Формирование и свойства наногетероструктур на основе кремния и дисилицида железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ
|
Чусовитин, Евгений Анатольевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Владивосток
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2009
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.10
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Чусовитин Евгений Анатольевич
Формирование и свойства наногетероструктур на основе кремния и дисилицида железа
01.04.10 - Физика полупроводников
I Ч/Ш / ч;9
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Владивосток 2009
Работа выполнена в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН.
Научный руководитель:
Научный консультант:
доктор физико-математических наук, профессор Галкин Николай Геннадьевич доктор физико-математических наук Баязитов Рустам Махмудович
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
доктор физико-математических наук Плюснин Николай Иннокентьевич кандидат физико-математических наук, доцент Пустовалов Евгений Владиславович
Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения РАН, г. Хабаровск
Защита состоится 3 ноября 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного
совета Д 005.007.02 по адресу:
690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5, ИАПУ ДВО РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Института автоматики и процессов управления ДВО РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5.
Автореферат разослан 29 сентября 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 005.007.02, кандидат технических наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность темы. Одной из проблем кремниевой электроники является отсутствие эффективной излучающей свет структуры, которую можно было бы создать в едином технологическом процессе с обычными элементами интегральных схем. Гетероструктуры на основе встроенных в кремний преципитатов или нанокристаллов прямозонного материала могут помочь в решении этой проблемы. Одно из наиболее интересных соединений для создания подобного рода структур -это полупроводниковый дисилицид железа /?-Ре512, поскольку ширина его запрещённой составляет около 0,8 эВ, что близко к минимуму поглощения в кварцевом оптоволокне. К тому же, дисилицид железа нетоксичен, устойчив к температурным воздействиям (до 930 "С) и может расти на поверхности $¡(100). Кроме применения /¡-¥е$12 в оптоэлекгронике, возможно также создание на его основе термоэлектрических преобразователей. В зависимости от типа легирующей примеси для /?-Ре512 удавалось получить значения термоэдс от 250 до -280 мкВ/К в области температур 400 - 500 К [1,2]. В настоящий момент, наиболее популярными методами получения встроенных кристаллитов /7-РеЗ!2 является ионная имплантация [3, 4] и реактивная эпитаксия [5, 6] с последующей молекулярно-лучевой эпитаксией покрывающего кремниевого слоя. Каждый из этих методов имеет свои преимущества. В случае реактивной эпитаксии, в кремниевую подложку практически не вносятся дефекты, а значит, не нужен продолжительный высокотемпературный отжиг для рекристаллизации кремния, кроме того, есть возможность создания многослойных структур. Однако подавляющее большинство работ посвящено осаждению больших порций Ре (в основном более 3 нм), при этом формируются крупные кристаллиты ^^¡г с размерами 100 нм и более. Большое несоответствие решёток кремния и Д-Ре312 (минимум 1,5% для поверхности Б1'(100) [7]) приводит к тому, что крупные кристаллиты встраиваются в решётку кремния с дефектами, что нежелательно для светоизлучающих структур, поскольку приводит к уменьшению интенсивности излучения. Тем не менее, в литературе не встречается попыток получить нанокристаллы с размерами менее 50 нм путём осаждения малых порций
железа (0,1 — 0,2 нм) и замены реактивной эпитаксии на твердофазную эпитаксию или их сочетание. Кроме того, не были изучены формирование, структура и оптические свойства многослойных структур, содержащих нанокристаллы уЗ-РеБ^ с размерами менее 50 нм.
Что же касается ионной имплантации, то стоит отметить её более низкую себестоимость, по сравнению с реактивной эпитаксией, и возможность получения сразу встроенных в кремний слоев кристаллитов /?-Ре512. Однако в данном случае необходима рекристаллизация повреждённого в результате имплантации кремниевого приповерхностного слоя. Если для этого использовать высокотемпературный (до 900 °С) и длительный (до 20 часов) отжиг, то в результате получим существенное ухудшение параметров приборных структур за счет интенсивной диффузии примесей
в кремний, включая атомы железа. Преодолеть подобные ограничения позволяют импульсные ионные обработки (ИИО) слоев кремния имплантированных низкоэнергетическими (около 40 кэВ) ионами Ре+ [8]. Малая энергия ионов Ре+ не позволяет им проникнуть в подложку на глубину более 100 нм, поэтому для создания р-п перехода и уменьшения влияния поверхности требуется вырастить поверх такой структуры эпитаксиальный слой кремния. Однако исследования в этом направлении ранее не проводились.
Таким образом, изучение формирования нанокристаллов /?-Ре312 путём осаждения малых порций железа методами твёрдофазной и реактивной эпитаксии, и исследование эпитаксии слоёв кремния на имплантированных ионами железа кремниевых подложках являются актуальными задачами физики полупроводников.
Обоснование выбора материалов Выбор кремния и железа в качестве материалов для формирования кремниевых наногетероструиур обусловлен тем, что железо при определённых условиях вступает в реакцию с кремнием и формирует полупроводниковый дисилицид железа /3-Рс312, который обладает перспективными оптическими и термоэлектрическими свойствами. Кроме того, кремний и железо являются широко распространёнными, недорогими и абсолютно не токсичными материалами, а условия формирования /¡-¥е812 вполне совместимы с кремниевой технологией, что может позволить внедрить приборы на основе (¡-ТсЗ\2 в уже существующие техпроцессы создания полупроводниковых приборов.
Цель диссертационной работы — установить закономерности формирования монолитных наногетероструктур 51//?-Ре512/31 со встроенными нанокристаллами и преципитатами полупроводникового дисилицида железа при использовании сверхвысоковакуумных методов роста и ионной имплантации.
Основные задачи диссертационной работы
1. Исследовать влияния скорости осаждения, методов осаждения железа и величины его покрытия на формирование наноразмерных островков дисилицида железа, их размеры, плотность и фазовый состав на атомарно-чистой поверхности $¡(100)2x1.
2. Установить оптимальную температуру роста кремния поверх наноразмерных островков дисилицида железа на $1(100) и определить минимальную толщину кремния для полного встраивания нанокристаллов дисилицида железа.
3. Исследовать влияние методов формирования наноразмерных островков и их размеров на встраивание нанокристаллов в кремниевую матрицу и установить их ориентационные соотношения.
4. Исследовать взаимосвязи структуры, оптических и электрических свойств наногетероструктур 81//?-Ре812/81(100) (в том числе многослойных) со встроенными нанокристаллами дисилицида железа.
5. Исследовать влияние дозы имплантации железа и импульсного ионного отжига на формирование преципитатов дисилицида железа в кремнии,
сверхвысоковакуумную очистку, эпитаксиальный рост покрывающих слоев кремния и процессы фотолюминесценции.
Научная новизна работы
1. Впервые обнаружено, что осаждение малых порций железа (0,2 нм) с последующим длительным (20 минут) отжигом при температуре 630 °С обеспечивает формирование наноразмерных (20-30 нм) островков дисилицида железа на 8!(100)2х1 с высокой плотностью (до 5х1010 см"2) и однородным распределением по поверхности подложки.
2. Обнаружено, что независимо от способа формирования наноразмерных островков дисилицида железа на 81(100)2x1, эпитаксиальный рост кремния поверх островков наблюдается при температуре 700 °С. Определена минимальная толщина слоя кремния (100 нм) необходимая для полного встраивания нанокристаллов дисилицида железа с размерами 20-50 нм в кремниевую матрицу.
3. Установлены эпитаксиальные соотношения /?-Ре312(011) [| 31(011) и у3-ре312[100] !| 11] для вытянутых нанокристаллов с размерами 20-30 нм в кремниевой подложке Б^ЮО), и показано, что нанокристаллы округлой формы с размерами менее 10 нм являются многогранниками упруго встроенными в кремниевую решётку.
4. Доказано, что сигнал фотолюминесценции в области 0,8 эВ с энергией активации процесса затухания £'„=22,4 ± 3 мэВ обусловлен только излучательной рекомбинацией носителей заряда в нанокристаллах /?-Рс312, сформированных методом твердофазной эпитаксии при осаждении малых порций железа (0,2 нм).
5. Установлено, что эпитаксиальный рост кремния на кремниевых подложках, имплантированных ионами железа и подвергнутых импульсному ионному отжигу, наблюдается при 700 °С после восстановления атомарно-чистой поверхности кремния в сверхвысоком вакууме и только для доз имплантации железа не более 1х1016 см"2.
Практическая ценность
1. Разработаны два метода формирования наноразмерных островков дисилицида железа на 81(100) с высокой плотностью (до ~5хЮ10см"2) и однородностью распределения по поверхности подложки.
2. Определены оптимальная температура (700 °С) молекулярно-лучевой эпитаксии кремния и минимальная толщина слоя (100 нм) достаточная для полного встраивания нанокристаллов ^-РеБ^ в кремниевую кристаллическую решетку.
3. Выращены эпитаксиальные многослойные и монолитные кремний -силицидные наногетероструктуры с высокой плотностью встроенных
нанокристаллов которые перспективны для разработки
светоизлучающих структур на кремнии.
4. В монолитных наногетероструктурах с равномерно распределенными по толщине нанокристаллами дисилицида железа наблюдается значительный рост (в 10-20 раз) коэффициента термоэдс по сравнению с монокристаллическим кремнием, что перспективно для создания термоэлектрических преобразователей. •
5. Разработан метод создания эпитаксиальных слоев кремния на кремниевых подложках, имплантированных ионами железа и подвергнутых импульсному ионному отжигу, и определены границы его применимости по дозе имплантации.
Основные защищаемые положения
1. Твердофазная эпитаксия малых порций железа (0,2 нм) на 81(100) при температуре 630 °С позволяет получить высокую плотность наноразмерных островков дисилицида железа (до 5x1010 см"2) с близкими размерами (20-30 нм) и однородным распределением по поверхности подложки, а комбинация реактивной и твердофазной эпитаксии железа и кремния с порциями по 0,2 нм приводит к формированию дисилицида железа либо островкового, либо близкого к сплошности в зависимости от температуры последнего отжига.
2. В ходе эпитаксиального роста покрывающего слоя кремния поверх наноразмерных островков дисилицида железа наблюдается движение и выход на поверхность нанокристаллов дисилицида железа. Этот процесс усиливается высокотемпературным (850 °С) отжигом.
3. Многократное повторение формирования наноразмерных островков дисилицида железа на $¡(100) методом твердофазной эпитаксии Ре или комбинацией реактивной и твердофазной эпитаксии (Ре, с ростом покрывающего слоя кремния методом молекулярно-лучевой эпитаксии приводит, соответственно, к созданию монолитных или мультислойных наногетероструктур с высокой плотностью встроенных нанокристаллов Д-РеБь.
4. Фотолюминесценция в образцах, сформированных методом твердофазной эпитаксии, определяется только излучательной рекомбинацией в нанокристаллах /?-Ре812 и характеризуется энергией активации процесса затухания £„=22,4 ± 3 мэВ.
5. Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния при Т=700 °С на кремниевых подложках, имплантированных ионами железа с дозами до 1х1016см"2, с последующим импульсным ионным отжигом и низкотемпературной (Т=850°С) сверхвысоковакуумной очисткой, позволяет вырастить
эпитаксиальные гетероструктуры кремний - преципитаты Д-РсБ^ - кремний с интенсивной фотолюминесценцией.
Обоснованность и достоверность получепных результатов заключается в последовательном и корректном применении современных методов исследования поверхности и внутренней структуры твёрдых тел и их согласованности с результатами работ других исследовательских групп.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были представлены в 2 устных и 2 стендовых докладах на международных и российских конференциях и симпозиумах (Россия, Япония, США), а также - в 7 устных докладах на всероссийских и региональных конференциях студентов и аспирантов с 2004 по 2009 годы.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 13 работ, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ.
Личный вклад автора Автор провёл большую часть экспериментов по созданию исследованных в данной работе образцов. Им были получены и проанализированы все данные по морфологии и большая часть данных по оптическим свойствам образцов, а также проведены все эксперименты по изучению фотолюминесцентных свойств образцов. Он участвовал в анализе и расшифровке данных просвечивающей электронной микроскопии, обсуждении и написании всех статей по теме диссертационной работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включая 62 рисунка, 15 таблиц и список литературы из 126 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована цель работы и ее актуальность, определены основные задачи, указаны новизна и практическая ценность работы, изложены основные защищаемые положения и описана структура диссертации.
Первая глава представляет собой обзор литературы по методам формирования, анализу структуры и фотолюминесцентным (ОЛ) свойствам кремния со встроенными слоями и нанокристаллами полупроводникового дисилицида железа.
Формирование преципитатов железа в кремнии методом ионного легирования заключается в облучении очищенной поверхности кремния пучком ионов Бе+ с энергией 40 - 350 кэВ и дозой от 1015 до 1017 см"2 [3, 4, 8]. При этом подложка может подогреваться, для предотвращения аморфизации имплантированного слоя кремния (250 - 300 °С), а может поддерживаться при комнатной температуре. После процесса имплантации необходим длительный высокотемпературный отжиг: 700 - 900 °С в течение 2-20 часов, для формирования преципитатов р-Ре5;2 и устранения дефектов в кристаллической структуре кремния [3, 9]. При изучении ПЭМ микрофотографий высокого разрешения были выделены два типа преципитатов с чётко определённым
эпитаксиальным соотношением с подложкой: маленькие, шарообразные, диаметром 15 - 20 нм расположенные в приповерхностном слое (150 - 200 нм), и большие, имеющие форму диска и расположенные на глубине соответствующей расчётной области проникновения ионов (400 - 500 нм). Последние имеют плоскую форму с преимущественной ориентацией плоскости ß-FeSi2 (101) параллельной плоскостям Si{ 111}. Их длина составляет 100 - 200 нм, тогда как их толщина - 20 - 30 нм [3].
Дифракционные картины выбранных областей показывают существование чётко определённого эпитаксиального соотношения между подложкой и преципитатами. Наиболее общая эпитаксия это: (110)ß-FeSi2||(lll)Si с направлениями [001]ß-FeSi21| [110]Si или (101)ß-FeSi21| (lll)Si с направлениями [010]ß-FeSi2 II [110]Si [3].
Формирование захороненных в кремнии нанокристаллов /?-FeSi2 методом реактивной эпитаксии (РЭ) происходит в три этапа. Вначале, кремниевую подложку отчищают в условиях сверхвысокого вакуума (давление порядка 10"9Торр), потом её нагревают до 470 °С и осаждают железо, при этом формируется плёнка yS-FeSi2. Затем, производится непродолжительный отжиг (30 мин) при 850 °С, в результате которого на поверхности формируются островки /?-FeSi2. И наконец, поверх островков эпитаксиально (температура подложки 700 °С) выращивается слой кремния толщиной около 1мкм для полного их закрытия [5, 10, 11]. В работе [10] с помощью ПЭМ показано, что, при осаждении небольшого количества железа на подложку Si(001), после отжига на поверхности формируются протяжённые островки /?-FeSi2, а при эпитаксиальном заращивании кремнием они собираются в шары около 100 нм в диаметре. Картины рентгеновской дифракции, полученные для всех стадий роста, указывают на то, что при эпитаксиальном росте /?-FcSi2 на Si(OOl), оси /?-FeSi2 [010] и [001] под действием деформации сжатия закономерно ориентируются вдоль направления Si<l 10> с рассогласованиями решётки, соответственно, 1,4% и 2,1%, при комнатной температуре.
В литературе до сих пор нет однозначного мнения относительно того, является ли /?-FeSi2 прямозонным полупроводником [9, 10]. Так авторы работы [9] на основании анализа спектров поглощения и ФЛ пришли к выводу, что ФЛ 1,54 мкм обусловлена непрямым межзонным переходом в ß-FeSi2- В то время как в работах [4, 8] на основании данных ИК и ФЛ спектроскопии утверждается, что сигнал при X ~ 1,56 мкм обусловлен прямыми межзонными переходами в синтезированных преципитатах ß-?cSi2. Есть так же мнение, что /?-FeSi2 является прямозонным только в том случае, когда его решётка напряжена, т.е. когда он упруго встроен в кремниевую матрицу [12]. В работе [5] проводились исследования влияния размеров сформировавшихся шарообразных кристаллитов /?-FeSi2 на сигнал фотолюминесценции. В результате 1,54 мкм ФЛ пик был обнаружен только для образцов с шарами /!-FeSi2 диаметром 100 нм и меньше. При больших размерах 1,54 мкм излучение отсутствовало, что очевидно связано с релаксацией решётки /?-FeSi2 и появлением глубоких уровней,
индуцированных большими кристаллами в кремнии. Таким образом, исходя из литературных данных, можно сделать вывод, что для получения интенсивной ФЛ от /?-FeSi2 необходимо создать массив небольших по размеру (20 - 50 нм) и упруго встроенных в кремниевую решётку нанокристаллов /?-FeSi2.
Во второй главе приведено краткое описание методов, использованных в данной работе, а именно - АСМ, ДМЭ, ПЭМ, оптическая спектроскопия твердых тел, фотолюминесцентная спектроскопия, зондовые методы измерения электрических параметров полупроводников, метод ионной имплантации. Приведены схемы экспериментальных установок. Описаны методы очистки образцов, схемы ростовых экспериментов и методики расчёта оптических функций тонких плёнок и энергий активации процесса затухания фотолюминесценции.
В третьей главе описываются эксперименты по изучению процессов самоформирования наноразмерных островков дисилицида железа и выращиванию эпитаксиального слоя кремния поверх них. В ходе экспериментов были апробированы три метода самоформирования наноразмерных островков дисилицида железа на Si(100)2xl с малыми покрытиями железа (кремния):
I - реактивная эпитаксия железа при температуре подложки 475 °С;
II - твердофазная эпитаксия железа при температуре подложки 630 °С;
III - комбинация реактивной эпитаксии железа при температуре 375 °С, осаждения слоя кремния на холодную подложку и кратковременного отжига при 475 °С. Всего на подложках кремния Si(100) было создано 9 образцов.
Из анализа изображений поверхности, полученных методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), были определены основные параметры сформировавшихся островков дисилицида железа. Анализ данных показал, что умеренные скорости осаждения железа по методу I вплоть до 2,4 нм/мин приводят к формированию островков дисилицида железа с близкими размерами и плотностью до Ю10 см"2. Увеличение скорости осаждения железа до 5,0 нм/мин и более ухудшает условия формирования островков /?-FeSi2, и приводит к формированию квазисплошного слоя силицида неизвестного состава.
Твердофазная эпитаксия железа при 630 °С (метод II) позволяет получить большую плотность наноразмерных островков дисилицида железа (до 5x1010 см"2), которые близки по своим размерам и равномерно занимают всю площадь поверхности. Комбинация реактивной и твердофазной эпитаксии (метод III) приводит к формированию сплошного слоя дисилицида железа, а кратковременный отжиг при 700 °С перед осаждением кремния обеспечивает формирование большой концентрации (до 1,2хЮ10 см"2) наноразмерных островков.
Для изучения процесса роста слоя кремния поверх наноразмерных островков была сформирована серия из семи однослойных образцов.
Анализ данных АСМ позволил установить, что температура 700 °С является оптимальной для роста покрывающих слоев кремния методом МЛЭ. Формирующиеся
эпитаксиальные слои имеют среднеквадратичную шероховатость поверхности в диапазоне 0,1 - 0,5 нм и по данным ПЭМ являются монокристаллическими.
Определена минимальная толщина слоя кремния (100 нм) необходимая для полного закрытия островков дисилицида железа, сформированных по методам II и III и предложена модель роста кремния поверх подложки Si(100) с наноразмерными островками дисилицида железа, учитывающая баланс между диффузионной подвижностью осажденных атомов Si и коалесценцией островков при различных температурах подложки.
Четвертая глава посвящена описанию процесса роста наногетероструктур на основе кремния и силицидов железа и изучению их структуры и оптических свойств.
Поскольку для формирования наноразмерных островков дисилицида железа были использованы малые порции железа, то это неизбежно приводило к образованию малого количества /?-FeSb. Поэтому возникла задача увеличения общего количества y?-FeSi2 без изменения размеров нанокристаллов. С этой целью были выращены эпитаксиальные наногетероструктуры со встроенными мульти слоями (от 2 до 15) нанокристаллов дисилицида железа по методам I (Рис. 1 а)и III и монолитные наногетероструктуры с равномерно распределенными по толщине нанокристаллами дисилицида железа по методу II (Рис. 1 б). На основании сопоставления данных АСМ и ПЭМ обнаружен эффект движения и выхода на поверхность нанокристаллов дисилицида железа в процессе эпитаксиального роста покрывающего слоя кремния (Рис. 1).
Исходя из анализа изображений ПЭМ высокого разрешения установлено, что вытянутые нанокристаплы с размерами 20 - 30 нм
Рис. 1. Изображения ПЭМ полученные для поперечных срезов образцов, сформированных по различным технологиям: (а) — метод 1, упруго встраиваться в решетку 0^ртец №¡8; _ метод II, образец №24; кремния с эпитаксиальными Вставка на 1В0бражтт (б) представПяет
соотношениями ^РеБ^О 11) || Э^ОП) и собой темнопольное изображение от той
/?-Ре812[100] || $¡[111] (Рис. 2), но могут области где она размещена, масштабы
состоять из нескольких нанокристаллов изображений совпадают, стрелка указывает
с малым углом рассогласования, на вышедший на поверхность нанокристалл.
сопрягающихся с решёткой кремния Стрелка на изображении (а) указывает на
аналогичным образом. Вытянутые дырку с нанокристаллом.
нанокристаллы с размерами более 40 нм имеют другой тип сопряжения с углом рассогласования 18° с кремниевой решеткой в плоскости (011). Нанокристаллы округлой формы с размерами менее 10 нм являются многогранниками упруго встроенными в кремниевую матрицу.
Таблица I. Интенсивность линии ФЛ вблизи 0,8 эВ для многослойных образцов.
Образец Метод Кол-во слоев Fe, HM Интенсивность ФЛ при 5 К, отн. ед. Отжиг, "С/ч,
№17 I 2 0,8 - -
№18 I 4 0,8 1,2 -
№19 I 4 0,8 3,0 850/8
№20 I 8 0,8 1,5 -
№21 I 8 0,8 2,3 850/12
№22 I 10 0,8 - -
№23 II 4 0,2 35,5 -
№24 II 7 0,2 162,4 -
№25 II 10 0,2 фон -
№26 II 15 0,2 фон -
№27 III 8 0,2 131,7 -
№28 III 15 0,2 26,2 -
№29 III 4 0,8 128,4 -
№30 III 4 0,8 42,8 850/8
№31 III 10 0,8 31,6 -
№32 III 8 0,1 87,2 -
Практически для всех образцов были получены спектры низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ). Данные об интенсивности ФЛ сведены в таблицу 1. Заметным сигналом ФЛ в области 0.8 эВ обладают только образцы со встроенными НК /?-Ре312, выращенные по методам П и Ш. Для образцов, созданных по методу П, установлено, что сигнал ФЛ в области 0.8 эВ обусловлен излучательной рекомбинацией носителей заряда в НК что подтверждается данными
высокоразрешающей ПЭМ и величиной энергии активации процесса затухания ФЛ (£'<,=22,4 ± 3 мэВ), которая отличается от энергии активации дислокаций. Энергия активации была определена на основании аппроксимации экспериментальных данных известной теоретической зависимостью:
ТИТ)* °
Р-Ре8у011)|| 8К011) ()-Рв31,[100] || 31(111]
Рис. 2. (а) - изображение ПЭМ высокого разрешения, полученное для вытянутого нанокристалла. (б) - схема расположения рефлексов на Фурье преобразовании, полученном от изображения (а), чёрные кружочки - кремниевые рефлексы.
/СП =
'о
(1)
где 10 - интенсивность ФЛ при 5 К, С, и С2 - постоянные, £,и£2- энергии активации процесса затухания ФЛ.
Для изучения электрических характеристик многослойных структур, на основе образцов № 17 и №22 (метод I), №16 и №30 (метод III) были созданы мезадиоды. Для образцов с малым количеством слоев (1 и 2) НК дисилицида железа по данным ВАХ обнаружен один глубокий уровень в запрещенной зоне кремния, в то время как для многослойных образцов (4 и 10) наблюдается формирование двух глубоких уровней. Основные параметры глубоких уровней приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные параметры глубоких уровней.
Образец Метод Кол- во слоев УтиХВ) Ро, хЮ13 см"3 К, хЮ14 см'3 Еь мэВ I, мкм
№17 I 2 0,26 6,9 5 320 0,58
№22 I 10 0,63 2,55 3,9 16 2,6 11 340 300 1,26
№16 III 1 0,25 5,0 5,3 310 0,52
№30 III 4 0,28 1,22 2,5 9,3 3,7 15 320 290 0,7
В монолитных наногетероструктурах (образцы №23 и №25) с равномерно распределенными по толщине нанокристаллами дисилицида железа, выращенными по методу II, наблюдается значительный рост (в 10-20 раз) коэффициента термоэдс по сравнению с монокристаллическим кремнием. При этом величина коэффициента термоэдс растёт с увеличением количества слоев НК /?-Ре312.
В пятой главе изучается формирование структур Б ¡/преципитаты /?-Ре312/31 методами ионной имплантации и молекулярно-лучевой эпитаксии.
Впервые были получены гетероструктуры с помощью имплантации
ионов железа в монокристаллическую кремниевую подложку, наносекундного импульсного ионного отжига (ИИО) и молекулярно лучевой эпитаксии кремния. Анализ данных атомно-силовой микроскопии показал, что ИИО слоев кремния, имплантированных ионами железа, приводит к формированию ячеистой структуры, характерной для кристаллизации из расплава. Формирование встроенных преципитатов /?-Ре312 после ИИО подтверждается данными оптической спектроскопии: на основании рассчитанного спектра коэффициента поглощения в диапазоне энергий фотонов 2,2-3,0 эВ была определена энергия прямого межзонного перехода 2,7 эВ, которая близка к литературным данным для /?-Ре312 [13].
Таблица J Параметры имплантированных ионами образгрв после роста слоя кремния.
Образец Ориентация подложки/тип проводимости Имплантированная доза, х1016см2 ИИО О rms, JIM Толщина слоя Si, нм Tsub» °с Интенсивность ФЛ*'при 5 К, отн. ед.
№1 Si(lll)/p 1 Нет 14,5 340 750 -
№2 Si(lll)/p 6 Нет 23,7 1500 700 750
№4 Si(lll)/p 1 Да 6,7 1700 750 120
№5 Si(lll)/p 18 Да 14,3 1700 750 -
№6 Si(100)/n 0,1 Да 0,1 1700 700 40
№7 Si(100)/n 1 Да 1,4 1800 700 2400
№8 Si(100)/n 18 Да 86,2 1700 700 -
№9 Si(lll)/p 1 Нет 34 1500 700 -
№10 Si(lll)/p 1 Да 2,5 240 700
Среднеквадратическая шероховатость выращенного слоя кремния.
"Интенсивность ФЛ в области 0,8 эВ.
Прежде чем проводить эксперименты по формированию эпитаксиального слоя кремния поверх имплантированных подложек, необходимо было очистить их в условиях свехрвысокого вакуума (СВВ) от естественного окисла и остаточных загрязнений. Были апробированы две процедуры СВВ очистки. Первая - это высокотемпературная (ВТ) очистка короткими вспышками при температуре подложки 1250 "С, с последующим отжигом при 850 °С в течение нескольких часов. Вторая, так называемая низкотемпературная (НТ) очистка, заключается в нагреве подложки до 850 °С с одновременным осаждением атомов кремния с низкой скоростью - около 0,1 нм/мин. При этом происходит разложение диоксида кремния до монооксида, который десорбирует с поверхности. Процедура НТ очистки (850 °С) оказалась более удачной и была успешно применена для получения атомарно-гладкой
и реконструированной поверхности кремния после его имплантации ионами Fe+ и ИИО.
На очищенной поверхности образцов с ориентацией подложек (111) и (100) был исследован рост слоев кремния методом молекулярно-лучевой эпитаксии на при температурах 700 и 750 "С. Установлено, что гладкие плёнки с толщиной до 1,8 мкм и реконструированной поверхностью растут на образцах с имплантированной дозой ионов железа не более 1x1016 см"2 (таблица 3). Увеличение дозы приводит к поликристаллическому росту кремния и увеличению шероховатости поверхности вследствие 3-х мерного механизма роста кремния. Наблюдавшаяся на спектрах отражения и пропускания интерференция на кремниевом слое, выращенном на поверхности кремния, имплантированного ионами Fe+, указывает на формирование резкой межфазовой границы в структуре Si//?-FeSi2/Si.
Измерения спектров низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ) проведённые для нескольких гетерострукгур Si//?-FeSij/Si показали, что основными факторами, определяющими интенсивность ФЛ в области 0,8 эВ, являются количество преципитатов /?-FeSi2 и кристаллическое качество выращенного слоя кремния (таблица 3). Для образца №7, обладающего максимальной интенсивностью ФЛ были проведены температурные измерения интенсивности ФЛ. И из аппроксимации экспериментальных данных (Рис. 3) теоретической зависимостью (1) были получены энергии активации £; = 41 мэВ и Е2= 12 мэВ. Величина энергии Е2 близка к величине энергии активации дислокации D1, а энергия Eh по-видимому, относится к преципитатам /?-FeSi2. Наличие дислокаций в образце №7 подтверждается данными ПЭМ.
Энергия, эВ
4 Ф
01000 л"
Б
о
ш 100
5
и
X р
X
s 10
(б)
1700
50
200
100 150 1000/Т, 1С'
Рис. 3. (а) - серия спектров ФЛ для образца №7, полученная при различных температурах, (б) - зависимость максимума интенсивности полосы ФЛ 0,8 эВ от обратной температуры. Пунктирная линия - аппроксимация законом (1).
Основные результаты и выводы
1. При самоформировании наноразмерных островков дисилицида железа на 81(100)2*1 с малыми покрытиями железа обнаружено, что осаждение малых порций железа (0,2 нм) с последующим длительным (20 минут) отжигом при температуре 630 °С обеспечивает формирование наноразмерных (20-30 нм) островков дисилицида железа на £¡(100)2x1 с высокой плотностью (до 5х10ш см"2) и однородным распределением по поверхности подложки. Показано, что комбинация реактивной и твердофазной эпитаксии железа и кремния с порциями по 0,2 нм приводит к формированию дисилицида железа либо островкового, либо близкого к сплошности в зависимости от температуры последнего отжига.
2. Обнаружено, что эпитаксиальный рост кремния поверх наноразмерных островков дисилицида железа на 00)2х 1 наблюдается при температуре 700 °С, не зависит от метода формирования островков и приводит к образованию монокристаллических слоев кремния с атомарно-гладкой поверхностью при толщине не менее 100 нм. В процессе эпитаксиального роста покрывающего слоя кремния поверх наноразмерных островков дисилицида железа обнаружено движение и выход на поверхность нанокристаллов дисилицида железа, которое усиливается высокотемпературным (850 °С) отжигом.
3. Показано, что многократное повторение формирования наноразмерных островков дисилицида железа на 31(100) методом твердофазной эпитаксии Ре или комбинацией реактивной и твердофазной эпитаксии Ре и 81 с последующим эпитаксиальным ростом кремния методом молекулярно-лучевой эпитаксии приводит, соответственно, к созданию монолитных или эпитаксиальных многослойных наногетероструктур с высокой плотностью встроенных нанокристаллов /?-Ре512. Установлено, что вытянутые нанокристаллы с размерами 20 - 30 нм упруго встраиваются в решетку кремния с эпитаксиальными соотношениями /М^гфП) || 81(011) и /9-Рс512[ 100] || 81[111], а нанокристаллы округлой формы с размерами менее 10 нм являются многогранниками упругого встроенными в кремниевую решётку.
4. Установлено, что ФЛ с максимумом при 0,8 эВ в образцах, сформированных методом ТФЭ, определяется только излучательной рекомбинацией в нанокристаллах уЗ-Ре812 и характеризуется энергией активации процесса затухания £„=22,4 ± 3 мэВ. В образцах, выращенных по комбинированному методу, сигнал ФЛ определяется как вкладом нанокристаллов /?-Ре812, так и вкладом дислокаций. Обнаружено резкое возрастание коэффициента термоэдс в монолитных наногетероструктурах, выращенных по методу ТФЭ.
5. Показана возможность получения атомарно-гладких и реконструированных поверхностей кремния, подвергнутых имплантации ионов железа с последующим импульсным ионным отжигом (ИИО). Установлено, что на подложках Si(100) после имплантации до дозы ионов железа 1x10й см"г и ИИО растут эпитаксиальные слои кремния с гладкой реконструированной поверхностью и толщиной до 1,8 мкм. Выращенные эпитаксиальные гетероструктуры кремний -преципитаты /?-FeSi2 - кремний имеют интенсивную фотолюминесценцию в области 0,8 эВ с суммарным вкладом от преципитатов /?-FeSi2 и дислокаций, которые характеризуются различными энергиями активации затухания ФЛ -41 мэВ и 12 мэВ, соответственно.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1 Галкин Н.Г., Чусовитин Е.А., Полярный В.О., Горошко Д.Л., Гутаковский А.К., Латышев А.В. "Гетероэпитаксиальный рост в системе Si(100)/raacrepbi ¡3-FeSi2/Si(100): структура, морфология и электрические свойства" // Труды 9-ой Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, 2005, с. 127-135.
2 Galkin N.G., Goroshko D.L., Chusovitin Е.А., Polyarnyi V.O., Dotsenko S.A., Maslov A.M., Gutakovskii A.K, Latyshev A.V., Shamirzaev T.S., Zhuravlev K.S., Park W, Park Y. "Silicon epitaxial overgrowth atop /?-FeSi2 nanoislands on silicon (111) and (100) substrates: cluster formation, structure and properties" // Proceedings of Seminano-2005, September 10-12, 2005, Budapest, Hungary, Semiconductor nanocrystals, V. 1, pp. 31-34
3 Tsormpatzoglou A., Tassis D.H., Dimitriadis C.A., Dozsa L., Galkin N.G., Goroshko D.L., Polyarnyi V.O., Chusovitin E.A. "Deep levels in silicon Schottky junctions with embedded arrays of P-FeSi2 nanocrystallites" // Journal of Applied Physics, V.100 (2006) p.074313
4 Галкин Н.Г., Чусовитин E.A., Горошко Д.Л., Баязитов P.M. и Баталов Р.И. " Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния на слоях кремния имплантированных ионами железа: морфология, структура и оптические свойства" // Сборник трудов 10-ой Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Владивосток. ИАПУ ДВО РАН, 2006, с. 146 - 155.
5 Галкин Н.Г., Горошко Д.Л., Чусовитин Е.А., Полярный В.О., Гутаковский А.К., Латышев А.В., Khang Y. "Формирование, кристаллическая структура и свойства кремния со встроенными нанокристаллитами дисилицида железа на подложках Si(100)" // Физика и техника полупроводников, т. 41, вып. 9 (2007), с.1085-1092.
6 Galkin N.G., Goroshko D.L., Polyarnyi V.O., Chusovitin E.A., Park W., Park Y.S., Khang Y., Gutakovsky A.K., Latyshev A.V. "Silicon layers atop iron silicide islands on
Si(lOO) substrate: island formation, silicon growth, morphology and structure" // Thin Solid Films, V.515 (2007) pp.7805-7812.
7 Galkin N.G., Chusovitin E.A., Goroshko D.L., Polyarnyi V.O., Bayazitov R.M., Batalov R.I., Shamirzaev T.S., Zhuravlev K.S.. "Morphological, structural and luminescence properties of SiV/J-FeSiVSi heterostructures fabricated by Fe ion implantation and Si MBE" // J. Phys. D: Appl. Phys, V.40 (2007) 5319-5326.
8 Galkin N.G.,Goroshko D.L., Polyarnyi V.O., Chusovitin E.A., Korobtsov V.V., Balashev V.V., Khang Y., Dozsa L., Gutakovsky A.K., Latyshev A.V., Shamirzaev T.S., Zhuravlev K.S.. "Investigation of multilayer silicon structures with buried iron silicide nanocrystallites: growth, structure and properties" // Journal of Nanoscience and Nanotechnology, V.8 (2008) pp.527- 534.
9 Галкин Н.Г., Горошко Д.Л., Чусовитин E.A., Баязитов P.M., Баталов P.. "Эпитаксиальный рост кремния на кремнии, имплантированном ионами железа, и оптические свойства полученных структур" // Журнал технической физики, 2008, том 78, вып. 2, с. 84 - 90.
10 Галкин Н.Г., Чусовитин Е.А., Горошко Д.Л., Шамирзяев Т.С., Журавлев К.С., Гутаковский А.К., Латышев А.В. "Рост, структура и люминесцентные свойства мультислойных гетеронаноструктур Si(100)/ нанокристаллиты /?-FcSi2/Si(100)" // Труды 11-ой Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, 2007, с. 164-175.
11 Galkin N.G., Goroshko D.L., Chusovitin E.A., Batalov R.I., Bayazitov R.M., Shamirzaev T.S., Gutakovsry A.K., Zhuravlev K.S. and Latyshev A.V.. "Si//?-FeSi2/Si heteronanostructures fabricated by ion implantation and Si MBE: growth, structural and luminescence properties" // Proceedings of 16th International symposium "Nanostructures: physics and technology", Vladivostok, Russia, July 14-18, 2008, pp.111-112.
Список цитируемой литературы
1 Ito M., Nagai H., Katsuyama Sh., Majima K. "Effects of Ti, Nb and Zr doping on thermoelectric performance of /J-FcSij". // Journal of Alloys and Compounds, V.315 (2001) pp.251-258.
2 Ito M., Nagai H., Tanaka Т., Katsuyama S., Majima K. "Thermoelectric performance of n-type and p-type fl-VeS\2 prepared by pressureless sintering with Cu addition". // Journal of Alloys and Compounds, V.319 (2001) pp.303-311.
3 Grimaldi M.G., Bongiorno C., Spinalla C., Grilli E., Martinelli L., Gemelli M. Migas D.B., Miglio L., Fanciulli M. "Luminescence from /?-FeSi2 precipitates in Si. I. Morphology and epitaxial relationship" // Physical Review B, V.66 (2002) p.085319.
4 Баталов Р.И., Баязитов P.M., Теруков Е.И., Кудоярова В.Х., Weiser G., Kuehne Н.. "Импульсный синтез слоёв /J-FeSi2 на кремнии, имплантированном ионами Fe+" // Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 11., с. 1320.
5 Suemasu Т., Fujii Т., Takakura К., Hasegawa F. "Dependence of photoluminescence from /?-FeSi2 and induced deep levels in Si on the size of /J-FeSi2 balls embedded in Si crystals" // Thin Solid Films, V.381 (2001) pp.209-213.
6 Tanaka M., Kumagai Y., Suemasu Т., Hasegawa F. "Reactive deposition epitaxial growth of /?-FeSi2 layers on Si(001)" // Applied Surface Science 117-118 (1997) pp. 303-307.
7 "Semiconducting silicide". / Ed. by Borisenko V.E. - Berlin: Spinger-Verlag, 2000. -p.362
8 Баязитов P.M., Баталов Р.И., Теруков Е.И., Кудоярова B.X. "Рентгеновский и люминесцентный анализ мелкодисперсных плёнок /7-FeSi2, сформированных в Si импульсной ионной обработкой" // Физика твёрдого тела, 2001, том 43, вып. 9., с.1569
9 Martinelli L., Gemelli М., Migas D.B., Leo Miglio, Marabelli F., Soci C., Geddo M., Grimaldi M.G., Spinella C. "Luminescence from p-FeSi2 precipitates in Si. II. Origin and nature of the photoluminescence" // Physical Review B, V.66 (2002) p.085320.
10 Suemasu Т., Fujii Т., Tanaka M., Takakura K., Iikura Y., Hasegawa F. "Fabrication of p-Si/p-FeSi2/n-Si structures by MBE and their electrical and optical properties" // Journal of Luminescence V.80 (1999) pp.473-477.
11 Suemasu Т., Iikura Y., Takakura K., Hasegawa F. "Optimum annealing condition for P-FeSi2 balls growth by reactive deposition epitaxy and embedded in Si crystal" // Journal of Luminescence V.87-89 (2000) pp.528-531.
12 Ozawa Y., Ohtsuka Т., Cheng Li, Suemasu Т., Hasegawa F. "Inlfuence of /3-FeSi2 particle size and Si growth rate on 1.5um photoluminescence from Si/(5-FeSi2-particles/Si structures grown by molecular-beam epitaxy" // J. Appl.Phys. V.95, 5483 (2004)
13 Chrost J., Hinarejos J.J., Michel E.G, Miranda R. "Surface dangling bond state in Si(l 11) and epitaxial /?-FeSi2 films: a comparative photoelectron spectroscopy study" //Surf. Sci., V.330 (1995)pp.34-40.
Чусовитин Евгений Анатольевич
Формирование и свойства наногетероструктур на основе кремния и дисилицида железа
Автореферат
Подписано к печати 23.09.2009 г. Усл. п. л. 1,0. Уч. изд. л. 0,8
Формат 60x84/16. Тираж 100. Заказ 31.
Издано ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул. Радио , 5. Отпечатано группой оперативной полиграфии ИАПУ ДВО РАН. 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1.
Методы формирования, оптические и электрические свойства полупровод-никового дисилицида железа (/?-FeSi2).
1.1. Электронная структура и оптические свойства /?-FeSi2.
1.2. Методы формирования и структура кремния со встроенными слоями и кристаллитами дисилицида железа.
1.3 Транспортные свойства /?-FeSi2.
1.4. Фотолюминесцентные свойства пленок и нанокристаллических слоев полупроводникового дисилицида железа.
ГЛАВА 2.
Методы исследования, аппаратура и методики.
2.1. Методы исследования.
2.1.1. Атомно-силовая микроскопия.
2.1.2. Оптическая спектроскопия полупроводников.
2.1.3. Фотолюминесцентная спектроскопия.
2.1.4. Просвечивающая электронная микроскопия.
2.1.5. Дифракция медленных электронов.
2.1.6. Ионная имплантация.
2.1.7. Зондовые методы измерения электрических параметров полупроводников.
2.2. Экспериментальная аппаратура.
2.2.1. Сверхвысоковакуумная камера "VARIAN".
2.2.2. Сверхвысоковакуумная камера "Н-1" с холловской приставкой.
2.2.4. Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) Solver Р47.
2.2.6. Оптические спектрофотометры.
2.2.8. Установка для проведения ионной имплантации.
2.3. Методики экспериментов.
2.3.1. Методики приготовления образцов и источников.
2.3.2. Схемы ростовых, структурных, электрических и фотолюминесцентных экспериментов.
2.4. Методики расчетов.
2.4.1. Методики расчета оптических функций тонких пленок.
2.4.2. Методика анализа данных высокоразрегиаюи^ей просвечивающей электронной микроскопии.
ГЛАВА 3.
Оптимизация процессов самоформирования наноразмерных островков дисилицида железа на Si(100) и эпитаксиального роста кремния поверх них.
3.1. Исследование самоформирования островков дисилицида железа на Si(100) по данным дифракции медленных электронов и атомно-силовой микроскопии.
3.2. Морфология и структура покрывающего слоя кремния и встроенных нанокристаллитов дисилицидов железа на Si(100).
3.3. Выводы.
ГЛАВА
Рост, структура и оптические свойства многослойных наногетероструктур на основе кремния и силицидов железа на Si(100).
4.1. Формирование и структура монолитных кремний - силицидных наногетероструктур со встроенными слоями нанокристаллов дисилицида железа.
4.2. Оптические и электрических свойства многослойных наногетероструктур на основе кремния и силицидов железа на Si(100).
4.3. Выводы.
ГЛАВА 5.
Формирование гетероструктур со встроенными преципитатами дисилицида железа на Si(lll) и Si(100) методами имплантации ионов железа и молекулярно-лучевой эпитаксии кремния.
5.1 Ионная имплантация железа в кремний: морфология, структура и оптические свойства.
5.2. Восстановление атомарно-чистой поверхности кремния после ионного внедрения ионов железа в сверхвысоком вакууме.
5.3. Формирование и оптические свойства покрывающего слоя кремния.
5.4. Фотолюминесцентные свойства сформированных гетероструктур Si//?-FeSi2/Si.
5.5. Выводы.
Актуальность темы. Одной из проблем кремниевой электроники является отсутствие эффективной излучающей свет структуры, которую можно было бы создать в едином технологическом процессе с обычными элементами интегральных схем. Гетероструктуры на основе встроенных в кремний преципитатов или нанокристаллов прямозонного материала могут помочь в решении этой проблемы. Одно из наиболее интересных соединений для создания подобного рода структур - это полупроводниковый дисилицид железа /?-FeSi2, поскольку ширина его запрещённой составляет около 0,8 эВ, что близко к минимуму поглощения в кварцевом оптоволокне. К тому же, дисилицид железа нетоксичен, устойчив к температурным воздействиям (до 930 °С) и может расти на поверхности Si(100). Кроме применения /?-FeSi2 в оптоэлектронике, возможно также создание на его основе термоэлектрических преобразователей. В зависимости от типа легирующей примеси для /?-FeSi2 удавалось получить значения термоэдс от 250 до -280 мкВ/К в области температур 400 - 500 К [1,2]. В настоящий момент, наиболее популярными методами получения встроенных кристаллитов /?-FeSi2 является ионная имплантация [3, 4] и реактивная эпитаксия [5, 6] с последующей молекулярно-лучевой эпитаксией покрывающего кремниевого слоя. Каждый из этих методов имеет свои преимущества. В случае реактивной эпитаксии, в кремниевую подложку практически не вносятся дефекты, а значит, не нужен продолжительный высокотемпературный отжиг для рекристаллизации кремния, кроме того, есть возможность создания многослойных структур. Однако подавляющее большинство работ посвящено осаждению больших порций Fe (в основном более 3 нм), при этом формируются крупные кристаллиты /?-FeSi2 с размерами 100 нм и более. Большое несоответствие решёток кремния и J3-¥eSl2 (минимум 1,5% для поверхности Si(100) [7]) приводит к тому, что крупные кристаллиты встраиваются в решётку кремния с дефектами, что нежелательно для светоизлучающих структур, поскольку приводит к уменьшению интенсивности излучения. Тем не менее, в литературе не встречается попыток получить нанокристаллы /?-FeSi2 с размерами менее 50 нм путём осаждения малых порций железа (0,1 - 0,2 нм) и замены реактивной эпитаксии на твердофазную эпитаксию или их сочетание. Кроме того, не были изучены формирование, структура и оптические свойства многослойных структур, содержащих нанокристаллы /?-FeSi2 с размерами менее 50 нм.
Что же касается ионной имплантации, то стоит отметить её более i низкую себестоимость, по сравнению с реактивной эпитаксией, и возможность пол учения «сразу встроенных в кремний слоёв кристаллитов /?-FeSii- Однако в данном случае необходима рекристаллизация повреждённого в результате имплантации» кремниевого приповерхностного' слоя. Если для этого использовать высокотемпературный (до 900 °С) и длительный (до 20 часов) отжиг, то в результате получим существенное ухудшение параметров приборных структур за счет интенсивной диффузии примесей в кремний, включая атомы железа. Преодолеть подобные ограничения позволяют импульсные ионные обработки (ИИО) слоев кремния имплантированных низкоэнергетическими (около 40 кэВ) ионами Fe+ [8]. Малая энергия ионов Fe+ не позволяет им проникнуть в подложку на глубину более 100 нм, поэтому для создания р-п перехода и уменьшения влияния поверхности требуется вырастить поверх такой структуры эпитаксиальный слой кремния. Однако, насколько нам известно, исследования в этом направлении ранее не проводились.
Таким образом, изучение формирования нанокристаллов /?-FeSi2 путём осаждения малых порций железа методами твердофазной и реактивной эпитаксии, и исследование эпитаксии слоёв кремния на имплантированных ионами железа кремниевых подложках являются актуальными задачами физики полупроводников.
Обоснование выбора материалов. Выбор кремния и железа в качестве материалов для формирования кремниевых наногетероструктур обусловлен тем, что железо при определённых условиях вступает в реакцию с кремнием и формирует полупроводниковый дисилицид железа /?-FeSi2, который обладает перспективными оптическими и термоэлектрическими свойствами. Кроме того, кремний и железо являются широко распространёнными, недорогими и абсолютно не токсичными материалами, а условия формирования /?-FeSi2 вполне совместимы с кремниевой технологией, что может позволить внедрить приборы на основе /?-FeSi2 в уже существующие техпроцессы создания полупроводниковых приборов.
Цель диссертационной работы - установить закономерности формирования монолитных наногетероструктур Si//?-FeSi2/Si со встроенными нанокристаллами и преципитатами полупроводникового дисилицида железа при использовании сверхвысоковакуумных методов роста и ионной имплантации.
Основные задачи диссертационной работы
1. Исследовать влияния скорости осаждения, методов осаждения железа и величины его покрытия на формирование наноразмерных островков дисилицида железа, их размеры, плотность и фазовый состав на атомарно-чистой поверхности Si(100)2x 1.
2. Установить оптимальную температуру роста кремния поверх наноразмерных островков дисилицида железа на Si(100) и определить минимальную толщину кремния для полного встраивания нанокристаллов дисилицида железа.
3. Исследовать влияние методов формирования наноразмерных островков и их размеров на встраивание нанокристаллов в кремниевую матрицу и установить их ориентационные соотношения.
4. Исследовать взаимосвязи структуры, оптических и электрических свойств наногетероструктур Si//?-FeSi2/Si(100) (в том числе многослойных) со встроенными нанокристаллами дисилицида железа.
5. Исследовать влияние дозы имплантации железа и импульсного ионного отжига на формирование преципитатов дисилицида железа в кремнии, сверхвысоковакуумную очистку, эпитаксиальный рост покрывающих слоев кремния и процессы фотолюминесценции.
Научная новизна работы
1. Впервые обнаружено, что осаждение малых порций железа (0,2 нм) с последующим длительным (20 минут) отжигом при температуре 630 °С обеспечивает формирование наноразмерных* (20-30 нм) островков дисилицида железа на Si( 100)2x1 с высокой плотностью (до 5x1010 см"2) и однородным распределением по поверхности подложки.
2. Обнаружено, что независимо от способа формирования наноразмерных островков дисилицида железа на Si(l00)2x1, эпитаксиальный рост кремния поверх островков наблюдается при температуре 700 °С. Определена минимальная толщина слоя кремния (100 нм) необходимая для полного встраивания нанокристаллов дисилицида железа с размерами 20-50 нм в кремниевую матрицу.
3. Установлены эпитаксиальные соотношения /^-FeSisCOl 1) || Si(011) и /?-FeSi2[100] || Si[l 11] для вытянутых нанокристаллов /£-FeSi2 с размерами 20-30 нм в кремниевой подложке Si(100), и показано, что нанокристаллы округлой формы с размерами менее 10 нм являются многогранниками упруго встроенными в кремниевую решетку.
4. Доказано, что сигнал фотолюминесценции в области 0,8 о В с энергией активации процесса затухания. £„=22,4 ± 3 мэВ обусловлен только излучателыюй рекомбинацией носителей заряда- в нанокристаллах ^-FeSi2, сформированных методом твердофазной эпитаксии при осаждении малых порций железа(0,2.нм).
5. Установлено, что эпитаксиальный рост кремния на- кремниевых подложках, им 1 i.iaiгшрованных ионами железа. и подвергнутых импульсному ионному, отжигу, наблюдается при 700 °С . после восстановления атомарно-чистой поверхности кремния в сверхвысоком
- I. . вакууме и только для доз имплантации железа не более 1x10 см"".
Практическая ценность
1. Разработаны два' метода формирования наноразмерных островков дисилицида,железа:ha*:Si(100) с: высокой- плотностью (до ~5х10^° cnif) и> однородностью распределения по поверхности подложки.
2. Определены оптимальная температура (7000С)молекулярно-лучевой эпитаксии кремния и минимальная толщина слоя (100 нм) достаточная; для полного встраивания; нанокристаллов: /?-FeSi2 в' кремниевую кристаллическую решетку. ' ' ■
3: Выращены эпитаксиальные. многослойные и; монолитные кремний -силицидные1 наногетероструктуры с высокой: плотностью, встроенных нанокристаллов /?-FeSi2, которые перспективны для разработки светоизлучающих структур на кремнии.
4. В монолитных наногетероструктурах с равномерно распределенными по толщине: нанокристаллами= дисилицида^ железа, наблюдается значительный рост (в 10-20 раз)? коэффициента термоэде по сравнению с монокристаллическим кремнием, что перспективно для создания термоэлектрических преобразователей.
5. Разработан метод создания эпитаксиальных слоев кремния на кремниевых подложках, имплантированных ионами железа и подвергнутых импульсному ионному отжигу, и определены границы его применимости по дозе имплантации.
Основные защищаемые положения
1. Твердофазная эпитаксия малых порций железа (0,2 нм) на Si(100) при температуре 630 °С позволяет получить высокую плотность наноразмерных островков дисилицида железа (до 5x10 см'") с близкими размерами (20-30 нм) и однородным распределением по поверхности подложки, а комбинация реактивной и твердофазной эпитаксии железа и кремния с порциями по 0,2 нм приводит к формированию дисилицида железа либо островкового, либо близкого к сплошности в зависимости от температуры последнего отжига.
2. В ходе эпитаксиального роста покрывающего слоя кремния поверх наноразмерных островков дисилицида железа наблюдается движение и выход на поверхность нанокристаллов дисилицида железа. Этот процесс усиливается высокотемпературным (850 °С) отжигом.
3. Многократное повторение формирования наноразмерных островков дисилицида железа на Si(100) методом твердофазной эпитаксии Fe или комбинацией реактивной и твердофазной эпитаксии (Fe, Si) с ростом покрывающего слоя кремния методом молекулярно-лучевой эпитаксии приводит, соответственно, к созданию монолитных или мультислойных наногетероструктур с высокой плотностью встроенных нанокристаллов /?-FeSi2
4. Фотолюминесценция в образцах, сформированных методом твердофазной эпитаксии, определяется только излучательной рекомбинацией в нанокристаллах /?-FeSi2 и характеризуется энергией активации процесса затухания £а=22,4 ± 3 мэВ.
5. Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния при Т=700 °С на кремниевых подложках, имплантированных ионами железа с дозами до 1х1016 см"2, с последующим импульсным ионным отжигом и низкотемпературной (Т=850 °С) сверхвысоковакуумной очисткой, позволяет вырастить эпитаксиальные гетероструктуры кремний — преципитаты /?-FeSi2 — кремний с интенсивной фотолюминесценцией.
Обоснованность и достоверность полученных результатов заключается в последовательном и корректном применении современных методов исследования поверхности и внутренней структуры твёрдых тел и их согласованности с результатами работ других исследовательских групп.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы были представлены в 2 устных и 2 стендовых докладах на международных и российских конференциях и симпозиумах (Россия, Япония, США), а также -в 7 устных докладах на всероссийских и региональных конференциях студентов и аспирантов с 2004 по 2009 годы.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 13 работ, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ.
Личный вклад автора. Автор провёл большую часть экспериментов по созданию исследованных в данной работе образцов. Им были получены и проанализированы все данные по морфологии и большая часть данных по оптическим свойствам образцов. Он участвовал в анализе и расшифровке данных просвечивающей электронной микроскопии.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включая 62 рисунка, 15 таблиц и список литературы из 126 наименований.
5.5. Выводы
1. Впервые были изучены структурные и оптические свойства гетероструктур Si//?-FeSi2/Si, полученных с помощью ионной имплантации Fe, импульсного^ ионного отжига (ИИО) и молекулярно-лучевой эпитаксии кремния. Показано, что ИИО имплантированных слоёв кремния на поверхности, Si(l 11), приводит к образованию ячеистой структуры, характерной для кристаллизации из расплава.
2. Процедура низкотемпературной очистки (850 °С) была впервые успешно применена ч для получения атомарно-гладкой и реконструированной поверхности кремния на имплантированных- Fe+ подложках Si(100) и Si(l 11).
3. Был изучен рост кремния методом МЛЭ на имплантированных подложках Si(lll) и Si(100) при температуре 700' - 750 °С. Установлено, что гладкие плёнки кремния с толщиной до 1,8 мкм и реконструированной поверхностью формируются на образцах с имплантированной дозой ионов Fe не более 1x10 см'". Дальнейшее увеличение дозы приводит к поликристаллическому росту кремния и существенному увеличению шероховатости её поверхности вследствие трехмерного механизма рост.
4. Формирование преципитатов /?-FeSi2 было подтверждено данными оптической спектроскопии. Наблюдавшаяся интерференция в спектрах отражения и пропускания ряда образцов указывает на формирование оптически резкой межфазовой границы Si/y3-FeSi2/Si/
5. Данные низкотемпературной ФЛ, полученные для нескольких гетероструктур Si/y3-FeSi2/Si показали, что основными факторами, определяющими интенсивность ФЛ в области 0,8 эВ, являются количество преципитатов /£-FeSi2 и кристаллическое качество покрывающего слоя кремния.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведённых работ по изучению формирования и свойств наногетероструктур на основе кремния и дисилицида железа были сделаны следующие основные выводы.
1. При самоформировании наноразмерных островков дисилицида железа на Si(100)2xl с малыми покрытиями железа обнаружено, что осаждение малых порций железа (0,2 нм) с последующим длительным (20 минут) отжигом при температуре 630 °С обеспечивает формирование наноразмерных (20-30 нм) островков дисилицида железа на Si(100)2xl с высокой плотностью (до 5x1010 см"2) и однородным распределением по поверхности подложки. Показано, что комбинация реактивной и твердофазной эпитаксии железа и кремния с порциями по 0,2 нм приводит к формированию дисилицида железа либо островкового, либо близкого к сплошности в зависимости от температуры последнего отжига.
2. Обнаружено, что эпитаксиальный рост кремния поверх наноразмерных островков дисилицида железа на Si(l 00)2х 1 наблюдается при температуре 700 °С, не зависит от метода формирования островков и приводит к образованию монокристаллических слоев кремния с атомарно-гладкой поверхностью при толщине не менее 100 нм. В процессе эпитаксиального роста покрывающего слоя кремния поверх наноразмерных островков дисилицида железа обнаружено движение и выход на поверхность нанокристаллов дисилицида железа, которое усиливается высокотемпературным (850 °С) отжигом.
3. Показано, что многократное повторение формирования наноразмерных островков дисилицида железа на Si(100) методом твердофазной эпитаксии Fe или комбинацией реактивной и твердофазной эпитаксии Fe и Si с последующим эпитаксиальным ростом кремния методом молекулярно-лучевои эпитаксии приводит, соответственно, к созданию монолитных или эпитаксиальных многослойных наногетероструктур с высокой/плотностью встроенных нанокристаллов /?-FeSi2. Установлено, что- вытянутые нанокристаллы с размерами 20 - 30. нм: упруго; встраиваются в решетку кремния; с. эпитаксиальными соотношениями. V^-FeSiKOl 1) || Si(0110 ' /^FeSi2(;i00]f|| Si[l 11(1/ а/' нанокристаллы округлой формы с размерами менее 10 нм являются многогранниками упругого встроенными в кремниевую решётку. : Установлено^ что ФЛ с максимумом при 0,8 эВ в; образцах, сформированных методом? ГФЭ, определяется только излучательной рекомбинацией, в нанокристаллах' /?-FeSi2 и характеризуется энергией активации! процесса, затухания! £/=22,4 ± 3 мэВ. В образцах, выращенных , по' комбинированному методу, сигнал ФЛ определяется как вкладом нанокристаллов />-FeSi2, так и- вкладом дислокаций. Обнаружено резкое возрастание коэффициента термоэде в монолитных наногетероструктурах, выращенных по методу ТФЭ^ Показана' возможность. получения, атомарно-гладких. и реконструированных : поверхностей; кремния,: подвергнутых имплантации' ионов железа с последующим; импульсным; ионным отжигом: (ИИО). Установлено; что' на подложках Si(100) после имплантации до дозы ионов железа- 1х1016 см"2 и ИИО растут эпитаксиальные сло№ - кремния с гладкой; реконструированной поверхностью! и толщиной до 1,8 мкм: Выращенные эпитаксиальные гетеросгруктуры кремний - преципитаты ^-FeSi2 - кремний» имеют интенсивную' фотолюминесценцию в области 0,8 эВ с суммарным вкладом от преципитатов /?-FeSi2 и дислокаций, которые характеризуются различными* энергиями: активации; затухания ФЛ — 41 мэВ-и 12 мэВ , соответственно.
1.o М., Nagai Н., Katsuyama Sh., Majima К. "Effects of Ti, Nb and Zr doping on thermoelectric performance of /?-FeSi2". // Journal of Alloys and Compounds, V.315 (2001) pp.251-258.
2. Ito M., Nagai H., Tanaka Т., Katsuyama S., Majima K. "Thermoelectric performance of n-type and p-type /?-FeSi2 prepared by pressureless sintering with Cu addition". // Journal of Alloys and Compounds, V.319 (2001) pp.303-311.
3. Grimaldi M:G., Bongiorno C., Spinalla C., Grilli E., Martinelli L., Gemelli M. et al. "Luminescence from /?-FeSi2 precipitates in Si. I. Morphology and epitaxial relationship" // Physical Review B, V.66 (2002) p.085319.
4. Баталов Р.И., Баязитов P.M., Теруков Е.И., Кудоярова B.X., Weiser G., Kuehne H. "Импульсный синтез слоёв /?-FeSi2 на кремнии, имплантированном ионами Fe+" // ФТП, 2001, том 35, вып. 11., с.1320
5. Suemasu Т., Fujii Т., Takakura К., Hasegawa F. "Dependence of photoluminescence from /?-FeSi2 and induced deep levels in Si on the size of /?-FeSi2 balls embedded in Si crystals" // Thin Solid Films 381 (2001) 209.
6. Баязитов P.M., Баталов Р.И., Теруков Е.И., Кудоярова B.X. "Рентгеновский и люминесцентный анализ мелкодисперсных плёнок /?-FeSi2, сформированных в Si импульсной ионной обработкой" // Физика твёрдого тела, 2001, том 43, вып. 9., с. 1569
7. Filonov А.В.,. Borisenko V.E, Henrion W., Lange H. "Electronic and optical properties of semiconducting iron disilicide" // Journal of Luminescence V.80 , pp.479-484 (1999)
8. Christensen N.E. "Electronic structure of ^-FeSi2" // Phys. Rev. B, V.42, (1990) pp.7148-7153.
9. Галкин Н.Г., Маслов A.M., Таланов A.O. "Электронная структура и моделирование диэлектрической функции эпитаксиальных пленок /?-FeSi2 на Si(lll)" // Физика твердого тела, том 44, вып.4 (2002) с.688-693.
10. Miglio L., Malegori G. "Origin and nature of the band gap in /?-FeSi2" // Phys. Rev. B, V.52 (1995) pp.1448-1451.
11. Bost M.C., Mahan J.E. "Summary abstract: Semiconducting silicides as potential materials for electro optic very large scale integrated circuit interconnects" II J. Vac. Sci. Technol. B, V.4 (1986) pp.1336-1338.
12. Dimitriadis C.A., Werner J.H., Logothetidis S., Stutzmann M., Weber J., Nesper R. "Electronic properties of semiconducting FeSi2 films" // J. Appl. Phys. V.68 (1990) pp. 1726-1734.
13. De Crescenzi M., Gaggiotti G., Motta N., Patella F., Balzarotti A., Mattogno G., Derrien J. "Electronic structure of epitaxial /?-FeSi2 on Si (111)" // Surf. Sci. V.251/252 (1991) pp.175-179.
14. L. Martinelli, E. Grilli, D. B. Migas, and Leo Miglio,F. Marabelli and C. Soci,M. GeddoM. G. Grimaldi,C. Spinella, "Luminescence from /?-FeSi2 precipitates in Si. II: Origin and nature of the photoluminescence" // Phys. Rev. B, V.66 (2002) p.085320.
15. Tanaka M., Kumagai Y., Suemasu Т., Hasegawa F. "Reactive deposition epitaxial growth of^-FeSi2 layers on Si(001)" // Appl. Surf. Sci. V.117/118 (1997) pp.303-307
16. Gianini С., Lagomarsino S., Scarinci F., Castrucci P. "Nature of the band gap of poly crystal line ^-FeSi2 films" // Phys. Rev. B, V.45 (1992) pp. 8822-8824.
17. Lange H. "Electronic structure and' interband optical properties of P-FeSi2" // Thin Solid Films, V.381 (2001) pp. 171-175.
18. Miglio L., Meregalli V. "Theory of FeSi2 direct gap semiconductor on* Si(100)" //J. Vac: Sci. Technol. B, V.16 (1998) pp.1604-1609.
19. Clark S.J., Al-Allak H.M., Brand S., Abram R.A. "Structure and electronic properties of FeSi2" //Phys. Rev. B, V.58 (1998) pp. 10389-10393.
20. Oyoshi K., Lenssen D., Carius R., Mantl S. "Formation of /?-FeSi2 precipitates at the Si02/Si interface by Fe+ ion implantation and their structural and optical properties" // Thin Solid Films, V.381 (2001) pp.202-208.
21. Grimaldi M.G., Coffa S., Spinella C., Marabelli F., Galli M., Miglio L., Meregalli V. "Correlation between structural and optical properties of ion beam synthesized FeSi2 precipitates in Si" // Journal of Luminescence V.80 (1999) pp.467-471
22. Shuller В., Carius R., Lenk S., Mantl S. "Optical properties of yff-FeSi2 precipitate layers in silicon" // Optical materials, V.17 (2001) pp. 121-124.
23. Homewooda K.P., Reesona K.J, Gwilliama. R.M., Kewella A.K., Lourenc.oa M.A., Shaob G., Chenb Y.L., Sharpea J.S., McKinty C.N.,
24. Butler Т. "Ion beam synthesized silicides: growth, characterization and devices" //Thin Solid Films, V.381 (2001) pp. 188-193.
25. Schuller В., Carius R., Mantl S. "Modification of /?-FeSi2 precipitate layers in silicon by hydrogen implantation" // Microelectronic Engineering, V.55 (2001) pp.219-225.
26. Desimoni J., Sa'nchez F.H., Ferna'ndez van Raap M.B., Lin X.W., Bernas H., Clerc C. "Mossbauer study of the Fe-Si phases produced by Fe implantation followed by ion-beam-induced epitaxial crystallization" // Phys. Rev. B, V.54 (1996) pp.12787-12792.
27. Milosavljevic M., Shao G., Bibic N., McKinty C.N., Jeynes C., Homewood K.P. "Synthesis of amorphous FeSi2 by ion beam mixing" // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B, V.188 (2002) pp. 166-169.
28. Yang Z., Homewood K.P., Reeson K.J., Finney M.S., Harry M.A. "ТЕМ investigation of ion beam synthesized semiconducting FeSi2" // Materials Letters, V.23 (1995) pp.215-220.
29. Suemasu Т., Fujii Т., Takakura K., Hasegawa F. "Dependence of photoluminescence from /?-FeSi2 and induced deep levels in Si on the size of^-FeSi2 balls embedded in Si crystals" // Thin Solid Films, V. 381 (2001) pp.209-213.
30. Suemasu Т., Takakura K., Cheng Li, Ozawa Y., Kumagai Y., Hasegawa F. "Epitaxial growth of semiconducting /?-FeSi2 and its application to light-emitting diodes" // Thin Solid Films, V.461 (2004) pp.209-218.
31. Suemasu Т., Fujii Т., Tanaka M., Takakura K., Iikura Y., Hasegawa F. "Fabrication of p-Si//?-FeSi2 balls/n-Si structures by MBE and their electrical and optical properties" // Journal of Luminescence, V.80 (1999) pp.473—477.
32. Sunohara Т., Cheng LI, Ozawa Y., Suemasu T. and Hasegawa F. "Growth and Characterization of Si-Based Light-Emitting Diode with-FeSi2-Particles/Si Multilayered Active Region by Molecular Beam Epitaxy" //Jpn. J. Appl.Phys., V.44, (2005), pp.3951-3953.
33. Cheng Li, Lai H., Chen S., Suemasu Т., Hasegawa F. "Improvement of luminescence from /?-FeSi2 particles embedded m silicon, with high temperature silicon buffer layer" // Journal of Crystal Growth, V.290 (2006) pp. 176-179.
34. Cheng Li, Ohtsuka Т., Ozawa Y., Suemasu Т., Hasegawa F. "Influence of boron-doped Si cap layer on the photoluminescence of /?-FeSi2 particles embedded in Si matrix" // J. Appl. Phys., V.94 (2003) pp.1518-1520.
35. Suemasu Т., Iikura Y., Takakura K., Hasegawa F. "Optimum annealing condition for 1.5 um photoluminescence from /?-FeSi2 balls grown by reactive deposition epitaxy and embedded in Si crystal" // Journal of Luminescence, V.87-89 (2000) pp.528-531.
36. Suemasu Т., Fujii Т., IIKURA Y., Takakura K., Hasegawa F. "Photoluminescence from Reactive Deposition Epitaxy (RDE) Grown-FeSi2 Balls Embedded in Si Crystals" // Jpn. J; Appl. Phys., V.37 (1998). pp.L1513-L1516.
37. Cheng LI, Suemasu Т., Hasegawa F. "Room-temperature electroluminescence of a Si-based p-i-n diode with /?-FeSi2 particles embedded in the intrinsic silicon" // J. Appl. Phys., V.97 (2005) p.043529.
38. Suemasu Т., Negishi Y., Takakura K., Hasegawa F. "Room Temperature 1.6 цт Electroluminescence from a Si-Based Light Emitting Diode with /?-FeSi2 Active Region" // Jpn. J. Appl. Phys., V.39 (2000) pp.L1013-L1015.
39. Cheng LI, Suemasu Т., Hasegawa F. "Temperature dependence of electroluminescence from Si-based light emitting diodes with /?-FeSi2 particles active region" // Journal of Luminescence, V.118 (2006) pp.3 30-334.
40. Cheng LI, Ozawa Y., Suemasu Т., Hasegawa F. "Thermal Enhancement of 1.6-um Electroluminescence from a Si-Based Light-Emitting Diode with /?-FeSi2 Active Region" 11 Jpn. J. Appl. Phys., V.43 (2004) pp.L1492-L1494.
41. Suemasu Т., Takauji M., Cheng LI, Ozawa, Y., Ichida M., Hasegawa F. "Time-Resolved Photoluminescence Study of Si//?-FeSi2/Si Structures Grown by Molecular Beam Epitaxy" // Jpn. J. Appl. Phys., V.43 (2004) pp.L930-L933.
42. Takakura K., Seki N., Suemasu T. and Haseawa F. "Comparison of donor and acceptor levels in undoped, high quality /?-FeSi2 films grown by MBE and multi-layer method" // International Journal of Moden Physics B, V.16 (2002) pp.4314-4317.
43. Sunohara Т., Kobayashi K., Suemasu T. "Epitaxial growth and characterization of Si-based light-emitting Si//?-FeSi2 film/Si double heterostructures on Si(001) substrates by molecular beam epitaxy" // Thin Solid Films, V.508 (2006) pp.371-375.
44. Takakura К., Suemasu Т., Hasegawa F. "Growth of Mn doped epitaxial /?-FeSi2 films on Si(OOl) substrates by reactive deposition epitaxy" // Thin Solid Films, V.369 (2000) pp:253-256.
45. Takakura K., HiroL N., Suemasu Т., Chichibu S.F., Hasegawa F. "Investigation^ of direct and indirect band gaps of 100.-oriented nearly strain-free /?-FeSi2 films grown by molecular-beam epitaxy" // Appl. Phys. Lett., V.80 (2002) pp:556-558.
46. Lengsfeld P., Brehme S., Ehlersj G., Lange H., Stusser N., Tomm Y., Fuhs W. "Anomalous Hall effect in ^-FeSi2" // Phys. Rev. B,V.58 (1998) pp.l 6154-16159
47. S.Brehme, P.Lengsfeld, P.Stauss, H.Lange, W.Fuhs. "Hall effect and resistivity of /?-FeSi2 thin*films and single crystals" // J. Appl. Phys., V.84 (1998) p.3187.
48. Arushanov E., Cloc Ch., Hohl H., Bucher E. "The Hall effect in /9-FeSi2 single crystals" // J. Appl. Phys. V.75 (1994) pp. 5106-5109.
49. Arushanov E., Lange H., Werner J. "Hall mobility in p-type /?-FeSi2 single crystals" // Phys. Stat. Sol.(a), V.166 (1998) pp.853-859
50. Arushanov E., Tomm Y., Ivanenko L., Lange H. "Hall mobility in Cr-doped p-type /?-FeSi2 single crystals" // Phys. Stat. Sol.(b) V.210 (1998) p.187
51. Galkin N.G, Konchenko A.V., Vavanova S.V.,. Maslov A.M, Talanov
52. A.O. "Transport, optical and. thermoelectrical properties of Cr and Fe disilicides and their alloys on Si(411)" // Appl. Surf. Sci., V.175-176 (2001) pp.344-350.
53. Teicherta S., Kilpera R., Frankea Т., Erbena J., Hausslera P., Henrionb W., Langeb H., Pankninc D. "Electrical and optical properties of thin Fei. xCoxSi2 films" // Appl. Surf. Sci., V.91 (1995) pp.56-62.
54. Arushanov E., Schonb J.H, Langed H. "Transport properties of Cr-doped /?-FeSi2" // Thin Solid Films, V.381 (2001) pp.282-286.
55. Kloc Ch., Arushanov E., Wendl M., Hohl H., Malang U., Bucher E. " Preparation and properties of FeSi, a-FeSi2 and (3-FeSi2 single crystals" // Journal of Alloys and Compounds, V.219 (1995) pp.93-96.
56. Tomm Y., Ivaneko L., Brehme S., Henrion W., Sieber I., Lange H., Irmscher K. "Effects of doping on the electronic properties of semiconducting iron disilicide" // Materials Science and Engineering: B, V.37 (1996) pp.215-218.
57. Irmscher K., Gehlhoff W., Tomm Y., Lange H., Alex V. "Iron group impurities in /3-FeSi2 studied by EPR" // Phys. Rev. B, V.55 (1997) pp.4417-4425.
58. Arushanov E., Kloc Ch., Bucher E. "Impurity band in p-type /?-FeSi2" // Phys. Rev. B, V.50 (1994) pp.2653-2656:
59. Reeson K.J., Finney M.S., Harry M.A., Hutchinson S.V., Tan Y.S., Sealy
60. B.J., Gwilliam R.M., Homewood K.P., Curello G., Yang Z., Leong D., Bearda T.R. " Electrical, optical and materials properties of ion beam synthesised (IBS) FeSi2" // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B, V.106 (1995) pp.364-371.
61. Schuller В., Carius R., Mantl S. "Modification of /?-FeSi2 precipitate layers in silicon by hydrogen implantation" // Microelectronic Engineering, V.55 (2001) pp.219-225.
62. Reeson K.J., Sharpe J., Harry M., Leong D., McKinty C., Kewell A., Lourenfo M., Chen Y.L., Shao G., Homewood K.P. "Is there a future for semiconducting silicides? (invited)" // Microelectronic Engineering, V.50 (2000) pp.223-235.
63. Миронов B.JI. "Основы сканирующей зондовой микроскопии". -Нижний Новгород: Российская академия наук, Институт физики микроструктур, 2004. 110с.
64. Соболев В.В., Алексеев С.А., Донецких В.И. "Расчеты оптических функций полупроводников по соотношениям Крамерса-Кронига". -Кишинев: Штиинца, 1976,- 146с.
65. Gordon Davies, "The optical properties of luminescence centers in silicon" // Physics Reports (Review Section of Physics Letters) V.176, n.3&4, pp.83-188, (1989).
66. Hammond R.B., Silver R.N., " Temperature dependence of the exciton lifetime in high-purity silicon" // Appl. Phys. Lett., V.36 (1980) p.68.
67. Дроздов H.A., Патрин A.A., Ткачев В.Д. "Рекомбинационное излучение на дислокациях в кремнии" // Письма в ЖЭТФ том 23 в.11 (1976) с.651-653
68. Уманский Я.С., Скаков . Ю:А.,, Иванов А Н., Расторгуев JI.H. "Кристаллография, рентгенография н электронная микроскопия". М:: Металлургия, 1982, с.436 -448.
69. Вудраф Д., Делчар Т. "Современные методы исследования-поверхности". М.: Мир, 1989, 568 с. , ,85; Van Hove М.А., Tong S.Y: "Surface Crystallography by LEED "- Berlin, Springer-Heidelberg, 1979, p.364:
70. Heinz K., Muller K. "LEED Intensities-Experimental Progress and New Possibilities* in Surface Structure; Determination" // Springer Tracts in Mod. Phys.,. V 91 (1982) p. 1
71. Кулешов В.Ф., Кухаренко Ю.Ф., Фридрихов C.A. и др. "Спектроскопия и дифракция электронов при исследовании поверхности твёрдых тел" Москва: Наука, 1985. — 290 с.
72. Van Hove М.А. et. a I. "Automated determination of complex surface structures by LEED" // Surface Science Reports. V. 19. (1980) p. 191.
73. КучисУ.Б. "Методы исследования: эффекта Холла". Москва: Советское радио, 1974, 328 с.
74. ФистульВ.И. "Введение в физику , полупроводников". Москва: Высшая школа, 1975, 296с:
75. Смит Р. "Полупроводники". Москва: Мир, 1982, 558с.
76. Павлов Л.П. "Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов". Москва: Высшая школа, 1975, 207с.
77. УхановЮ.А. "Оптические свойства полупроводников". Москва: Наука, 1977, 252с.
78. Панков Ж. "Оптические процессы в полупроводниках". Москва: Мир, 1973,456с.
79. Солвер P-47-PRO // NTMDT.RU: официальный сайт компании NT-MDT производителя сканирующих зондовых микроскопов URL: http://www.ntmdt.ru/device/solver-p47-pro (дата обращения 07.07.2009)
80. Плюснин Н.И. Поверхностные фазы и формирование границы раздела Сг и CrSi2 с монокристаллическим кремнием. Дисс. канд. Физ. Мат. Наук. Владивосток 1986 200 с.
81. Shoji F., Shimoji Н., Makihara Y., Naitoh M. "Surface analysis of /?-FeSi2 layer epitaxially grown on Si(100)" // Thin Solid Films, V.461, (2004) pp.116-119.
82. Raunau W., Niehus H., Comsa G. "Epitaxial iron silicides on Si(001): an investigation with scanning tunneling microscopy and spectroscopy" // Surf. Sci. Lett., V.284 (1993) pp.L375-L383.
83. Chrost J., Hinarejos J.J., Segovia P., Michel E.G., Miranda R. "Iron silicides grown on Si(100): metastable and stable phases" // Surf. Sci., V.371, (1997) pp. 297-306.
84. Ворончихин А.С., Гомоюнова M.B., Малыгин Д.Е., Пронин И.И. "Формирование интерфейсных фаз силицидов железа на поверхности окисленного кремния в режиме твердофазной эпитаксии" // ЖТФ, том 77, вып. 12, (2007) с. 55-60.
85. Kataoka К., Hattori<K., Miyatake Y., Daimon H. "Iron silicides grown by solid phase epitaxy on a Si(lll) surface: Schematic phase diagram" // Phys. Rev. B, V.74 (2006) p. 155406.
86. Выгодский М.Я. "Справочник по высшей математике". -Mi: "Джангар".2001, с.863.
87. Galkin N.G., D'ozsa L., Turchin T.V., Goroshko D.L., P'ecz В., T'oth L., Dobos L„ Khanh N.Q. and Cherednichenko A.I. "Properties of CrSi2nanocrystallites grown in a silicon ■ matrix" 7/ J. Phys.: Condens. Matter, V.19 (2007) p.506204
88. Spinell C., Coffa S., Bongiomo G., Pamiitteri S., Grimaldi MiG; "Origin and perspectives of the 1.54 um luminescence from ion-beam-synthesized b-EeSi2'precipitates in Si." // Appl. Phys. Lett., V.76 (2000) pp. 173-175.
89. Штейнман Э.А. "Модификация центров дислокационной люминесценции в кремнии под влиянием кислорода". // ФТТ, 2005, том 47, вып. Г, с. 9-12.
90. Lee U.H., Lee D., Lee H. G., Noh S. К, Leem J. Y., Lee H. J. "Visible photoluminescence from self-assembled InAs quantum dots embedded in AlAs cladding layers" Appl.Phys.Lett., V.74 (1999) p. 1579.
91. Ламперт M., Марк П. "Инжекционные токи в твердых телах" -М.: Мир, 1973.
92. Комаров Б.А. "Особенности отжига радиационных дефектов в р-п-структурах: роль примесных атомов железа" // ФТП том.38, вып.9, 2004, с. 1079-1083
93. Bayazitov R., Batalov R., Nurutdinov R., Shustov V., Gaiduk P., Dezsi I., Kotai E. "Iron distribution in the implanted silicon under the action of high-power pulsed ion and laser beams" // Nucl. Instr. Meth. B, V.240 (2005) pp.224-228.
94. Lourenco M.A., Siddiqui M.S.A., Gwilliam R.M., Shao G., Homewood K.P. "Efficient silicon light emitting diodes made by dislocation engineering" // Physica E, V.16 (2003) pp.376-381.
95. Lourenco M.A., Gwilliam R.M., Shao G., Homewood K.P. "Dislocation engineered p-FeSi2 light emitting diodes" // Nucl. Instr. Meth. B, V.206 (2003) pp.436-439.
96. Ziegler J, Biersack Jand Littmark U 1985 The Stopping and Range of Ions in Solids (New York: Pergamon).
97. Batalov R.I, Bayazitov R.M., Terukov E.I., Kudoyarova V.Kh., Weise G. Kuehne H. "A pulsed synthesis of/?-FeSi2 layers on silicon implanted with Fe+ ions" // Semiconductors, V.35 (2001) pp. 1263-1269.
98. Лифшиц В.Г. "Электронная спектроскопия и атомные процессы на поверхности кремния" -М.: Наука, 1985. 200с.
99. Chrost J., Hinarejos J.J., Michel E.G, Miranda R. "Surface dangling bond state in Si(lll) and epitaxial /?-FeSi2 films: a comparative photoelectron spectroscopy study" // Surf. Sci., V.330 (1995) pp.34-40.
100. Galkin N.G., Maslov A.M., Talanov A.O. "Electronic structure and simulation of the dielectric function of /?-FeSi2 epitaxial films on Si(l 11)" // Phys. Sol. State, V.44 (2002) pp.714-719.
101. Dusausoy P.Y., Protas J., Wandl R., Pokus B. "Structure cristalline du disiliciure de fer, /?-FeSi2" // Acta Cry stall ographica B, V.27 (1971) pp.1209-1216.
