В., Маслов А.М. Собственная фотопроводимость в тонких эпитаксиальных пленках дисилицида хрома // Физика и техника полупроводников. 1997. - т. 31. - № 8. - С. 969-972.
2. N.G. Galkin, Л.М. Maslov, Л. V. Konchenko Optical and photospcctral properties ol'CrSi:
A-typc epitaxial films on Si( 111)// Thin Solid Films. 1997. - V. 311. - P.230-238.
3. N.G. Galkin, A.M. Maslov, A.V. Konchenko, A.5’. Gouralnik, S.V. Vavanova, V.A. Ivanov
New properties of CrSi2 A-typc epitaxial films grown on Si( 111) by template technique
at ultrahigh vacuum // IV Int. Sympos. on Atomically controlled surfaces and interfaces, 27-30 Oct. 1997, Japan, Tokyo, Abstracts, P. 105.
4. Галкин Н.Г., Маслов Л.М., Конченко А.В., Каверина И.Г., Гуральпик А.С Оптические функции эпитаксиальных пленок дисилицида хрома в диапазоне энергий 0.087-6.2 эВ: расчет по данным оптической спектроскопии // Оптика и спектроскопия. 1998. -Т.84. - № 4. - С. 658-663.
5. N.G. Galkin, A.V. Konchenko, V.A. Ivanov Photoelectrical effects in the CrSi2 epitaxial
films and CrSi2-p/Si-p/Si-n hcterostructurcs // 2fKl World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Abstracts, Vienna, Austria, 6-10 July 1998. P.
159.
6. N.G. Galkin, D.L. Goroshko, A.V. Konchenko, V.A. Ivanov, A.S. Gouralnik In situ Hall
measurements of macroscopic electrical propert ies of chromium-covered Si( 111) surfaces// Surface Review and Letters. 1999. - V. 6. - № I. - P.7-12.
7. Галкин Н.Г., Иванов В.А., Конченко А.В., Го/юшко Д.Л. Установка для автоматизированных холловских измерений параметров двумерных материалов в условиях сверхвысоког о вакуума // Приборы и техника эксперимента. 1999. - №2. -С. 153-158.
8. N.G. Galkin, А.М.Maslov, D.LGoroshko, A.V.Konchenko, S.V.Vavanova Optical properties and electronic structure of thin epitaxial FcSi and p-FcSii layers on Si( 111) //
5th Intern Confer, on Atomically Controlled surfaces, interfaces and nanostructures, Abstracts, Aix cn Provence, France, July 6-9, 1999. P.35.
9. N. G. Galkin, A.V. Konchenko, Maslov A.V., Polyarnyi V.A. Photoelectrical properties of
CrSi2-p/Si-p/Si(l 11 )-n and p-FeSii-p/Si-p/Sifl I l)-n heterostructures //Third International Student's Congress of Asia-Pacific Region Countries, Proceedings, Part II. Vladivostok. Russia, October 26-29. 1999. P.294-295.
8
10. N.G. Galkin, D.L. Goroshko, A.V. Konchenko, V.A. Ivanov, S.Ts. Krivoshc/uipov, E.S. 'Zakharova In situ Hall measurements of Fe and Cr submonolayers on Si( 111) of n- and p-type of conductivity// Surface Review and Letters. 2000. - V. 7. - A*« 3.- P.257-265.
11. N.G. Galkin, A.V. Konchenko, S.V. Vcivanova, V.O. Polyamyi Discrete devices on the basis of CrSij/SiO 11) and P-FcSi:/Si(l 11) heterostructures grown on n-typc and p-type substrates //The 4n Intern. Conference on Thin Film Physics and Applications,
Abstracts, Shanghai, China, May 8-11, 2000. P. 198.
12. N.G.Galkin. A.V.Konchenko, D.LGoroshko, A.M.Maslov, S.V.Vavanova, S.I.Kosikov Electronic structure, conductivity and carrier mobility in very thin epitaxial CrSi( 111) layers with Si(l 1 l)-V3xV3/30° LEED pattern // Applied Surface Science. 2000. - V. 166. -N 1-4. - P. 113-118.
13. N.G.Galkin, V.O. Polyamyi, A. V. Konchenko Photoelectric properties of Si(1I l)/p-FeSi2 heterostructures on n- and p-type silicon substrates// Proceedings of First Asia-Pacific Conf. "Fundam. Problems of opto- and micro-electronics", 11-15 Septem. 2000, Vladivostok, Russia. P. 299-306.
14. Galkin N.G., Konchenko A.V., Vavanova S.V., Maslov A.M. and Talanov A.O. Transport, optical and thermoelectrical properties of Cr and Fe disilicides and their alloys on
Si(l 11).// Applied Surface Science. 2001. - V. 175-176. - N3. - P. 299-305.
15. Галкин II.Г., Копченка A.Л. и Полярный В.О. Фотоэлектрические свойства гетероструктур Si( 111 )/p-FeSi: в области энергий 0.65-3.1 эВ И Известия вузов. Электроника. 2001. - № 4. - С. 70-77.
9
Глава 1. Механизмы проводимости н фотоэлектрические свойства силицидов переходных металлов и гетероструктур на их основе.
К настоящему моменту известно и исследовано достаточно большое количество силицидов. Большинство силицидов обладают металлическими свойствами и имеют достаточно маленькие удельные сопротивления. Поэтому, с точки зрения создания систем металлизации и омических контактов представляют интерес силициды с наименьшим удельным сопротивлением [1,2, 3]. М181з |4, 5, 6], СоБЬ [7, 8), МЬБЬ [9, 10], \VSi2 [9, 11]. [9, 12], Та812 [9, 12], У$Ь [13]. Силициды переходных металлов, обладающие
полупроводниковыми свойствами (СгБ!: [14,15], Бе512 [10.16], \1nSii.75 19, 17)) являются очень перспективными материалами для создания фотодетекторов и оптоэлектронных межсоединений. Структура объемных силицидов переходных металлов (Мп, Ие, Сг) имеет большое количество дефектов и, вследствие этого, объемные силициды являются вырожденными полупроводниками с высокой концентрацией носителей и их малой подвижностью. Благодаря разработанной технологии эпитаксиального наращивания, удается снять вырождение, повысить подвижность носителей. Существует возможность проводить повторное эпитаксиальное наращивание кремния, что открывает хорошие перспективы использования гетероструктур на основе силицидов переходных металлов для создания активных элементов трехмерных интегральных схем (транзисторы с проницаемой [18.19] или металлической [20.21] базами).
В представленном обзоре основное внимание уделено существующим к данному моменту- данным по транспортным и фотоэлектрическим свойствам силицидов марганца, хрома и железа на .81(111). Рассмотрены основные факторы, влияющие на подвижность и концентрацию носителей. Приведены данные по измерению холловской подвижности, удельной проводимости для различных структур на основе переходных металлов. Представлены данные фотоэлектрических измерений, рассмотрены особенности формирования гетеропереходов и барьеров ГИоггки в системе эпитаксиальная пленка -кремний.
10
- Київ+380960830922