Атомная структура и электронное строение нанометровых систем на основе кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Заводинский, Виктор Григорьевич
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Владивосток
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1997
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
Заподллсхпп Виктор Григорьевич
На иравах рукописи
РГБ ОД
2 7 ЯН8 1397
АТОМНАЯ СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ МАНОМЕТРОВЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
01.04.07 — фпэпха тпер^г.го тела
АВТОРЕФЕРАТ
дкпсортпцгт тга сопсгсзпк« учено:* степепз доктора фкя^жо-мзтематгпгескпх изук
Владпзосток — 1997
Работа выполнена в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН
Официальные оппоненты
Ведущая организация ■
доктор физико-математических наук, профессор Е. Ф. Шека; доктор физико-математических наук, профессор В. В. Кораблев; доктор физико-математических наук, профессор В. В. Юдин
Физико-Технический Институт
им. А. Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург)
Защита состоится
_" февраля 1997 года
•¿к.
. часов на
заседании диссертационного совета Д 064.58.03 по защите диссертаций ка соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Дальневосточном государственном университете (ДВГУ) по адресу 690600, г. Владивосток, ул. Суханова, 8
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного университета
Автореферат разослан " Ж. "^ре^йД^ -1996 г.
Ученый секретарь специализированного совета к. ф.-м. н.
И. В. Сопла
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Технология производства совре?денных компьютеров и других средств обработки информации базируется на достижениях микроэлектроники, которая, а стою очередь, зктизьа использует результаты ноэей-шцх фундамгнталькых ксслздоззнкй в области физики твердого тела. Одним ¡?з главных путей прогресса з это?« направлении является пс-сдздсеательнгя миниатюризация, котсрая-уяи» привала к активному ис-польэозэшш тсердотельных прибор«»», размеры которых измеряются ие мккренэмя, з нагюяетрзк*«,' э результате чего возникла непгя ветйь •зихроглгктроиигш — нэнозягхтроияка.
Эксигршентаяькм ч иссягдззгния » с.власти нанеэяектроники з из-стоящй« время {¡зпрэвяаяы, а осиозком, са получение тея или иных «з-нсснстея и на кселадоганяе их зй€Ктрофя$нчеа«*х сэсмстз. Детальное изучгинз глгктрсннзЗ струхтурн таких систга затруднено из-за их крайне «эйькг рззкгрбз. К тому же, звектронкэа строекиз систем, состоящих из малого числа гтс?£вз гракн^ чугствительиэ к расположению-атоноз и к изя:',ч;«о лрпиеесЯ.* Поэтому здесь важную роль должны сыграть теерзтичэсккэ работы, н п перзу» сч*редь, квгштево-неханмчеешэ рзечсты и з пгрзых лркнцкгек», дающча прямую информацию сб 8дгхтром!5с8 структуре о зйаисийостй от структуры ставкой. Только при комплексном нспояьзэззики эшспарииснтгльпых я теоретических йсслздс53!К*,Я возможен реальный успех в создании наморазмер-ных приборов с зздаинмк.ч'хзрзктврюттаи«.
Оскозиыи «атер1?зл«м в дакной диссертации выбргн кргмннн. Это обусловлено как тем, что кремин«} до сах пор является бззегмм иатэ-р*.одоп массовой гшкрозлгчтроникн, так и теы, что электронные при-борм, испэльзуюепге нги^экзтрогые сксгеиы на ©«гога кремчйя, по многий сеоим зшггрич<1си<ш х.чргктерисп'хэ»! составляют достойную кон-
куренцию боязе дорогим структурам на основе полупроводников типа АшВу- В частности, в последние годы накоплены интересные данные по формированию на кремнии различных поверхностных фаз, по созданию в кремнии сверхрезких границ между легированными областями, по эпитаксиальному выращиванию.кремниевых сверхрешеток с манометровыми периодами и т.п. Многие из этих объектов обладают уникальными электрофизическими свойствами и нуждаются е тщательном и всестороннем изучении. С другой стороны, закономерности строения электронной структуры различных полупроводников имеют много общего, поэтому результаты, полученные для кремния, могут оказаться полезными при изучении аналогичных систем, созданных с использованием более сложных полупроводников.
Цель работы
Гламая цель данной работы -г исследовать особенности формирования атомной и электронной структуры различных наносистем на основе кремния, имеющих практический интерес для технологии. Исходя из этого были поставлены следующие задачи:
1. Изучить процесс эпитаксиальной кристаллизации тонких кремниевых слоев на подложках различной ориентации, в том числе при наличии электрически активных примесей;
2. Изучать локальную электронную структуру кремния вблизи примесей; выявить возможность формирования в кремнии нанометровых р~п- переходов;
3. Изучить особенности образования различных поверхностных фаз и механизм соответствующих фазовых переходов;
4. Изучить особенности электронной структуры моиослойных и суб-монослойных покрытий на кремнии;
5. Изучить особенности электронной структуры контакта металла и наноразмерных частиц кремния (в том числе при наличии примесей);
6. Изучить усто."ч!;пость границы раздела "металл/кремний" и получить данные об электронной структуре приграничной области нано-сисиетем "силицид метзлла-кремний" ;
7. Изучить сссбаниости туннельного и термоэмиссионного токспе-ргноса в наноснстемэх;
8. Изучить злактронную структуру нанометрогых систем "кремнии/оксид кремния" и "кремний/оксид кремния/металл";
9. Изучить особенности элзктрокной структуры квантовых проволок на основа кремния.
Научная новизна
Научная новизна данной работы заключается а тон, что в ней впервые проведено комплексное теоретичгское исследование взаимосвязи атомной структуры и электронного строения широкого класса нанэме-тровых спетой на осноео краткий, включая двумерные и одномерный объекты. При ь гог* изучены кз;< процессы формкроБания таких систем, так и их элзктроф» ягоескжвсвойства (туннельный и термозшгссионмыЯ токи). В частности, покгззно, что:
- скорость эпмтаксизлького упорядочения в тонких слоях аморфного крашшя, нанесенного на монзирнсталг.ччсскуга подложку, определяется вероятность!» образованна двуиерчых зародышей на грзнцце раздала и зависят от яаякчия прамесей;
- кинетика фаэоцых переходов з субиопослэйпых покрытиях на кремнии описыва-зтся е рамках кодмфкцирееаннэй модели среднего поля;
- в тонких планках (¡г поверхности твердого тела генерируются только объемные плазноны;
- запрещенная зона 8 спектре электронных состояний манометровых креикиазых систем увеличена примерно вдзое по сравнению с объемным кремнием;
- донернне и акцепторные состояния, с бракующиеся при яггирова-
нин кремниевых нанрразкерпых сити электрически активными при-Мйсяыи, как правило, отстоят от уроьня Ферми на расстояния, значительно большие, чем в объемном кремнии;
- при односреиеннои легировании кремниевых ниноразмгрных систем донорныыи и акцепторными примесями возможно создание выпрямляющих манометровых р-п-пграодов;
- при контакте металла с кзноаетроаьши частицами кремния возникает барьер Шоттки, ширине которого определяется расстояние« между границей раздела и атоиаш) осмэиной приысск, а высота может регулироваться введение» приграничной принеси; высота барьера Шоттки зависит такие от размеров нанос^стемы и ее атомной структуры;
- возможно создание игиэразмерных полевых транзкетороз с использованием частиц диоксида кремни» манометровых размеров;
- КЕантоаые преголох», форшруюздихсз на крзинки при нгнессчан на него некоторых мотгяяов {в частности, алюшшиа к золота) могут обладать как иег&ллггесскод, так к ролупрсвэднигчозьш характерец электронной структуры, в зависимости от атомной структуры н типа атомов;
- электронные состояния сЗяизн уров:«я Ф&рин е кремниевых нгно-истровых системах сеязакы с нгустсйч^еостыо этих систем; \
- масштабы локализации различных электродных состояний в кремниевых наногчетемзх эзелсйт от размера, состсга и атомной структуры наносистем и, как правило, не превышают один нанометр.
Практическая ценность
Хотя работа носит фундаментальный характер, ее результаты имеют непосредственное отношение к практике. Описанные о ней исследование направлены на изучение возможности создания манометровых твердотельных приборов на основе кремния, и их результаты бу-
дут полезны именно в этой отрасли микроэлектроники. В частности, исследование механизма твердофазной зпитзксии кремния позволило разнить новый метод оырзщисання ыонокрнсталлических слоев кремния, нэ который получено авторское свидетельство. На основе квэнтозо-ггхгничгских расчетов из первых принципов покарана возможность создания манометровых р-п-пергходов, выпрямляющих контактов " металя-креиний", полевых транзисторов, кегнтовых проволок и других манометровых элементов интегральных схем. Вынесенный в Приложение раздел, касающийся особенностей изучения поверхности твердых тел с помощью' сканирующей тунизлъной микроскоп«1.?, представляет практический интерес для йссяэдоеатеягй, работающих п эт о!* области.
Апробация работы
Результаты, положенные в основу диссертации, спуСлмколль'п в ЕО печатных работах, основные из которых перечислены в конце автореферата.
Результаты работы доклады па лксь на б Международной конференции по росту крястзялсз, Москва, 1980; 1 Всесоюзной конференция по физике и технологии тонких пленок, Иэзно-Франксзек, 1901; ? Мзг.чду-нзродном вакуумном конгресс* н 5-*л Международной конференции по изучению позерхностн, Мадрид, Испания, 1383; Всесоюзном симпозиуме "Физика поверхности твердого таяа", Киоэ, 1533; VI всесоюзном симпозиума "Вторкчко-гяектренная, фотоэлектронная эмиссии и спектроскопия поверхности тзердегэ теяз", Рязань, 1523; VI Всесоюзной школе-семинаре по физике поверхности полупроводников, Одесса, 158?; 7 Всесоюзной конференции го росту крнстадлаз, Москва, 1230; Всесоюзной конференции " Поверкность-бЗ", Черноголов??*, 1939; 8 Всесоюзной конференции но росту кристаллов, Харьков, 1992; 1 Мамдугарэд-!!ой конференции по физнкз ннзкоразмерных структур, Черноголовка,
1993; 1 Русско-Японском семинаре по поверхности полупроводников, Владивосток, 1993; 3 Международном симпозиуме по зпмтаксии атомных слоев и процессам на поверхности, Сендай, Япония, 1994; 2 Русско-Японском семинаре по поверхности полупроводников, Осака, Япония, 19д5; Тихоокеанской Международной конференции "Математическое моделирование и криптография", Владивосток, 1995; 16 Европейской Конференции по изучению поверхности, Генуя, Италиь, 1996; 18 Международном Сеиинаре по физике поверхности, Поляница Здруй, Польша, 1996; Международном симпозиума " Нгноструктуры-96: физика и технология", Санкт-Петербург, 1996,
Кроме того, работа обсуждалась на научных семинарах Физического Института РАН (Москва), Физико-Технического Института им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) и Санкт-Петербургского Технического Университета.
Защищаемые положения:
1. Зависимость скорости зпйтаксиальной кристаллизации аморфных слоев кремния от ориентации монокристаллмчаской подложки объясняется рэзной вероятностью образования элементарных двумерны?« атомных конфигураций, а зависимость от концентрации примесей — изменение!* энергии межатомной связи. Более высокое кристаллическое совершенство слоев, получаемых на подложках $¡(100), определяется большой величиной инкубационного времени образования спонтанных (неупорядоченных) зародышей.
2. При легировании кремнигеых «аносистем атомами электрически активных приыесел донорные состояния локализуются вблизи примесных атомов, г акцепторные распределены среди соседних атомов кремния. Обобщаствдгшг докэрных состояний начинается при расстояниях "примесь-примесь"' менее 1 манометра. Выпрямляющий р-н-переход формируете» в кремниевой нгносистсмг при расстоянии между это-
мамн доисрно;"« и акцепторной примеси около 1 им.
3. Примесныг позгрхносные состояния, связанные с наличием адз-томов металла на поверхности крекния, проникают в глубь кремния на расстояние менее 1 им. Релаксация поверхности существенно изменяет электронную структуру приповерхностной области, но слабо- сказывается на электронных состояниях слоев; лежащих на расстояния около 1 им от поверхности. Положение уровня Ферми в запрещенной зоне кремния з системе "адатом металла - кремний" зависит от места посадки адзтома металла. Рассчитанная электронная структура систем "адатом алюиккия - поверхность 5¡(111)", "эдзтом золота - поверхность Si(lll)" и " SI(131)л/3 х %/3 — В" позволит объяснить глазные особенности кх ворьт-ампериих характеристик, пояучземых методом сканирующей туннельной спектроскопии.
4. Кинетика фэзезых переводов а субмонослойкых покрытиях нз поверхности кремния объяснится изпенсиигм величин энергии взаимодействия атомез вещества покрытия «ежду собой и с подложкой при изменении их концентрации. При возбуждении коллективных (плазменных) кояабзний в системе, состоящей из тонкой пленки и массивной подложки, возбуждаются только объемныз колебания о пленке и подложке и поверхностные — в г.одяожке: поверхностные колебания пленки отсутствуют. Электронная структура нсиослойных плгнех алюминия и никеля на поверхности $i{lll) иноет металлический характер, а область переходных состояний (метэялоиндуцироязнных и интерфейсных) простираатся на глубину в несколько кремниевых слоев.
5. Высоты барьера Шоттки а нанохентактах Al/Si, NiSij/Si и Ли/Si близки к величинам, наблюдаемым з макроскопических контактах, si зависят от атомной структуры контакта. В частности, для контакта NíS¡2/S¡(111) барьер Шоттки выше, когда прикс-итактные атомы металла находятся в позициях Т4, и ниже, когда они занимают позиции
Нд. Контакт Au/Si является неустойчивым и проявляет тенденцию к перемешиванию атомов золота и кремния при толщинах золотого покрытия более двух монослоев. Добавочное (приграничное) легирование кремниевой наночастицы позволяет управлять высотой барьера Шот-тки (при условии, что основная донорнаа примесь находится на достаточном расстоянии от интерфейса, чтобы барьер сформировался).
6. Электронная структура аморфного диоксида крчмния хорошо описывается моделью плоских б- и 4-членных колец S¡-0. В запрещенной зоче кремния, вблизи его границы с диоксидом, наблюдаются переходные состояния, связанные с неполным насыщением поверхностных связей. Наночастица диоксида кремния, помещенная между алюминием и кремнием, сохраняет свои электроизоляционные свойства, если ее размер не меньше, чем 0.7 ик.
7. Кластерный квантово-механичгский подход в применении к одномерным системам позволяет не только вычислять плотности электронных состояний, но и находить эффективные массы носителей заряда. Квантовые проволоки Au-Si, образующиеся на ступенях поверхности Si(lll), могут иметь как полупроводниковую, так « металличесхую электронную структуру в зависимости от места расположения атомов золота, в то время как одномерные цепочки Al-Si на поверхности Si(110) имеют мет ллическкй характер.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, свсьш глав, Выводоэ, Приложения и списка цитируемой литературы, включающего 310 наименований. Общий объем диссертации составляет 254 страницы и содержит 14 таблиц и 101 рисунок.
- и —
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1
В первой г<:ас-т анализируются результаты зксперимеитальных исследований твгрдофязно'! зпитаксии (ТФЭ) кремния и предлагаются феноменологические модели, описывающие кинетику ТФЭ и зависимость скорости ТФЭ от ориентации подложки. Там же излагаются результаты кеантово-ксианического ксслздввания зависимости скорости ТФЭ от к нцентрзцян электрически активных примесей (фосфора и алюминия).
Твердофазкзя эпитзксия является одним из наиболее перспективных катодов создания нонор'аэкерных тсердотельных приборов, поскольку она позволяет получать тонкие сяои мо)ючристаляцческого кремния с резкими границами кежду легпропзиныин областями. Она представляет собой процесс зпатаксиальной кристаллизации аморфного слоя кремния, находящегося на '«некристаллической подложке и нагретого до теипературы ниже температуры плэвланиа кремния.
Принимая оо снимание, что атомы ¿-того слоя аморфной пленки, находящиеся на границе раздела, могут е /-тый момент ореисни выстроиться как "правильно"-т.е. воспроизводя структуру этой границы, так и "неправильно" - т.е. искажая структуру, иожио получить уравнения изменения количества "дефектных" (Б) и "иоиокристаллических" (М) атомов в зпитзксиаяьнсй плгнке: *
А, = 2>у_1 + Р • (1 - - Ду-1)(А-1.ы + а • ехр(—г/_? - 1)-
Мц = Ми-1 + Р ■ (1 - Мо-! - Да_1)(1 - а • ехр(—г/7 - 1)А/,
где Р - вероятность перехода из "аморфного" состояния в "кристаллическое" , а - вероятность образования дефекта, г - инкубационное
Pue. 1. Срзаиение расчета (линии) и эксперимента (кружки) криста."лмч«ского cosep-шенства ТФЭ-плбнск на поверхностях Si(lCÛ) (слеза) в Si{lll) (справа)'. 1 - 250 А, 2 ~ 750 А, 3 - 1200 А, 4 - 1500 А). 1.0 us оси ординат ссстчгктьует идеальной эпктвксш!.
время образования дефекта, b - вероятность отжига дефекта.
С использованием этих уравнений были построены зависимости кристаллического совершенства ТФЭ-пленок кремния для даух ориентации подложек: Si(lCO) и Si(lll) (рис. 1).
Результоты расчета позволяют сделать вывод о том, что при отжиге «¡¿орфнык планок кремния из подложках Si{100) имеет место кг к E02HHK.,0Dici:;.i дефектов, так и кх полизя релаксация. При этом инкубационное ъръия т сеяйхо(с 20'раз больше, чем при кристаллизации на подложке Si(lll)), псоткйу s тон-.шс плепхвх (250 А), отжигаемых па подложках Si(ldS) дгфакты практически ка успэеают вырасти за ореия кристаллизации. Дог,я "монакраст£яш142схт" атомов па поверхности в этем случае бистро стремится к един;:цг. По мере увеличения толщины пленки рог', дефелтев воэргстгвт, и кинетика ззмадяястсп, что становится особенно заь-отныи в случае толщин 1200 н 1500 А. При отжиге ¡шорфных пленок креинил на подложках 5i{lll) инкубационное время дсфектсобргзсЕзнил т us го, а релаксация дгфс::тои в процессе отжига практически отсутствует. Это приводит к тему, что кристаллизуемые пленки на достигают соггршснстса даже при длительных временах отжига.
Скорость перехода атомов аморфной фззы в монэлристаллическую
*
пропорциональна вероятности образсьанш; совершенной элементарной
конфигурации из п атемоз аморфной фазы: V ~ « • Р. Она определяется количество« межатомных связей I, величиной «гжатскиых расстояний и группой симметрии данной конфигурации: Р — £ П Р» где Pi - вероятность образования г'-ой связи, д - порядок группы симметрия.
Если подложка имеет произвольную ориентацию (несингулярная поверхность), то скорость ТФЭ определяется векторной суперпозицией скоростей, характерных для ближайших по ориентации сингулярных поверхностей.
10
0.8 0.6 0.4 0.2
-30° 0* и* «ос 99° олскгник:» с* ргкизсосг* (500)
\
Рас. 2. Ориентационнгя эмксямостг. скорости рсхристзллнэ-цви гиорфного кремния
На рис. 2 показана рассчитанная зазд.лшость скорости кристаллизации от ориентация подложки.'Там гае приставлены экспериментальные данные для напиленных слооз (кругкки) [1] и для аморфизовгнных в результате ионной имплантации (пунктир) [2].
Для изучения ззвксгаости скорости ТФЭ от примесей были проведены расчеты полной энергии кл?етерос кремния с числом атомов до 22, с использованием кззн гс со-механического метода локальной электронной плотности. Один иди д<за атоиэ кремния замещались атомами фосфора или алюминия и находилось изиенеиие энергии межатомных связей. В полном согласии с гкепериментом оказалось, что энергия межатомных связей убывает при легирочании кремния как донормой, так м акцепторной приМ.есыо. В компенсированном "ремнии энергия межатомных связей гримарно такая жз, как и з налег ировзнном.
аг'^о
-2 0 2
ЭНЕРГИЯ <эВ)
Рис. 3. Атомная структура кластера $¡33 и электронная структура манометрового р — п-лереходз. {Черные кружки - атомы кремния, замещагиые примесями.) Еу и Ее - положения крае» вэлеятиой зоны в зоны проводимости
Глаза 2
Во второй глава рассмотрена электронная структура кремния, легированного либо донором (Р), либо акцептором (А1), а также эффекты, связанные с одновременный присутствием в кремни« атомов акцептора и донора. Кристалл кремния моделировался с помощью кластера $¡22, изображенного на рис. 3 (слева). Черными кружками обозначены атомы кремния, замещаемые атомами приисси.
Наиболее интересный результат получен в том случае' когда атомы примесей (фосфора и алюминия) находятся на расстоянии около 1 нм. Электронная структура такой наноси стемы приведена на рис.3 (справа). Здесь хорошо виден изгиб зон, характерный для выпрямляющего р- п~ перехода. Примечательно, что в запрещенных зонах р » п-областей отсутствуют состояния, которые можно было бы назвать акцепторными или донорными, и которые наблюдаются с электронной структуре кластеров, легированных лишь примесью одного типа. Это объясняется тем, что блкжо расположенные акцепторные и донорные состояния сильно взаимодействуют и компенсируют друг друга. При уменьшении
расстояния нояду донорчьгм и акцепторным атомами происходит пё* ргмешиванне состояний, н выпрямляющие сбойстзз переходя исчеза^У.
В третьей глгва рассмотрена гягктренная структура кремння вблизи
гга№р"нсс ги (111) при адсорбщпз на нес атоме?» алюминия и золота, а так>:а изучена гдечтронигд структура поверхностной фазы $1(111)%/Зх У'3 — 3. Результат:-.! расчета сравнивались с данники фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС) м сканирующей туннельной спектроскопии (СТС). Оказагос», что на структуру поверхностных состояний большое гл(-:гг}.!«! екезымют процгссы р?ко>:*тг.<у(>ц;!н и релаксации атомной структуры. Однако эти процесс»! почти не сказываются на эяектрон-ИЫХ СОСТОЯНИЯХ СЛОСЗ Кр?ННИЯ, удэоддочх от поверхности на расстояние сколэ I т. С друге!1 стороны, паяэх&ш уровня Ферки относительно краез &'»л:мпиоП и проРодящйй'занН'весьиа чувствительно к пог,;ц1ч1 пдчтоип ««таяла. В частности; дия'сисгскы Аи-$!(111) дно зоны проводимости находится нз-раестсянт; 0.55 зВ от уроэня Фвран з случав раснсяожепия ьтона й слота-з позиции Т( , ч то вр^мя как это расстояния ргмно вгега яяшь Ер + 0.П5 ъ& для но>ицин Н3. Учнтыгая, что «чшнк» полпменкс зек« прозодеиости о приконтзктной области определяет всянпйчу тзйгго важного для контакта "металл- полупроводник" взраттрп как высота барьера Шотткн, мо*;но заключить, что эдсс?» нгмбч5-зт':з путь к управлению высотой барьера Шоттки с помощью конгроянруеного формирования границы раздела "метаяв-пояупроеодник".
Иптерасний пример шшянпз врккеси из наизкпештабные изменения ЗЛЖТрОМНЫХ СВОЙСТВ Г1;'пойуйрояоднйка Пр«ДСТЯЙЯЯСТ собой пог^ясностн $)(1'1), «■¡•эсмшгшш беро»?. Такм пЬеерчпость характеризуете« стру.* гурс" $!(3 12)Уз к- — В м прдолскэет внимание многих ^ссяхг.пгзтедг" £!.тзгодаря евмш ноойичныи »^«хгрофизкчвеким харак-
(а)
в &
-7 -5 -3 Энергия (эВ)
-зоз
Нгпмхе.ше, В .
Рве. 4. Слава: локальные ПЭС оконечного атома \г7 з кластере УУц (а) и адатоаоз £1 а кластерах В5<а (6) к Б;« (б). Всртикглиньк! акнкй - положения .уромя Ферм я. Справа: туннельный тек ь «стен« (вверху) и WliS/8Sis (внизу).
теристикаи.. В частности, при ее исследовании с помощью сканирующем туннельной спактроскопий в ее бсяьт-омпгркых характеристиках обнаруживаются участки 6 отрицательным дифференциальным сопротивление?.; (ОДС). •
Для исследования туннельного тска ¡¡г система "со;;ьфра(.;оЕ.-а игла - поверхность 51(11х)\/3 X л/5-В" (гыЛа рассчитана электронная структура кластеров В£!з и 51@, которые нодглирегйля характерные места (идеальное и дефектное) на поверхности 5н(111) у/3 х с учетом релаксации атоыной структуры. Всльфрзидвзя игла шделнроезлась кла-стерои \Уи- Расчет псказзл, что сблизи уровня Ферми е электронной структуре кластера Б1е (в отличяе ст кластера В5У ииеется незаполненное локализованное состояние, а е Плотности состояний кластера Wl4 — локализованное заполненное состояние.. Переход вежду этими состояниями и сбеспечнзает ОД.С в данной системе (си. ряс. 4).
Гласа 4
В четвертой гя?йв построена термодинамическая модель фззоэых передадоз в q-Sroi'octtnV.i-sx покрмтиях, ксследоааны плазменные воэ-буксдеккя в тонких пленках па поегрхности твердого тела й рассчитана эягктроннзя структура конгсята кремния с моноагоккыми слоями алюминия и инледа.
•При пссгрссния :?9д*лн ф-ззегш поркюдаэ предполагалось, что каждая фаза у-.пэятс-ригу<г<ч:к сга-?« чксйой посадочных wecr и своей зчергтей срягя ат^ггп с поз/'С^гх-Г?. В.58йг?©д«$етвк« ато^з эдеербэта
г.-'-'.кгг; с••'■'-.л* с: ¡'сотгг! г р.рг'.'ли^с!!;^ с'-^чего пг-/:;?. При зточ чи-еэт '.у.- ::: 'мгт п;,-.кп'^дей »-той фэ*-^ спр.сдгллйось ¡is услог.чл v,>n».-c«:ro r-ccucs;;«;:! кг?'. функция концзктрздои напыляемых гтэмоз п, a кг.«;?оя*?етг»1 лгокоа со среди:».? пел<*м могло быть разным дач рзяя и фаг.
На nr.-'^v-p'- cncr<;-;u ^кн^'Я-голото"' рясеаотрсиэ кчявткж» фззо-пъ'М пг-^ся.-цсз при хггл'^ггрзцнв а/»атег;о* гктзллз'. В дан-
пом елучза Р'.:з«с?!Т1:о олкюряз&т* еоеущгстрозгниа тре< фаз к дсух групп м^лфагн'л;; атор.-.-j. Сесбсдит екгргйя тгкеп скстечя депнсы-ЙЗЙТСЯ сягдуюЩЙН
5
F а £(-<4»,-*,»<»)-75,
i.-t
где
£ гя .'¡ГрЛиД — (fj; — — Rts ~ П1г,)1п(Ро — iiij — ГЯч — mj) —
.-(ft - т^ЦЯ - mj) - - mt)b[P4 m4) - n2fn(r>2) - п41п(гн)~ -¡irjuifir,) - E (mi ~ пг)!ш(т< - nj)].
Здесь Pa -- i, "2 nj, Pi ~ nj. Зндчгпиз шдсксоа i имеют сла-/»у>гл;:ии спим: ¿—1 - первля f=s2 - парная группа надфазных
атсмез, г—3 - г;тср~л фз.*а, i~'rl - втвргя группа надфгзимх атсков, г~5 - трат;.?, фаз?. Из усяопкй dF/8nti «* 0, OF/дщ ~ 0 и £ я,- = п
— is —
Рис. 5. Загискмссть фазогых концентрацкЗ tjj от o£i.'<ctt концентрации атомов п для системы Sf(lll)—(п при Т = 500 С: l-щ (фаза Si(llI)-VdT-ln), 2 - п2 (первая группа надфазных атоыо»), 3 - п3 (фаза Si(lXl)—1 х.Ыа), 4 - n4 - (вторая группа нздфазных атомов), 5 - щ (фаза Si(lll)-1 х 1-!п.
получаеч систему из пяти уравнений пятого порядка, решая которую, находим величины парциальных концентраций щ как функции общей концентрации «
Результаты вычислений приведены иа рис. 5. Как видно из этого рисунка, наша модель позволяет списать процесс, при котором вначале появляется и разрастается фаза 1, затем появляются надфаэныо атомы 2 и поело достижения некоторой критической концентрации (п « 0.12) возникает фаза 3, рост которой сопровождается быстрым исчезновением фазы 1 и надфззмых атомов. При дальнейшем уьеянчения количества сощг<-тва опять еознскают надфазпые атсиы (уже иного типа 4) и затем (при п « 0.35) появляется последняя фаза 5, в которую " перекачиваются" агомы предыдущих фаз.
Одним из распространенных методов исследования поггрхности твердых тел (в том числе, и покрытых слоями инородных материалов) является метод характеристических потерь энергии электронов (ХПЭЭ). Суть метода заключается в том; что поверхность образца облучается
монохроматическим пучком электронов, а затем регистрируется спектр энергии отраженных (вторичных) электронов. Анализ спэктра ХЛЭЭ позволяет судить об энергетической структуре поверхности и приповерхностного слоя.
. Если внешний электрон алетает в систему, состоящую из пленки вещества толщиной а и с дизязктрическол проницаемостью е^, находящейся на поверхности твердого тела с проницаемостью е?, то вероятность возбуждения плазменных коявбзннй Р{д,и) ргзна
__е^_ „ /«_ ^ П__е7д _
1
____ЧУ
, ..... >
X р£1 + (е2 - е2)югр("9а) - (е2 + е0(1 - е2)х
V ¡=2
хсхр(^а) - 2е2{1 - е:,'р{-до})] - -—[(1 - ехр2)ехр(-уа)4-
£1
+(1 + ехр2)ехр(до)](1 - ехр(—г//))},
где
г2)(1 - е2)ехр(-дд)) - (<п 4- е2)(1 4- ег)ехр(?о)).
Р(9,ы) имеет резонгнсы при ¿1 = 0, £3 = 0 и 2? = 0. Первые дм резонанса соответствуют возбуждению объадных плззмокоа в подложке (иц .= ц?1Р)" и а планкз (<л ~ Условие В = 0 спчс«<тт аоабу-ждения, связанные с границами. В сяучге пленка (ррм у-г < I)
выражений дяя X? = 0 принимает «ад © ~ —3^(1 + г»), « рагепзясч, соответствующие поверхностям-тонкой мсч«зая»т. 3 зтел слу-
чае выражение для вероятности аквугатачеоеж лот-гр» Р с«гляя«т .следующим образом:
<7
1-е» I — С1 з
1 + £| .Т1(1-Ье1)к Первый и второй члены этого сырач»скчя сооттетстзуют потеря» возбуждение объемных плазноно* 6 г.ок-грхностис« пленке (в? = 0} и
в массивном образце (ej = 0), третий - всгбуодению поверхностного плаэмоиа массигиого образца (l+£i = 0) (так, как если бы он граничил с вакуумом). Четвертый содержит как поверхностный, так и объе&шый множителя. Резонлксы, соответствующие поверхности топкой пленки, исчезают.
Для изучения электронной структуры систем "кремний - моноатом-f.-aa пяеака металла" «етод-зш.-окальноЗ электронной плотности использовался кластер иодак:рукпц>:5 поверхность Si(lll). В качестве ыата«лоь били езаты и гл* типичные представители
ссиейсте простых н парглодии« mvsaaoj. Атоаи зсюмииип помещались в различные нсгяцки (Tj, Т4, Hs и окгсто сс{йо!их ¿томов Si). Электронная струг.турс. «лноокяг ^лл^мж ез ьсех четырех вариантах имеет металлический хгргкпф. Во ссо£сг.уч2»с <шзк>тся матаялойнду-циросанные состс.шия, «рвшзздег п крешшй на глу&и:у 2-3
ыокосг.4Я. Что то accserca крвшшшх а>сг(ычии, то е т«х случаях, йог/»?, «тгемы а«юык.гл:г, игхядятс» ь позициях!*!, fia или гакзщают варх-ккв «тома крешгизх«! сюддожш, ь пригргиичиых !фсш!«с«.1х cjkkx ииг.отся fïtzyztiiолжгшьк: Cr-STCзкш на y^o&iîa Фо:аш, что свидетельствует о н£уст<Д«а&эсги тати' атсиких структур.
Подупросс днлюсззирсисздНоЯ фсрцирусгся также- г->-
раыючу. 3 Т{ и Т» са форшрогзние начшкетел в пятсм крем- ,
икеьоа с-'л (считал от гродицы с ийтеллаи) и в посвсдрсм (S-«) ское • Ej pîiSK?. 0.7 зВ к 0.Ô5 гБ, coorrci статно. В случае зодещгкая за-пршдокде sjhs &ШЛКНСП Я.С8 оЗ усгинж'д-г.тзтси только г. последнее слои.
В сйучмхТь Т« к згкещеииз е «-¡>ся?;;;« образуется бзрьер.Шоттня. Его шеога, cooir*sTct jnelsa С.37, 0.74 и 0,57 зВ. Пошуми две цифры хорошо югоасуютск с с-исг»!фйй,.йптай{.иыи значена*» (0.70 эВ) еасоты барьер.-» Шат^иилг.- ксьтяитз водэг »к «»¡НфеинкЗ?' [3]. Когда
¡г g
i
1J g
S-
~î-rIM 11.
Ni
„-1 Si-2 Si-3
Л^ёфи.
С i £1-4
JUL_
AJL
1
fj-vi
Шк!
&
-3-2-10 12
ЭНЕРГИЯ (эЗ)
M) M
î*Миш
-3 -
3
ЭНЕРГИЯ (эВ)
Рис. 6. Эягктренмая структура За/КЬ: тся Л - сега, тип iî - скртад. ?»
- tmtimttwvt сгетеячяа, î - мит«рф:-2а»» пояуа»!!мк«:!к«» састояше, V и С - края делвнтнсн эоиы м зоны врокдаиостп
же атомы Ai иаходйтса з позндоях Из, чистая оиергеточеоая 1ц«н» не устанавливается даже в последнем крегдккееои свое.
Монсзтоьп'ыЗ слой и:жвяя глсдглироегг.сз атомами Ni, «оаещеи»ы«и либо над пустотами (Л-тнп), якбо над атоизди Si второго крегзкк^ого слоя (5-тип).
На р:?с. б представлены результаты расчета элгктрсгшой структуры Границ Л-тилз (crcsa) я В-типз (справа). Вздно, что аягчтроююя .структура монослоя кике.-э а oopssx сяучеях инеет ветшимчаскив рактер. Такого «в типа электронна'? стругстурэ успшавйззается н в ближайших слоях кремния. Пра'зтеа, о отзячма от екстемн "кремний
- монослой алюминия" металлячгсхке состоя!««» в кремнии затухают
С
гораздо слабее. В первых слоя кршикя *в эти состояния дпют примерно одинаковый еклэд ато?ш ¡; греукяя, т.о. фактически имеет место начальная стадия формирогзияа силкуидз. На нижних панелях изображены парциальные пяотностя сосгояикй дгсйного слоя
кремния, наиболее удаленного от менссдоя пккеяя. Здесь видна опкк-
Таблица 1. Шк.'-шнэ запрещенной зовы Е, и выссна бзрьера Цдотт Фа дяя различных конфигураций сиетчми А(/5«
[ А1$5!з Г~ Л!к5!8 1 А1145!22 Зкспер.
незпит. эпит. незпит. злит. эпит. Р«. [3]
2.12 1.21 1.60 1.15 1.20 1.12
Фвп 1.77 0.86 0.§0 0.65 0.75 0.70
Фвр_ 0.35 0.35 0.70 0.50 0.45 0.42
тройная структура полупроводникового типа с запрещенной зоной ик-рикон 1.4 эВ. В системе типа Л фр~0.6 эВ, в системе типа В Фв~0-8 зВ 1? хорошем согласии с экспериментом [5]. Однако, запрещенная зона на чистая: сиз содержит (.; е г «л л о я иду!;> = р с и-; ни и с состояния. В система А имеется пик гюлузаполиешшх состояний т уровне Ферми. То есть, размещение атомов иоиослойной клепки никеля е позициях Нз на поверхности Б!(111) яьсяегся неустойчивый. (В следуккцей главе показано, что гта неустсЗчизость шашллия &ри форсировании силицида.)
Глава 5
В пятой гласа из притре систс*» АИа. Аи-51 и №5Ь~5( изучается влшише стру.сгуры котаяяичоскоГ? плгн;:и на згектрошдо строение »»-иококтакта "метаяя-кремниа" и "силицид-кремний".
Контакт "ашомштмфсатй" был изучен к кснопьзо^ниом кластерных смоги« А'^з, А^цЬЬ и А!м5<хг дв» деук случась - эп;;токси-аяьного и иезиктакснельного. Рассчг.е.зниие величины ширины запрещенной зоны Е$ и барьере« Шотгки для оегктронов Фва и дырок фве приведены о таблиц« 1. Примечательно, что к зпитзкскэдыюм случае барьер фца ©ТКЙЗЫСЙйТЛЙ Й-ШМ, Ч«И Ь НСЭ|ЧЧТЕ!«:ЦаЛЫ!5Ы, с согласии с оксперииег'то:.; [4].
, Контакт кр-.у,с дмсг^кц'даспз никег.к интсрсссм в дг-ух Во-«*гр»ых, иегвнлеподоЗныз силициды переходных мегалпзв (а той чи-
Pi.ii. 7. Схема расположения атс;.!0® я кластерах N¡[3$!« я Орые^кружк« - :>го>»ы илхеля. Белые кружки - атомы кремния.
еле и никеля) широко используются в полупроводниковой технологам, а во-вторых, решетка N¡512 очень хорошо сопрягается с кремниедой: постоянная решетки N¡$¡2 лишь на 0.44% меньше постоянной решетки кремния. Поэтому граница раздела МБ^/З^Ш) атомарно гладкая и практически бездефектная и идеальным образом подходит для изучения влияния взаимной ориентации металла и полупроводника из электронную структуру границы раздела, и в частности, па высоту барьера Шоттки.
Для изучения электронной структуры контакта N¡$¡2/31(111) использовалась наносистемз, состоящая из двух кластеров: №]з5!8 и 8<зо, атомная структура которых показана на рис. 7.
В результате расчета получаны следующие величины барьеров Шот-тки: для случая А '¿дп=0.52 эВ, для слутя Б <рвп~0.82 эВ. Зкспери-. мент дает, соответственно, 0.65 зВ и 0.79 эВ [5]. Т.е. расчет дает разумные значения и правильно описывает их зависимость от геометрии контакта.
Одной из самых интересных особенностей контакта "золото - кремний" является резкое ослабление приповерхностных кремниевых связей
(а) Аи8 /
о
аэ о о
о
(б) Аи4/а12.
о
-2 0 2
Энергия (эВ)
-2 0 2
Энергия (зВ)
Рис. 8. Атсглныо схемы кластерных систем Аи3/Иц (а) и Аи4/$122 (б) вместе с кривыми плотностей электронных состоят-.:", спроецированных иа двойные кремниевые елок и иа металлическую часть системы. Ввртикаяьны® штриховые линии — уровень Ферми.
под влиянием нанесенного на поверхность слоя золота, в результате чего происходит перемешивание атомоз золота и кремния и перенос кремния сквозь золото. Критическая толщина, после которой начинается перемешивание, по данным разных исследователей составляет 2-4 монослоя.
Рассмотрений кластерной системы Аиз(4 монослоя}/5|22 показало (рис. Й(а)), что в средней части кремниевого кластера имеются ло-луззполненные состояния но урсЕка Ферик, что свидетепьстеует о нестабильности системы. Были выполнены также пряные вычисления полней энергии системы Аи^/5:-22, которые подтвердили, что перестановка граничного атома 5! и аерхнего атома Аи энергетически выгодна: разница энергий составила около 1 эВ.
Для выяалегшя крлтичгской толщины золотого покрытия, необходимой ¿яя запуска механизма персыешпззния, были проведены вычк-
сления полной энергии системы Ащ(2 ионослоя)/5>22. Вычисления показали, что энергия нормального состояния (без перемешивания) на 2.4 эВ ниже, чем энергия состояния, в котором верхний атом An и пограничный атом Si переставлены ?аестагли. При этом, в электронной структуре кремниевых слоев отсутствуют полуззпопненные состояния на уровне Ферми (рнс. 8(6)). Поэтому можно заключить, что лерс-мешнвзние золота и кремния начинается лишь тогда, когда покрытие золота превышает 2 монослоя.
Поскольку состав твердого растверэ Au-Si, образующегося при пе-¡•¡'иешизании золота и крайняя, близок к Лщ5Ь, он мог.еанровзг.ся а сидг ансамбля пятиатомных тераэдроз. кзгкдмй из которых состоял из одного атома Si, окруженного четырьмя атомами Ан (наподобие тетраэдра Sij з объемном кргмини).
Для изучения контакта гблизи позиции Т^ ислользояалмсь кластеры Sis и S¡22- "Золотая" часть контакта (Au¿Sia) составлялась из двух тетраэдров AuiStj, поставленных друг на друга. Граница вблизи позиции Нз изучалась с помощь» кластера Sijg.
Оказалось, что высота барьера Шоттки зависит не только от того, какого типа езят кремннезпй клэстар, но и от того, какова взаимная ориентации тетраэдров, состаялающих "золотую" часть контакта. Разброс величин составил 0.35-1.25 эВ. *Лзкси*даяьныэ значения соответствуют случаю Ti, минимзлыше - случаю Нз.
Глава 6
В шестой глазе на примере системы "аяюггянин-креинкй" рассмотрено влияние примесных атомов (денерез и акцепторов) из электронную структуру изиохонтэкта " метэяя-алюмктнТ.- Кремниевая-часть контакта иоделировзлась кластером S;¿2, злюминичззя ~ кластером А1ц.
Атомы npi.Mecu ( Р, Al, As и Ga) помещались з эамещающме положе-
пня на разные расстояния от границы раздела каи по одиночке, так л попарно. Оказалось, что при помещении атома фосфора примерно в 1.2 км от границы раздела в наносистеме А^^м формируется реальный барьер Шоттни высотой «0.7 зВ и шириной около 1 нм (см. рис. 9). При более близком расположении атома фосфора барьер Шоттки не образуется. Легирование алюминием также на приводит к образованию барьера.
А1-6 ЗЭ О
А1-5 О О А1-4 ©
А1-3 СЭ ©
А1-2 © <0 АН ©
ш-з
8М Б£-2 Бх-З 8М 51-5
ва, Аз
Он, Аз Р,А1
-3-2-10 1 2 3 ЭНЕРГИЯ (эВ)
Рпс. 9. Сдава: парцяадыше плотности сбстсянк« системы А^/Р^и (атом фосфора
— в пятой ДКС кремния) . Вертикальизя пунктирная яииия — уровень Ферм». V к (
- края валентно.* зоны и зоны врозеди»остм, О - леиерный уровень. Спразз; зтомкгя схема системы А1м + яггированкыЗ кластер Б!»
Если в приграничный слой помещается дополнительная примесь, то она изменяет высоту барьера: акцепторная примесь (Са) увеличивает Фвп до 0.9 эВ, донорная - уменьшает до 0.5 эВ. Глава 7
Седьмая глава посвящена исследованию электронной структуры на
нометровых систем кремнии - сксмд кремния и кремнии - оксид кремния - алюминий".
(6)
(а) 5? о гр » ф о «5» о О 8
(в)
Рис. 10. Атомные схемы систем А1ц/п-ч,«нное кольцо/Б!^ дня п=6 (а), 4 (б) и 3 (в). Черные 'кружив - атомы 51. белые кружки — атомы О, серые— атомы А1. .Цифрами обозначены номера атомных слоев
В качества модели оксида кремния использованы п-членные БьО-кольца. Длины и углы межатомных связей находились путем минимизации полной энергии. Показано, что наилучшее согласие расчетных ПЭС и экспериментальных фотоэлектронных спектров получается для 6-, 4- и З-членных плоских колец.
При контакте этих колец с кластером ¿¡и в электронной структуре колец сохраняется запрещенная зона шириной 7.9, 7.2 и 3.7 эВ, соответственно. Однако, когда $1-0-кольца помещаются между кремние» (кластер ЗЬа)-и алюминием (кластер А1ц) (как это изоСра>хеио на р;;с.10), только б-чланнсе кольцо сохраняет свои изолирующие свойства: запрещенная зона Ед «4 о8, барьер для гг.тлтрскоз - 3.5 зВ (си. рнс. 11), в то время кгя 4- и З-чяегшые кольца становятся проницаемыми для электронного тока.
Если рзее. зтривать подобные кластерные системы как модели полевых транзисторов с манометровым слоем оксида кремния, то можно
заключить, что минимальная толщина оксидного слоя не может быть меньше, чем нолгрсчный размер б-чяенного ЭьО-кольца («0.7 нм.)
-5 О
ЭНЕРГИЯ (зВ)
Рис. 11. Электронная структура системы А1ц/&-ч«»нкое кольцо/Б)^. Вертикальная пунктирная лиикя — уровень Ферми. Стрглкаыи обозначены интерфейсные состояния в запрещенной зона кремния, цифрами - номера атомных слосэ (в соответствии с рис. 10(з))
Глава 8
В восьмой глава изучаются одномерные кетгллскремнневые системы ■ (квантовые проволоки). Показзна возможность с помощью кластерного подхода не только рассчитывать плотности состояний одномерных систем, но и шчке/шть такие важные физические параметры как эффективнее массы электронов к дырок. В качества примеров рассмотрены одномерные цепочки атомов алюминия и крамнкя. Изучены отличия их электронной структуры от трехмерных систем и найдены эффективные мзссы носителей зэряда. Для одномерного алюминия "тяжелая" масса электрона равна 0.65 то, "легкая" - 0.28 )щ; для од-
t* ¡
e
o
0 os
1
ш
<5
10 5 0 -s -10
П
-г*?
J o * различные ветви —- параболическая апроксимшия
o
50
10 20 30 40 НОМЕР СОСТОЯНИЯ Рис. 12. Дисперсия состояят! для гггзггосЙргзнеЗ «гпачки 5>л, кгрзктерной поверхности Si{110). Горизонтальная пртазя лииия - позиция уроиия Ферма.
номерного кремния получены даа ?начекия эффективной мпссы дырок (для двух разных ветвей спектра) - 0.63 то и 1.01 то и дез значения эффективней мэссы электронов проводимости 0.33 то и 0.31 то.
Рассмотрение целомсх алюминия из поверхности S¡(110) и золота на пооерхности Si(lll) показало, что электреннея структура кзантовых просолок Al—Sí(llO) имеет металлический характер, в то время как одномерные системы Au-Si(lll) когут обладать как металлической, так и полупросоднмкопой проводимостью в зависимости от их атомной структуры.
Прллолсегше
В приложении приведен краткий обзор квгнтоео-механических методов, используемых для рэсчетоз электронной структуры твердых тел, описан примененный в данной работе метод функционала электронной плотности, а такле изложено проведенное »тором исследование достоверности информации об электронной структуре поверхности твердых тел, получаемой методом сканирующей туннельной спектроск. лии.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Зависимость скорости элитаксиальноа кристаллизации аморфных слоев кремния от ориентации монокристалличаской подложки объясняется разной вероятностью образования элементарных двумерных атомных конфигураций, а зависимость от концентрации примесей — изменением энергии межатомной связи. Более высокое кристаллическое совершенство слоев, получаемых на подложках 5!{100), определяется большой величиной инкубационного времени образования спонтанных (неупорядоченных) зародышей.
2. При легировании кремниевых наносистем атомами электрически активных примесей донэрныо состоянии локализуются вблизи примесных атомов, а акцепторные распределены среди соседних атомов крем-кия. Обобществление донорных состояний начинается при расстояниях "примесь-примесь" менее X нанометра. Выпрямляющий | »-«-переход формируется » кремниевой износи стека при расстоянии между атомами .покорной и акцепторной примеси около 1 ны.
3. Примесные поверхностные состояния, связанные с наличием ада-томов металла на поверхности кремния, проникают в глубь кремния на расстояние мекга 1 им. Релаксация поверхности существенно изменяет электронную структуру приповерхностной области, но слабо сказывается на электронных состояниях слоев, лежащих на расстоянии около 1 нм от поверхности. Положение уровня Ферми с запрещенной зоне кремния в системе "адатом металла - кремний" зависит от места посадки адатома металла. Рассчитанная электронная структура систем "адатом алюминия - поверхность $¡(111)", "адатом золота - поверхность $¡(111)" и "$1(Ш)/5 х у"3 - В" позволяет объяснить главные особенности их вольт-амперных характеристик, получаемых методом сканирующей туннельной спектроскопии.
4. Кинетика фазовых переходов в субмонослойиых покрытиях на
поверхности крежшя объясняется изменением ееяячкн энергии взаимодействия атомов seuîacrea покрытая между собой и с подожком при изменении j« концентрации. При еозбумдеики коялектизных (плазменных) колебаний а системе, состоящей из тонкой пленки и массивной подложки, всзбугхдзются только сбъе-яние ■талгбг^'лп в пленке и подложка и поверхностные— з подложке: пссерхкостные колебания пленки отсутствуют. Эя^ггроиизя структура мокослсчных пленок алюминия на поверхности Si(lll) имеат металлический характер, a область переходных состояний (метзллойн,т/циро2зш;нх и ¡'мг?рф<;Ясн1!х) простирается на глубину а несколько кг-:-сяоез.
5. Высоты барьера Шоттки в гтюконта!Сгг.х AJ/Si, NiSij/Si a Au/Si близки к- величинам, наблюдаемым в макроскопических контактах, и зависят от атокиой структуры кояггчета. В частности, для кгитмстч • NiSb/Sï(lll) бзрь'р Шоттхи .sifuis, когда прмкзнтактныа атогш «оттаяла находятся а позициях Т*, и нижа, когда они занимают позиции Н3. Контакт Au/Si являзтея неустсйчпгыи ч проявляет тенденцию к
ПфСМ£иЛ!Е2Кй.'0 ЗТСУОЗ Г-О.^ОТЗ П г.рг**.!"?л пр',1 ТО.П'Щ'ХГ.Х ЗОЛОТОГО ПОкрытия боле® двух нонсслзеэ.
6. В контакте металла (алюминия) с кргмжзЕои нзночастнцгй, легированной дснорно» привгемэ (а частности, фосфором), формируется барьер Шоттки примерно тзкей ;ха аысоты, что и з макроскопических контактах, при условии, что зтемы принеси располагаются на ближе, чей в 1 на от границы раздела. Добавочное (приграничное) легированна кремниевой наночастицы позволяет уярззяять высотой барьера.
7. Электронная структура аморфного диоксида кремния хорошо опи-сысается моделью плоских б- я 4-члгннын колец Si-O. В запрещенной зоне кремния, вблизи его границы с диоксидом, наблюдаются п'ереход-
ные состояния, связанные с неполным насыщением поверхностях свя-
■ '
зей. Наночас.'ицз диоксида кремния, помещенная е :г. ду а л к: и н и е г * и
кремкиём, сохраняет свои электроизоляционные свойства, если ее размер не меньше чем 0.7 нм.
8. Кластерный каантоео-ыеханический подход в применении к од-, номерным системам позволяет не только вычислять плотности электронных состояний, но и находить эффективные массы носителей заряда. Квантовые проволоки Au-S¡, образующиеся на ступенях поверхности Si(lll), могут иметь как полупроводниковую, так и металлическую электронную структуру в зависимости от места расположения атомов золоть, в то время как одномерные цепочки Aí-Si на поверхности Si(llG) имеют металлический характер.
ЦктЕровагакиг литература
[1] Kaverína I.G., Korobtsov V.V., Zavodin:,';:: V.G., Zotov A.V., Phys. Stat. So!, (a) 82 (1984) 345.
[2] Csepregi L., Kennedy E.F., Mayer J.W. and Sigmon T.W., J. Appl, Phys. 49 (1978) 39D5 .
[3] Thanailakis A., J. Phys. C: Solid State Phys.,8 (1975) 655-668.
[4] íviiura Y„ Fujieda $., and Hirose K„ Phys. Rev. B50 (1594) 4893.
[5] Tung R. Т.. J. Vac. Sei. Techno!. A 7 (1989), 598.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
.1. Заводинский В.Г., Зотов A.B., Коробцов В.В. Твердофазная эпи-таксия кремния, препринт, Владивосток, ИАПУ ДВНЦ АН СССР, 1982, 32 с.
2, Korobtbov V.V., Zavodinskíi V.G., Zotov A.V. Epitaxial regrewth of amorphous Si deposited on S;(lll), Physica Status Solidi (a) 72 (1932) 391.
3. Лифшиц В.Г., Заводинский В.Г., Плюснин Н.И. Формирование поверхностных фаз хрома и эпитзксия CrSia на Si(lll), Поверхность, 3
(1983) 82.
4. Заводинский В.Г., Зотов Д.В., Коробцов В.В. Твердофазная зпи-таксия пленок Si, напыленных на Si(100), Поверхность, 10 (1983) 129.
5. Korobtsov V.V., Zavodinskii V.G., Zotov A.V. LEED analysis of solid phase epitaxy of Si, Surface Science, 130 (1983) L325.
6. Kaverina I.G., Korobtsov V.V., Zavodinskii V.G., Zotov A.V. Solid phase epitaxial growth anisotropy of vacuum-deposited amorphous silicon, Physica Status Solidi (a) 82 (1984) 345.
7. Kaverina I.G., Kcrobtsov V.V., Lifshits V.G., Zavodinskii V.G., Zotcv A.V. Theinfluence of the.structure of amorphous silicon deposited in ultrahigh vacuum on the solid phass epitaxial growth rate. Thin Solid Films, 117
(1984) 1Q1.
8. Заводинский В.Г., Зотов А.В., Коробцов В.В., Лифшиц В.Г. Способ получения пленок монокристаллического кремния. Авт. сеид. N 1004512, 1984 г.
9. Lifshits V.G., Akilov V.B., Churusov B.C., Gavriljuk Yu.L., Zavodinskii V.G. The formation of InSi surface phase, Solid State Communications, 55 (1935) 717.
10. Акилов В.Б., Заводинский В.Г., Лифшиц В.Г., Чурусоз 5.К. Тонкие пленки In на поверхности Si(lil), Поверхность, б (1986) 54.
11. Заводинский В.Г., Воронов А.В., Лифшмц В.Г. Формирование тонких пленок CrSi2 при напылении хрома на нагретую подложку Si(100), Поверхность, 7 (1986) 63.
12 Заводинский В.Г., Лифшиц В.Г., Гордиенко А.Ф. Термодинамика субмонослойных покрытий на поверхности кремния, Поверхность, 6 (1990) 80.
13. Dobrodey N.V., Ziegelman L.I., Zavodinsky V.G., Kuyanov l.A.
Nonempiricat study of the Aa adsorption on the Si surface, in: Proceeding of the First Russia-Japan seminar 0:1 semiconductor surfaces, Vladivostok, 1993, p. 130.
14. Dobrodey N.V., Ziegelman L.I., Zavodinsky V.G., Kuysnov I.A. Noneropirical cluster study of the An adsorption on the Si(lll) surface, Surface Review and Letters, 1, N 2/3 (1994) 273.
15. Zavcdinsky V.G., Kuyanov I. A. Electronic states and tunnel current in the VV/Si(lll)v/3x /3-В system: Ic cal density cluster calculations, Physics of Low-Dimensions) Structures, б (1924) 93.
15. Zavodinsky V.G., Kuyanov I.A. Influence of a tip/sample interaction on scanning tunneling spectroscopy data. Surface Review and Letters, 2, N 2 (1935) 219.
17. Zavodinsky V.G., Kuyanov I.A. Electronic structure and tunnel current in Al/Si nanoscsle systems: local density cluster calculations. Physics cf Low-Dimensigna! Structures, 4/5 (1S35) "1.
18. Zavcdmsky V.G.. Kuyanov I.A. Electronic structure of aluminiumsilicon quantum wires, Low-Dimensional Structures, 7 (1995) 85.
19. Ззвсдясскил Б.Г., Куяное И.А. Влияние «тоиоа лагирукодих примесей (Р, В) на глгктрааиую структуру наносистеы Al-Si: кластерный подход, Микрсзяектраийяа, 1995, т. 24, N б, с. 456.
20. ZsvodÍRS¡:y У.G. Effects of dectriwlly active impurities on the bond energy in silicon: Ab initio tot;J or.srgy duster study, Physical Review B, 53 (1996)-952.1.
21. Zavodinsky V.G., Kuyanov I.A. Loca! density approxcmr.tion study of p-S'i/n-Sl nanoscale junctions, Superisttics <k Microstructures, 20, M 2 (193Ö) 187.
22. Zavodinsky V.G., Kuyanov I.A., Effects of the interface structure on the Schottky: barrier hdfht in the NíSÍ2/Si(iil) system, Low-Dimensional Structures, 4/5 (1996) 57.
23. Zavodinsky V.G., Kuyanov I.A., Nanoscale Si-0 rings as models of amorphous silica, Low-Dimensional Structures, 1/2 (1996) 61.
24. Zavodinsky V.G., Cluster simulation of solid-state one-dimensional systems, Low-Dimensional Structures, 1/2 (1996) 121.
25. Zavodinsky V.G., Kuyanov I.A., Nanoscale SiO<,> particles placed upon the crystalline silicon, Jpn. J. Appl. Phys., 35 (1996) 42S5.
26. Zavodinsky V.G., Kuyanov I.A., Computer study of the electronic structure of the nanoscale Al/SiOî/Si system, Computational Materials Science, 6 (1996) 240.
27. Zavodinsky V.G., Kuyanov I.A., Electronic structure of the crystalline silicon/n-fold SiC>2 ring interface, Surface Review and Letters, 3 (1996) 1403.
Заводинский Виктор Григорьевич
АТОМНАЯ СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ НАНОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
АВТОРЕФЕРАТ
Подписано к печати 11, . Усл. п.л. 2. Уч.-изд. л. 1.5 Формат 60x84 Тираж 100. Заказ
Издано ИАПУ ДВО РАН. Владивосток, Радио, 5 Отпечатано в ИАПУ ДВО РАН. Владивосток, Радио, 5
