Электрофизические свойства поверхностной реконструкции Si(111) - 7 х 7 слаболегированного кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Одобеско Артём Борисович

Электрофизические свойства поверхностной реконструкции 81(111) — 7x7 слаболегированного кремния

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9 НОЯ 2012

Москва - 2012

005055712

005055712

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, Зайцев-Зотов Сергей Владимирович член-корреспондент РАН, профессор, доктор физико-математических наук, зам. директора по научной работе ИАПУ ДВО РАН

Саранин Александр Александрович доктор физико-математических наук, заведующий отделом Технологий и измерений атомного масштаба ИОФ им. A.M. Прохорова РАН Ельцов Константин Николаевич Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится 26 декабря 2012 года, в 16— на заседании диссертационного совета Д 212.130.06 при НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31. тел. 8(499)323-95-26, 8(499)324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ. Автореферат разослан ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.П. Яковлев

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Физика систем с пониженной размерностью представляет собой одну из динамично развивающихся областей современной науки. Поиск новых возможностей и физических явлений, которые могли бы лечь в основу современных приборов и устройств поддерживают большой интерес к данной области. Весьма перспективными 2Б электронными системами являются поверхностные реконструкции на атомарно чистых гранях полупроводников, как с точки зрения создания на их основе различных нано-объектов (квантовые нити, квантовые точки), так и в плане изучения новых свойств электронного транспорта в данных объектах. Одним из ярких примеров поверхностных структур является реконструкция 81(111) — 7 х 7, образующаяся при прогреве образца кремния за счет процессов самоорганизации и стабильной в широком диапазоне температур. В частности, ряд свойств таких 2Б систем обусловлен электронными корреляциями, что может приводить к таким экзотическим эффектам как образование электронного вигнеровского кристалла, формирование на поверхности сверхструктур типа волны зарядовой или спиновой плотности, переход Мотта-Хаббарда металл-диэлектрик.

Настоящая работа посвящена исследованию свойств электронного транспорта в наиболее широко известной поверхностной реконструкции 81(111) — 7 х 7 в слаболегированных образцах кремния. Кремний по-прежнему является основным материалом современной электроники, и знание его свойств и, в частности, свойств поверхности необходимо для практического использования этого материала. В то же время в литературе существуют противоречивые данные о физических свойствах поверхности 81(111) — 7x7, что делает актуальным ее изучение. Существует также проблема связанная с ограниченностью ряда современных экспериментальных методик при работе на слаболегированных образцах кремния при низких температурах. Предложенные в

диссертации оригинальные методики решения этой актуальной задачи позволили получить новые результаты в данном направлении исследований.

Цель диссертационной работы. Целью работы является экспериментальное исследование электронного транспорта и туннельной плотности состояний поверхностной реконструкции Б^Ш) — 7х 7 на слаболегированных образцах кремния при низких температурах.

Научная новизна и практическая значимость.

В диссертации предложена и продемонстрирована оригинальная методика низкотемпературных измерений топографии поверхности и туннельной плотности состояний на слаболегированных образцах кремния методом СТМ и СТС, используя подсветку образца внешним источником света. Свет обеспечивает достаточную проводимость объема образца кремния, необходимую для работы методом СТМ при низких температурах. Так же, за счет эффекта поверхностной фото-ЭДС устраняется изгиб объемных зон вблизи поверхности, что позволяет проводить исследования исходных свойств поверхностных состояний в гораздо меньшей степени искаженных случайным потенциалом примесей и полем объемного заряда.

С помощью данной методики проведены измерения туннельных ВАХ на образцах 31(111) — 7 х 7 п- и р-типа с удельным сопротивлением р = 1 Псм. Обнаружено, что для реконструкции 31(111) -7x7 при Т = 5 К в плотности поверхностных состояний на уровне Ферми образуется энергетическая щель 2Д = 40 ± 10 мэВ одинаковая для образцов п- и р-типа. Впервые проведены измерения туннельной плотности поверхностных состояний в зависимости от температуры в диапазоне от 5К до 78К. Обнаружено, что энергетическая щель в плотности состояний реконструкции 81(111) — 7x7 постепенно раз-

мывается с ростом температуры и исчезает при Т > 40 К. Проведена оценка флуктуационного размытия энергетической щели, разделены вклады метода измерений и тепловых флуктуаций, присущих самой щели.

В диссертации описано разработанное СВВ устройство измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом на основе криогенера-тора замкнута цикла. Реализована малошумящая схема измерений, которая позволяет проводить измерения ВАХ при низких температурах, когда сопротивление образцов достигает 10 ГО. Впервые проведены измерения поверхностной проводимости реконструкции 81(111) — 7x7 четырехзондовым методом в ранее неизученном диапазоне температур от 35 К до 90 К. Обнаружено, что в данном диапазоне зависимость поверхностной проводимости от температуры имеет активационный характер с энергией активации е0 = 25 ± 2.5 мэВ для образцов кремния с р = 1 Псм.

Полученные экспериментальные результаты важны как для понимания фундаментальных транспортных свойств в 2Б электронных системах, таких как 31(111) — 7 х 7, так и в области практических применений, связанных с возможностью создания новых приборов, использующих свойства поверхностных реконструкций и различных нанообъектов, расположенных на поверхности полупроводников. Предложенная методика измерений с помощью дополнительной подсветки существенно расширяет диапазон параметров объектов, пригодных для экспериментальных исследований методами СТМ и СТС.

Достоверность. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается комплексным использованием хорошо известных, широко применяемых и доказавших свою надежность и достоверность экспериментальных приборов и методик физики поверхности; призианием полученных ре-

зультатов научной общественностью при обсуждениях на научных семинарах, конференциях, а также положительными рецензиями статей при публикациях результатов в научных журналах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработано СВВ устройство на основе криогенератора замкнутого цикла для измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом и ее зависимости от температуры. Проведены измерения четырехзондовым методом поверхностной проводимости реконструкции Б^Ш)— 7 х 7 в ранее неизученном диапазоне температур от 35К до 90К. Обнаружено, что в данном диапазоне зависимость поверхностной проводимости от температуры имеет активационный характер с энергией активации еа — 25 ± 2.5 мэВ для образцов кремния с р = 1 Псм.

2. Предложена и продемонстрирована методика измерений топографии поверхности методом СТМ и туннельной плотности состояний методом СТС на слаболегированных образцах кремния при температуре жидкого гелия с использованием внешней подсветки.

3. Проведены измерения туннельной плотности поверхностных состояний для образцов кремния п- и р-типа с р = 1 Псм. Обнаружена особенность на уровне Ферми в плотности поверхностных состояний реконструкции 31(111) — 7 х 7 в виде энергетической щели величиной 2Д = 40± 10 мэВ при температуре Т = 5К, одинаковой для слаболегированных образцов кремния п- и р-типа.

4. Проведены измерения туннельных спектров плотности поверхностных состояний реконструкции 8](111) — 7х7в зависимости от температуры образца в диапазоне от 5 К до 78 К. Обнаружено, что щель постепенно

размывается с ростом температуры и исчезает при Т > 40К. Проведена оценка флуктуационного размытия энергетической щели, разделены вклады метода измерений и тепловых флуктуаций, присущих самой щели.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях:

1. Международный симпозиум „Физика низкоразмерных систем", г. Ростов-на-Дону, 5-9 сентября 2008 г.

2. XV Международный симпозиум „Нанофизика и наноэлектроника", г. Нижний Новгород, 14 - 18 марта 2011 г.

3. 19th international symposium Nanostructures: Physics and Technology, r. Екатеринбург, 20 -25 июня 2011 г.

4. X Российская конференция по физике полупроводников, Нижний Новгород, 19-23 сентября 2011 г.

5. 2nd International school of surface science „Technologies and Measurements on Atomic Scale" SSS TMAS, г. Хоста(Сочи), 01-07 октября 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них 3 статьи опубликованы в журналах, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, в том числе 2 статьи в российских [1, 2] и 1 статья [3] в зарубежном журнале, и 3 статьи в сборниках трудов российских [4] и международных конференций [5, 6].

Личный вклад автора. В диссертации изложены экспериментальные результаты полученные автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор лично принимал участие в разработке СВВ устройства для измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом, занимался сборкой, отладкой, автоматизацией измерений данного устройства. Совместно с соавторами автор лично осуществлял постановку задачи исследований, определял методы их решения, разрабатывал методики измерений, разрабатывал и изготавливал СВВ оборудование и схемы измерений, необходимые для проведения исследований, проводил исследования, обрабатывал и анализировал экспериментальные данные, проводил численные расчеты, осуществлял написание научных статей, докладов и их подготовку к публикации. Все доклады на конференциях по материалам диссертации были сделаны лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций по теме диссертации и списка цитированной литературы. Работа изложена на 115 страницах, содержит 53 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 52 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения, описан личный вклад автора, приведен список печатных работ, в которых отражено основное содержание диссертации.

Первая глава состоит из трех разделов и посвящена вопросу изучения электронного транспорта в поверхностных структурах. В первом разделе дается краткое введение в основы методики измерения поверхностной проводимости, показана актуальность и современное состояние данной области науки, дается краткий обзор и сравнительный анализ исследовательских установок позволяющих проводить измерения такого рода, а так же представлены ключевые результаты полученные с помощью данного метода. Также представлены сведения об основных данных по электронным свойствам реконструкции 31(111) — 7x7, в том числе полученных из измерений поверхностной проводимости данной структуры. Указывается на несоответствие некоторых результатов полученных с помощью измерения поверхностной проводимости, в одних работах поверхность металлическая, с точки зрения проводимости (йа/йТ < 0) [1], в других она диэлектрическая [2]. Более того, разброс результатов измерений полученных разными экспериментальными группами для величины проводимости составляет три порядка [1-4].

На основании приведенного анализа литературных данных, формулируются задача о необходимости проведения дополнительных исследовании поверхностной проводимости реконструкции 81(111) — 7x7. Для решения этой задачи необходимо разработать устройство для измерения проводимости, сопряженное со СВВ камерой и возможностью проводить измерения в широком диапазоне температур.

Во втором разделе ведется подробное описание разработанной в рамках данной диссертационной работы СВВ устройство для измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом на основе криогенератора замкнутого цикла. Подробно описаны все основные узлы и технологии использованные в создании данной исследовательской установки: система позиционирования и подвода зондов к поверхности образца, система охлаждения и измерения температуры, электрометрическая схема измерений и сбора данных,

СВВ часть и сопряжение устройства с основной камерой, оснащенной СТМ, системой подготовки и создания различных поверхностных структур. Приведены основные характеристики и преимущества разработанного устройства.

В третьем разделе данной главы идет речь о подготовительных этапах к электрометрическим измерениям таких как: подготовка образца кремния с реконструкцией 81(111) — 7 х 7, подготовка четырехконтактных микрозондов, используемых для измерений. Методически рассмотрены все этапы подготовительной работы.

Вторая глава непосредственно посвящена измерению проводимости поверхности реконструкции 31(111) — 7x7. Подробна описана методика проведения измерений, процесс сбора и обработки данных. Демонстрируется результаты измерений ВАХ при температуре Т = 35 К на образце кремния с сопротивлением порядка Ю10 П, рабочие токи составляют десятки пикоам-пер.

Во втором разделе проводится оценка влияния вклада объемной проводимости в результаты измерений. Показано, что эффективным методом уменьшения вклада объема, помимо уменьшения расстояния между зондами [5], является использование слаболегированных образцов и проведение измерений при низких температурах. В этом случае проводимость объема при низких температурах вымерзает и измеряется проводимость поверхности. Показано, что вклад объемной проводимости при данных параметрах эксперимента и температуре ниже 200 К как минимум на два порядка ниже проводимости поверхности.

В третьем разделе представлены основные результаты измерении на образах кремния п- и р-типа с удельным сопротивлением р = 0.3 Псм и р = 1 Псм. Из полученных результатов измерений следует, что проводимость поверхности 31(111) — 7 х 7 не соответствует металлическому типу, зависимость

а ь

ю

"Ч

ю

0.005 0.01

0.015 0.02 1Я (1/К)

0.025 0.03

Рис. 1. Данные зависимости поверхностной проводимости Si (111) — 7 х 7 от температуры для образцов n-типа с р = 1 Псм. Разным цветом отмечены результаты измерении выполненные разными микрозондами на разных образцах. Зависимость проводимости имеет активационный характер с энергией активации с„ = 25.8 мэВ (Т = 300 К).

проводимости имеет активационный характера ос сгоехр(—в диапазоне температур от 35 К до 100 К, с энергией активации еа = 25 ± 2.5 мэВ.

В заключении представлен анализ результатов измерений полученных в работе и их сравнение с данными опубликованными в литературе. Показано, что удалось значительно расширить диапазон измерений поверхностной проводимости в область низких температур, причем для образцов п-типа результаты хорошо согласуются с данными полученными в области температур Т > 100 К в работе [2]. В случае образцов/>-типа, есть расхождения в результатах с данными полученными в работе [1].

Третья глава посвящена исследованию электрофизических свойств реконструкции 31(111) — 7 х 7 методом сканирующей туннельной спектроскопии и микроскопии при низких температурах. В первой части данной главы дается краткое введение в основы сканирующей туннельной спектроскопии, описана

экспериментальная установка и дается подробное описание методики измерений и обработки результатов, подготовки зондов СТМ и способы проверки достоверности результатов.

В разделе 3.1 приводится обзор полученных ранее результатов с помощью СТС для реконструкции 31(111) -7x7 при комнатной и при низких температурах. Так, при Т = 5 К в плотности поверхностных состояний реконструкции 31(111) - 7 х 7 на уровне Ферми наблюдается энергетическая щель [6, 7], которая отсутствует при комнатной температуре [8], причем величина энергетической щели в разных работах варьируется от 1 эВ [6] до 70 мэВ [7]. Одной из причин разброса результатов для величины энергетической щели, указывается возможное влияние легирования объема на свойства изучаемой поверхности. Приводится численная оценка, из которой следует, что для типично используемых образцов кремния в низкотемпературных исследованиях свойств 81(111) - 7 х 7 методами СТМ и СТС с р ~ 0,001 Г2см, изменение поверхностной плотности свободных носителей заряда, вследствие изгиба зон объема вблизи поверхности, составляет около 40% от начальной величины. Для слаболегированных образцов кремния с р = 1 Псм этот эффект составляет менее 1%.

На основании сделанных утверждений, ставится задача о проведении исследовании электрофизических свойств реконструкции 81(111) — 7x7 при низких температурах на слаболегировапных образцах кремния, с целью исключить влияние легирования объема на свойства данной поверхности.

Для решения поставленной задачи, в разделе 3.4 предлагается использовать внешнее освещение образца кремния источником света, с энергией фотона больше величины объемной запрещенной зоны. Свет обеспечивает фотопроводимость в объеме и позволяет проводить измерения при низких температурах на слаболегированных образцах кремния, не проводящих в данном диапазоне температур. Демонстрируется практическое применение данного

Рис. 2. СТМ изображение участка поверхности с реконструкцией Si (111)—7x7, полученной на образце р-типа с р = 1 Псм при Т = 5 К. Свет включен в нижней и верхней части изображения, в центральной части свет выключен. Параметры сканирования lt = 100 пА, Ut = 2 В.

метода, представлены СТМ изображения топографии поверхности полученные при Т = 5 на образцах с р = 1 Псм при внешнем освещении и отсутствие изображения при выключенном освещении (рис. 3).

Детально описана методика проведения измерений с использованием внешнего освещения образца. Показано, что при внешней подсветке образца возникает эффект поверхностной фото-ЭДС, который приводит к разгибанию объемных зон вблизи поверхности и восстанавливает начальную концентрацию свободных носителей зарядов на поверхности. Этот эффект приводит к сдвигу нуля в данных измерений туннельных ВАХ. Приведены оценки для максимального значения сдвига за счет эффекта поверхностной фото-ЭДС при полном распрямлении объемных зон, они составляют 0.6 В для образцов р-типа легированных бором, и —0.4 В для образцов 7г-типа легированных фосфором. Показано что результаты измерений полностью совпадают с теоретическими оценками.

В разделе 3.5 приводится еще один способ позволяющий проводить из-

-1 -0.5 0 0.5 1 V(V)

Рис. 3. Данные dl/dV чистой реконструкции Si(lll) — 7 х 7 в области тени, окруженной напыленным контактом в виде пленки In, полученные при включенном освещении образца. Образец кремния р-типа с р = 1 Нем, температура Т = 5 К. Наблюдается энергетическая щель в плотности поверхностных состояний при V = 0 В. Сдвиг данных за счет эффекта поверхностной фото-ЭДС практически отсутствует.

мерения на слаболегированных образцах при низких температурах. Суть его заключается в создании металлического контакта непосредственно к объекту исследований (поверхности Si(lll) — 7x7), путем напыления проводящей пленки in situ. При этом зонд СТМ подведен к поверхности на расстояние порядка 10 нм и используется в качестве маски. В тени от зонда остается чистая поверхность, окруженная металлической пленкой, которая на границе формирует контакт к поверхности. Показано, что данный метод позволяет проводить измерения без использования внешнего освещения образца, а при включенном внешнем освещении, эффекта поверхностной фото-ЭДС не наблюдается.

В конце главы приводятся основные результаты измерений. Обнаружено, что при Т = 5 К в данных туннельной плотности поверхностных состояний на уровне Ферми наблюдается энергетическая щель, величина щели для

Рис. 4. Нормализованные данные <11/¿V полученные путем численного дифференцирования туннельных ВАХ, измеренных на образцах 31(111) — 7 х 7 п- и р-типа с р = 1 Псм при Т = 5К и при внешнем освещении образца. Для наглядности из результатов измерений вычтен сдвиг напряжения от вклада эффекта поверхностной фото-ЭДС. Величина энергетической щели в плотности поверхностных состояний для образцов п- и р-типов составляет 2Д = 40 ± 10 мэВ.

образцов кремния тг- и р-типов одинакова и составляет 2Д = 40 ± 10 мэВ (рис. 4). Также приводятся результаты измерений при разных расстояниях между зондом СТМ и поверхностью. Показано, что в случае освещения образца кремния внешним источником света, сопротивление объема значительно меньше сопротивления туннельного промежутка, и это не приводит в увеличению величины энергетической щели при уменьшении расстояния между зондом и поверхностью [7]. Представлены результаты измерений туннельной плотности состояний при температуре жидкого азота. Из полученных данных видно, что энергетическая щель в плотности поверхностных состояний на уровне Ферми при Т = 78 К исчезает.

Четвертая глава представляет результаты исследования температурной зависимости туннельной плотности состояний реконструкции 81(111) —7 х 7. В первом разделе представлены результаты измерений туннельной плотности

г о.1 о

Рис. 5. Набор данных <11 (ЛУ измеренных методом СТС для реконструкции 31(111) — 7x7 на образцах тг-типа при различных температурах образца.

У-У. (теУ)

поверхностных состояний измеренных в диапазоне температур от 5 К до 45 К методом СТС. Показано, что энергетическая щель в плотности состояний с повышением температуры постепенно замывается и исчезает при Т да 40 К, выше которой в данных <11 /(IV на уровне Ферми имеется ненулевая плотность состояний (рис. 5). Явных свидетельств наличия фазового перехода металл-диэлектрик при температуре Г да 20 К, о котором имеются указания в работе [7], из данных измерений туннельных В АХ не наблюдается.

Во втором разделе данной главы приводится оценка вклада тепловых флуктуаций, влияющих на приборное разрешение метода СТС и, как следствие, на результаты измерений, что в свою очередь может приводить к наблюдаемому размытию щели. Получено теоретическое выражение описывающее тепловое размытие данных туннельных ВАХ

е 1

* М£)]

7 « Т , (1)

где ' означает производную по напряжению. Описана процедура вычисления величины —^-у из экспериментальных данных, и показано (рис. 6) что

-п-1уре

-р-1уре

5" 150

о! 50

| 100

2, "с'

0,

30 40 50

0

10 20

т (К)

Рис. 6. График зависимости величины т—вычисленной из данных туннельных ВАХ

* Нзг>]

вблизи краев энергетической щели в поверхностной плотности состояний для образцов пи р-типа с р = 1 12см. Прерывистая линия описывает вид теоретической кривой полученной по формуле (1), наклон кривой аппроксимирующей экспериментальные данные в 2.5 больше.

данная величина флуктуации действительно линейно зависит от температуры, однако коэффициент пропорциональности не единица, а примерно в два с половиной раза больше предсказанного формулой (1). При этом зависимость хорошо повторяется на образцах п- и р-типа. Кроме того, при нулевой температуре наблюдается конечная величина флуктуаций величиной ~ 40 К.

В третьем разделе приводится анализ возможных сценариев образования энергетической щели в плотности поверхностных состояний реконструкции 81(111) — 7x7 при низких температурах основываясь на полученных в диссертации результатах и данных опубликованных в литературе.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Для проведения исследований свойств электронного транспорта в поверхностных структурах разработано СВВ устройство на основе крио-

генератора замкнутого цикла. Устройство позволяет проводить измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом и ее зависимости от температуры. Основные характеристики: температурный диапазон измерений 35 К до 300 К, сопротивление образцов до 10 ГП, использование микрозондов любой геометрии.

2. С помощью данного устройства проведены измерения четырехзондовым методом поверхностной проводимости реконструкции 81(111)—7x7 в ранее неизученном диапазоне температур от 35 К до 90 К. Обнаружено, что в данном диапазоне зависимость поверхностной проводимости от температуры имеет активационный характер с энергией активации еа = 25±2.5 мэВ для образцов кремния п-типа с р — 1 Г2см, р = 0.3 Г2см и образцов р-типа с р = 1 Г2см.

3. Предложена и продемонстрирована методика измерений топографии поверхности методом СТМ и туннельной плотности состояний методом СТС на слаболегированных образцах кремния при температуре жидкого гелия с использованием внешнего освещения образца источников света.

4. Проведены измерения туннельной плотности поверхностных состояний для образцов кремния п- и р-типа с р = 1 Псм. Обнаружена особенность на уровне Ферми в плотности поверхностных состояний реконструкции 31(111) — 7 х 7 в виде энергетической щели величиной 2Д = 40 ± 10 мэВ при температуре Т = 5К, одинаковой для слаболегированных образцов кремния п- и р-типа.

5. Проведены измерения туннельных спектров плотности поверхностных состояний реконструкции 31(111) — 7 х 7 в зависимости от температуры образца в диапазоне от 5 К до 78 К. Обнаружено, что щель постепенно

размывается с ростом температуры и исчезает при Т > 40К. Проведена оценка флуктуационного размытия энергетической щели, разделены вклады метода измерений и тепловых флуктуаций, присущих самой щели.

Список публикаций

[1] А.Б. Одобеско, Б.А. Логинов, В.Б. Логинов, В.Ф. Насретдинова, С.В. Зайцев-Зотов. Сверхвысоковакуумное устройство для измерения проводимости поверхностных структур четырехконтактным методом на основе рефрижератора замкнутого цикла // Приб. и техн. эксп. — 2010. — №3.

- С. 152-158.

[2] А.Б. Одобеску, А.А. Рогозин, С.В. Зайцев-Зотов. Температурные зависимости проводимости и туннельной плотности состояний поверхностной реконструкции Si(lll) — 7 х 7 в слаболегированных образцах кремния // Журнал Радиоэлектроники (электронный журнал) — 2012. N9 http://jre.cplire.ru/jre/sepl2/4/text.pdf

[3] A.B. Odobescu and S.V. Zaitsev-Zotov. Energy gap revealed by low-temperature scanning-tunnelling spectroscopy of Si(lll) — 7x7 surface in illuminated slightly-doped crystals // J. Phys.: Condens. Matter — 2012. — V. 24. - P. 395003.

[4] А.Б. Одобеску, С.В. Зайцев-Зотов. Влияние одноэлектронного туннели-рования на спектр СТС на примере поверхности кремния Si(lll) — 7x7 // X Российская конференция по физике полупроводников, сб. науч. тр.

- Н. Нов., 2011. - Т. 1. - С. 31.

[5] А. Б. Одобеско, В. Ф. Насретдинова, С. В. Зайцев-Зотов, Б. А. Логинов, В. Б. Логинов. Сверхвысоковакуумная система измерения проводимости на основе рефрижератора замкнутого цикла // Международный симпозиум „Физика низкоразмерных систем", сб. науч. тр. — Ростов-на-Дону, 2008. - С. 229-231.

[6] А. Б. Одобеско, С.В. Зайцев-Зотов. Низкотемпературная туннельная

спектроскопия энергетической структуры поверхности Si(lll) — 7x7 слаболегированного кремния // XV Международный симпозиум „Нанофизи-ка и наноэлектроника", сб. науч. тр. — Н. Нов., 2011. — Т. 2. — С. 570-571.

Цитированная литература

[1] J.W. Wells, J.F. Kallehauge, Т.М. Hansen, and Ph. Hofmann Disentangling Surface, Bulk, and Space-Charge-Layer Conductivity in Si(lll) -7x7// Phys. Rev. Lett. - 2006. - V. 97. - P. 206803.

[2] T. Tanikawa, K. Yoo, I. Matsuda, S. Hasegawa. Nonmetallic transport property of the Si(lll) -7x7 surface // Phys. Rev. В - 2003. - V. 68. -P. 113303.

[3] K. Yoo and H.H. Weitering. Electrical conductance of reconstructed silicon surfaces // Phys. Rev. В - 2002. - V. 65. - P. 115424.

[4] M. D'angelo, K. Takase, N. Miyata, T. Hirahara, S. Hasegawa, A. Nishide, M. Ogawa, I. Matsuda. Conductivity of the Si(lll) -7x7 dangling-bond state // Phys. Rev. В - 2009. - V. 79. - P. 035318.

[5] К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, M. Катаяма Введение в физику поверхности. — М. : НАУКА, 2006. - 318 с.

[6] ./. Myslivecek, A. Strozecka, J. Steffi, P. Sobotik, I. Ostadal, B. Voigtlander. Structure of the adatom electron band of the Si(lll) -7x7 surface // Phys. Rev. В - 2006. - V. 73. - P. 161302.

[7] S. Modesti, H. Gutzmann, J. Wiebe, R. Wiesendanger. Correction of systematic errors in scanning tunneling spectra on semiconductor surfaces: The energy gap of Si(lll) - 7 x 7 at 0.3 К // Phys. Rev. В - 2009. - V. 80 - P. 125326.

[8] R.J. Hamers, R.M. Tromp, J.E. Demuth. Surface Electronic Structure of Si(lll) -7x7 Resolved in Real Space // Phys. Rev. Lett. -1986. - V. 56. - R 1972.

Подписано в печать:

21.11.2012

Заказ № 7897 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www. autoreferat. ru

Введение

Глава 1. СВВ устройство для измерения поверхностной проводимости

1.1. Поверхностная проводимость. Общие сведения.

1.2. Описание устройства.

1.3. Подготовка к электрометрическим измерениям.

Глава 2. Измерение поверхностной проводимости реконструкции 81(111) -7x7.

2.1. Экспериментальная часть и результаты измерений.

2.2. Влияние вклада объема в общую проводимость.

2.3. Обсуждение результатов.

Глава 3. Сканирующая туннельная спектроскопия реконструкции 81(111) - 7 х 7.

3.1. Общие сведения. Постановка задачи.

3.2. Экспериментальная установка.

3.3. Подготовка и характеристика зондов СТМ.

3.4. Метод внешнего освещения образца.

3.5. Метод напыления контактов к поверхности

3.6. Основные результаты измерений.

Глава 4. Измерение температурной зависимости туннельной плотности состояний реконструкции 81(111) — 7 х 7.

4.1. Результаты измерений.

4.2. Вклад тепловых флуктуации в результаты измерений

4.3. Обсуждение результатов.

Актуальность работы. Физика систем с пониженной размерностью представляет собой одну из динамично развивающихся областей современной науки. Поиск новых возможностей и физических явлений, которые могли бы лечь в основу современных приборов и устройств поддерживают большой интерес к данной области. Весьма перспективными 2В электронными системами являются поверхностные реконструкции на атомарно чистых гранях полупроводников, как с точки зрения создания на их основе различных нано-объектов (квантовые нити, квантовые точки), так и в плане изучения новых свойств электронного транспорта в данных объектах. Одним из ярких примеров поверхностных структур является реконструкция 81(111) — 7 х 7, образующаяся при прогреве образца кремния за счет процессов самоорганизации и стабильной в широком диапазоне температур. В частности, ряд свойств таких 20 систем обусловлен электронными корреляциями, что может приводить к таким экзотическим эффектам как образование электронного вигнеровского кристалла, формирование на поверхности сверхструктур типа волны зарядовой или спиновой плотности, переход Мотта-Хаббарда металл-диэлектрик.

Настоящая работа посвящена исследованию свойств электронного транспорта в наиболее широко известной поверхностной реконструкции 81(111) — 7 х 7 в слаболегированных образцах кремния. Кремний по-прежнему является основным материалом современной электроники, и знание его свойств и, в частности, свойств поверхности необходимо для практического использования этого материала. В то же время в литературе существуют противоречивые данные о физических свойствах поверхности 81(111) — 7 х 7, что делает актуальным ее изучение. Существует также проблема связанная с ограниченностью ряда современных экспериментальных методик при работе на слаболегированных образцах кремния при низких температурах. Предложенные в диссертации оригинальные методики решения этой актуальной задачи позволили получить новые результаты в данном направлении исследований.

Цель диссертационной работы. Целью работы является экспериментальное исследование электронного транспорта и туннельной плотности состояний поверхностной реконструкции 81(111) —7x7 на слаболегированных образцах кремния при низких температурах.

Научная новизна и практическая значимость. Применение экспериментальных методик физики поверхности (таких как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и спектроскопия (СТС), ультрафиолетовая электронная спектроскопия (УФЭС) и пр.) ограничено необходимостью проводить измерения на проводящих образах. Это ограничение связанно с эффектами зарядки поверхности на слабо проводящих образцах. Особенно существенной данная проблема оказывается при низкотемпературных измерениях, при которых проводимость полупроводников оказывается явно недостаточной для подобных методов исследований. Следствием является необходимость использования для низкотемпературных измерений сильно легированных образцов, что может приводить к существенному изменению свойств изучаемого объекта, в частности изменению концентрации свободных носителей заряда на поверхности, а так же влиянию случайного потенциала примесей, расположенных вблизи поверхности.

В диссертации показано, что для типично используемых в низкотемпературных исследованиях методами СТМ образцов кремния 81(111) — 7 х 7 с р ~ 0, 001 Г2см, изменение поверхностной плотности носителей заряда, вследствие изгиба зон объема и формирования области пространственного заряда вблизи поверхности, составляет около 40%, что может приводить к существенному разбросу результатов, полученных на образцах с разным уровнем легирования. Поэтому возможность проводить исследования при низких температурах на слаболегированных образцах кремния, с целью исключить влияние вышеперечисленных эффектов, для данной поверхности крайне важно. В диссертации предложена и продемонстрирована оригинальная методика низкотемпературных измерений топографии поверхности и туннельной плотности состояний на слаболегированных образцах кремния методом СТМ и СТС, используя подсветку образца внешним источником света. Свет обеспечивает достаточную проводимость объема образца кремния, необходимую для работы методом СТМ при низких температурах. Так же, за счет эффекта поверхностной фото-ЭДС устраняется изгиб объемных зон вблизи поверхности, что позволяет проводить исследования исходных свойств поверхностных состояний в гораздо меньшей степени искаженных случайным потенциалом примесей и полем объемного заряда.

С помощью данной методики проведены измерения туннельных ВАХ на образцах 81(111) — 7 х 7 п- и р-типа с удельным сопротивлением р = 1 Осм. Обнаружено, что для реконструкции 81(111) — 7x7 при Т = 5Кв плотности поверхностных состояний на уровне Ферми образуется энергетическая щель 2Д = 40 ± 10 мэВ одинаковая для образцов п- и р-типа. Впервые проведены измерения туннельной плотности поверхностных состояний в зависимости от температуры в диапазоне от 5К до 78К. Обнаружено, что энергетическая щель в плотности состояний реконструкции 81(111) — 7 х 7 постепенно размывается с ростом температуры и исчезает при Т > 40 К. Проведена оценка флуктуационного размытия энергетической щели, разделены вклады метода измерений и тепловых флуктуаций, присущих самой щели.

В диссертации описано разработанное СВВ устройство измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом на основе криогенера-тора замкнута цикла. Реализована малошумящая схема измерений, которая позволяет проводить измерения ВАХ при низких температурах, когда сопротивление образцов достигает 10 ГО. Впервые проведены измерения поверхностной проводимости реконструкции 81(111) — 7x7 четырехзондовым методом в ранее неизученном диапазоне температур от 35 К до 90 К. Обнаружено, что в данном диапазоне зависимость поверхностной проводимости от температуры имеет активационный характер с энергией активации еа = 25 мэВ для образцов кремния с р — 1 Осм.

Полученные экспериментальные результаты важны как для понимания фундаментальных транспортных свойств в 20 электронных системах, таких как 81(111) — 7 х 7, так и в области практических применений, связанных с возможностью создания новых приборов, использующих свойства поверхностных реконструкций и различных нанообъектов, расположенных на поверхности полупроводников. Предложенная методика измерений с помощью дополнительной подсветки существенно расширяет диапазон параметров объектов, пригодных для экспериментальных исследований методами СТМ и СТС.

Достоверность. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается комплексным использованием хорошо известных, широко применяемых и доказавших свою надежность и достоверность экспериментальных приборов и методик физики поверхности; признанием полученных результатов научной общественностью при обсуждениях на научных семинарах, конференциях, а также положительными рецензиями статей при публикациях результатов в научных журналах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработано СВВ устройство на основе криогенератора замкнутого цикУ ла для измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом и ее зависимости от температуры. Проведены измерения четырехзондовым методом поверхностной проводимости реконструкции 81(111) — 7 х 7 в ранее неизученном диапазоне температур от 35К до 90К. Обнаружено, что в данном диапазоне зависимость поверхностной проводимости от температуры имеет активационный характер с энергией активации еа = 25 =Ь 2.5 мэВ для образцов кремния с р — 1 Осм.

2. Предложена и продемонстрирована методика измерений топографии поверхности методом СТМ и туннельной плотности состояний методом СТС на слаболегированных образцах кремния при температуре жидкого гелия с использованием внешней подсветки.

3. Проведены измерения туннельной плотности поверхностных состояний для образцов кремния п- и р-типа с р = 1 Г2см. Обнаружена особенность на уровне Ферми в плотности поверхностных состояний реконструкции 81(111) — 7 х 7 в виде энергетической щели величиной 2А = 40 ± 10 мэВ при температуре Т = 5К, одинаковой для слаболегированных образцов кремния п- и р-типа.

4. Проведены измерения туннельных спектров плотности поверхностных состояний реконструкции 81(111) — 7х7в зависимости от температуры образца в диапазоне от 5 К до 78 К. Обнаружено, что щель постепенно размывается с ростом температуры и исчезает при Т > 40К. Проведена оценка флуктуационного размытия энергетической щели, разделены вклады метода измерений и тепловых флуктуаций, присущих самой щели.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях:

1. Международный симпозиум „Физика низкоразмерных систем", г. Ростов-на-Дону, 5-9 сентября 2008 г.

2. XV Международный симпозиум „Нанофизика и наноэлектроника", г. Нижний Новгород, 14 - 18 марта 2011 г.

3. 19th international symposium Nanostructures: Physics and Technology, r. Екатеринбург, 20 -25 июня 2011 г.

4. X Российская конференция по физике полупроводников, Нижний Новгород, 19-23 сентября 2011 г.

5. 2nd International school of surface science „Technologies and Measurements on Atomic Scale" SSS TMAS, г. Хоста(Сочи), 01-07 октября 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них 3 статьи опубликованы в журналах, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, в том числе 2 статьи в российских [1, 3] и 1 статья [2] в зарубежном журнале, и 3 статьи в сборниках трудов российских и международных конференций.

Личный вклад автора. В диссертации изложены экспериментальные результаты полученные автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор лично принимал участие в разработке СВВ устройства для измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом, занимался сборкой, отладкой, автоматизацией измерений данного устройства. Совместно с соавторами автор лично осуществлял постановку задачи исследований, определял методы их решения, разрабатывал методики измерений, разрабатывал и изготавливал СВВ оборудование и схемы измерений, необходимые для проведения исследований, проводил исследования, обрабатывал и анализировал экспериментальные данные, проводил численные расчеты, осуществлял написание научных статей, докладов и их подготовку к публикации. Все доклады на конференциях по материалам диссертации были сделаны лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций по теме диссертации и списка цитированной литературы. Работа изложена на 115 страницах, содержит 53 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 52 наименований.

Заключение

В качестве заключения приводятся основные результаты, полученные в диссертации

1. Разработано СВВ устройство на основе криогенератора замкнутого цикла для измерения поверхностной проводимости четырехзондовым методом и ее зависимости от температуры. Устройство позволяет проводить измерения поверхностной проводимости в диапазоне температур от 35 К до 300 К, и работать с высокоомными образцами с сопротивлениями до 10 га

2. С помощью данного устройства проведены измерения четырехзондовым методом поверхностной проводимости реконструкции 81(111) —7x7 в ранее неизученном диапазоне температур от 35 К до 90 К. Обнаружено, что в данном диапазоне зависимость поверхностной проводимости от температуры имеет активационный характер с энергией активации е0 = 25 ± 2.5 мэВ для образцов кремния с р = 1 Осм.

3. Предложена и продемонстрирована методика измерений топографии поверхности методом СТМ и туннельной плотности состояний методом СТС на слаболегированных образцах кремния при температуре жидкого гелия с использованием внешнего освещения образца источников света.

4. Проведены измерения туннельной плотности поверхностных состояний для образцов кремния п- и р-типа с р = 1 Осм. Обнаружена особенность на уровне Ферми в плотности поверхностных состояний реконструкции 81(111) — 7 х 7 в виде энергетической щели величиной 2А = 40 ± 10 мэВ при температуре Т = 5К, одинаковой для слаболегированных образцов кремния п- и р-типа.

5. Проведены измерения туннельных спектров плотности поверхностных состояний реконструкции 81(111) — 7 х 7 в зависимости от температуры образца в диапазоне от 5 К до 78 К. Обнаружено, что щель постепенно размывается с ростом температуры и исчезает при Т > 40К. Проведена оценка флуктуационного размытия энергетической щели, разделены вклады метода измерений и тепловых флуктуаций, присущих самой щели.

Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность своему научному руководителю C.B. Зайцеву-Зотову за научное руководство, неоценимую помощь и постоянное внимание к работе, а также коллегам В.И. Покалякину, И.Н. Дюжикову, Б.А. Логинову, В.Ф. Насретдиновой, Н.И. Федотову, A.A. Рогозину за совместную работу и помощь в проведении и подготовки данной работы. Автор отдельно благодарен научной группе лаборатории сканирующей зондовой микроскопии Института общей физики им.А.М. Прохорова РАН, ее руководителю К.Н. Ельцову, В.М. Шевлюге и А.Н. Климову, за увлекательное введение в физику поверхности твердого тела, СВВ технологии и зондовую туннельную микроскопию, а так же регулярную помощь в разработке СВВ оборудования.

1. А.Б. Одобеско, Б.А. Логинов, В.Б. Логинов, В.Ф. Насретдинова, С.В. Зайцев-Зотов, Приборы и техника эксперимента, №3 стр. 152-158 (2010)

2. А.В. Odobescu and S.V. Zaitsev-Zotov, J. Phys.: Condens. Matter 24, 395003 (2012)

3. А.Б. Одобеску, А.А. Рогозин, С.В. Зайцев-Зотов, Журнал Радиоэлектроники (электронный журнал), N9 (2012) http://jre.cplire.ru/jre/ sepl2/4/text.pdf4. http://www.capres.com

4. Л.В. Павлов, Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов Москва, ВЫСШАЯ ШКОЛА, 1975

5. I. Shiraki, F. Tanabe, R. Hobara, Т. Nagao, and S. Hasegawa, Surf. Sci 493, 633 (2001)

6. T. Tanikawa, K. Yoo, I. Matsuda, S. Hasegawa, Phys. Rev. В 68, 113303 (2003)

7. J.W. Wells, J.F. Kallehauge, T.M. Hansen, and Ph. Hofmann, Phys. Rev. Lett. 97, 206803 (2006)

8. В.Ф. Гантмахер, Электроны в неупорядоченных средах Москва, ФИЗ-МАТЛИТ, 2005

9. J. Kraft, M.G. Ramsey, and F.P. Netzer, Phys. Rev. В 55, 5384 (1997).

10. S. Yamazaki, Y. Hosomura. I. Matsuda, R. Hobara, T. Eguchi, Y. Hasegawa, and S. Hasegawa, Phys. Rev. Lett. 106, 116802 (2011)

11. T. Tanikawa, I. Matsuda, T. Kanagawa, and S. Hasegawa, Phys. Rev. Lett. 93, 016801 (2004)

12. M. Yamada, T. Hirahara, S. Hasegawa, Phys. Rev. Lett., submitted (2012)

13. I. Shiraki, F. Tanabe, R. Hobara, T. Nagao, S. Hasegawa, Surf. Sci. 493, 633 (2001)

14. R. Hobara, N. Nagamura, S. Hasegawa, I. Matsuda, Y. Yamamoto, Y. Miyatake, T. Nagamura, Rev. Sci. Instrum. 78, 053705 (2007)16. http://omicron.de/nanoprobe/

15. R. Losio, K.N. Altmann, A. Kirakosian, J.-L. Lin, D.Y. Petrovykh, and F.J. Himpsel, Phys. Rev. Lett. 86, 4632 (2001)

16. I. Barke, F. Zheng, A.R. Konicek, R.C. Hatch, and F.J. Himpsel, Phys. Rev. Lett. 96, 216801 (2006)

17. J. Ortega, F. Flores, and A.L. Yeyati, Phys. Rev. B 58, 4584 (1998)

18. R. Schillinger, C. Bromberger, H.J. Jansch, H. Kleine, O. Kuhlert, C. Weindel, D. Fick, Phys. Rev. B 72, 115314 (2005)

19. M. D'angelo, K. Takase, N. Miyata, T. Hirahara, S. Hasegawa, A. Nishide, M. Ogawa, I. Matsuda, Phys. Rev. B 79, 035318 (2009)

20. J.E. Demuth, B.N.J. Person, A.J. Schell-Sorokin, Phys. Rev. Lett., 51, 2214 (1983)

21. M. Smeu, H. Guo, W. Ji, R.A. Wolkow, Phys. Rev. B 85, 195315 (2012)

22. K. Yoo and H.H. Weitering, Phys. Rev. B 65, 115424 (2002)25| S. Hasegawa and S. Ino, Phys. Rev. Lett. 68, 1192 (2006)

23. S. Heike, S. Watanabe, Y. Wada, and T. Hashizume, Phys. Rev. Lett. 81, 890 (1998)

24. L. Petersen, P.T. Sprunger, Ph. Hofmann, E. Lagsgaard, B.G. Briner, M. Doering, H.-P. Rust, A.M. Bradshaw, F. Besenbacher, E.W. Plummer, Phys. Rev. В 57, 6858 (1998)

25. N.D. Lang, Phys. Rev. В 34, 5947 (1986)

26. E. Вольф, Принципы электронной туннельной спектроскопии Киев, Наукова Думка, 1990

27. R.J. Hamers and D.F. Padowitz, Methods of Tunneling Spectroscopy with the STM New York: Wiley-VCH, Inc., 2001

28. J. Myslivecek, A. Strozecka, J. Steffi, P. Sobotik, I. Ostadal, B. Voigtlander, Phys. Rev. В 73, 161302 (2006)

29. S. Modesti, H. Gutzmann, J. Wiebe, R. Wiesendanger, Phys. Rev. В 80, 125326 (2009)

30. Y.C. Liao, C.K. Yang, T.L. Wu, I.S. Hwang, M.K. Wu, C.C. Chi, Phys. Rev. В 81, 195435 (2010)

31. К. Оура, В.Г. Лифшиц, A.A. Саранин, A.B. Зотов, М. Катаяма, Введение в физику поверхности Москва, НАУКА, 2006

32. F.J. Himpsel, G. Hollinger, R.A. Pollak, Phys. Rev. В 28, 7014 (1983)

33. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов. Книга 1 Москва, МИР, 1984, стр. 3837. http://www.omicron.de/en/products/low-temperature-spm/ instrument-concept38. http://www.omicron.de/en/products/efm-3-/instrument-concept

34. В.JI. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников, Физика полупроводников -Москва, НАУКА, 1990, стр. 370

35. S.W. Jones, Properties of Silicon 1С Knowledge LLC, 2008

36. S. Ernst, S. Wirth, M. Rams, V. Dolocan, F. Steglich, Sei. Technol. Adv. Mater. 8, 347 (2007)42. http: //sigmascan. ru/index.php/ru/

37. C. Brun, K.H. Muller, I.P. Hong, F. Patthey, C. Flindt3, W.D. Schneider, Phys. Rev. Lett. 108, 126802 (2012)

38. А.Я. Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков, Физика низкоразмерных систем Санкт-Петербург, НАУКА, 2001

39. S. Grefstrom, J. Appl. Phys. 91, 1717 (2002)

40. M. McEllistrem, G. Haase, D. Chen, and R. J. Hamers, Phys. Rev. Lett. 70, 2471 (1993)

41. R.J. Hamers and K. Markert, Phys. Rev. Lett. 64, 1051 (1990)

42. G. Santoro, S. Scandolo, E. Tossati, Phys. Rev. В 59, 1891 (1999)

43. R. Wolkow, Ph. Avorius, Phys. Rev. Lett. 60, 1049 (1988)

44. R.J. Hamers, R.M. Tromp, J.E. Demuth, Phys. Rev. Lett., 56, 1972 (1986)

45. G.Binnig, H. Rohrer, Ch. Gebber, E. Weibel, Phys. Rev. Lett., 50, 120 (1983)

46. A. Muramatsu, W. Hanke, Phys. Rev. B, 27, 2609 (1983)