Исследование электронной и атомной структуры систем Gd/GaAs(110) и Dy/GaAs(110) в широком интервале температур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

i* -4 . т п J / i. г п - ' /

-/ / if Г О -

I i J J i

московским государственный университет

_имени М.В.ЛОМОНОСОВА_

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 621.315.592

Чайка Александр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ И АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ СИСТЕМ Ос1/ОаА8(110) И БуЮаА8(110) В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ

ТЕМПЕРАТУР.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор П.К. Кашкаров

кандидат физико-математических наук, A.M. Ионов

МОСКВА-1999

Оглавление

Введение.........................................................................................5

Глава 1. Литературный обзор...............................................................9

1.1. Атомарно-чистая поверхность ОаАБ(110)...........................................9

1.2. Формирование пленок металлов......................................................14

1.3. Электронные свойства контакта металл-полупроводник........................19

1.4. Формирование интерфейсов в системах редкоземельный элемент-поверхность ОаАз(110)..................................................................25

1.5. Краткие выводы и постановка задачи...............................................34

Глава 2. Методика эксперимента.........................................................36

Общие замечания..............................................................................36

2.1. Методы анализа атомной структуры поверхности...............................38

2.1.1. Дифракция медленных электронов..........................................38

2.1.2 Оже-электронная спектроскопия.............................................39

2.2. Методы анализа электронной структуры поверхности..........................42

2.2.1. Спектроскопия характеристических потерь энергий электронов.....42

2.2.2. Фотоэлектронная спектроскопия.............................................43

2.3. Методика формирования слоев Ос! и Эу на поверхности ОаАБ(110).........46

2.4. Методика низкотемпературного эксперимента....................................48

2.5. Экспериментальные установки.......................................................49

Глава 3. Исследование системы Ос1/ОаА8(110) в диапазоне

температур 20—300 К....................................................................54

3.1. Экспериментальные результаты......................................................54

3.1.1. Дифракция медленных электронов..........................................54

3.1.2. Фотоэлектронная спектроскопия.............................................56

3.1.3. Спектроскопия характеристических потерь энергий электронов.....66

3.2. Обсуждение результатов...............................................................72

3.2.1. Формирование интерфейса вс1/ОаА8(110) при низких и комнатной температурах.............................................................................72

3.2.2. Зависимость механизма роста от температуры подложки..............80

3.2.3. Формирование барьера Шоттки в системе 0(ШаА8(110)...............83

3.3. Краткие выводы..........................................................................86

Глава 4. Исследование системы Бу/ваАз^ 10) в диапазоне

температур 20—300 К....................................................................88

4.1. Экспериментальные результаты......................................................88

4.1.1. Дифракция медленных электронов..........................................88

4.1.2. Фотоэлектронная спектроскопии.............................................90

4.1.3. Спектроскопия характеристических потерь энергий электронов.....98

4.2. Обсуждение результатов..............................................................103

4.2.1. Зависимость морфологии слоя и образующихся в интерфейсе продуктов реакции от температуры подложки.................................103

4.2.2. Формирование барьера Шоттки в системе Оу/ОаАз(ПО) при

100 К и 300 К. Связь величины барьера со структурой интерфейса.......108

4.3. Краткие выводы........................................................................110

Заключение..................................................................................112

Литература...................................................................................115

Список используемых сокращений:

БШ - барьер Шоттки ДМЭ - дифракция медленных электронов ОЭС - оже-электронная спектроскопия ПС - поверхностные состояния РЗЭ - редкоземельный элемент СВВ - сверхвысокий вакуум СК - Странски-Крастанов СТМ - сканирующая туннельная микроскопия СХПЭЭ - спектроскопия характеристических потерь энергий электронов УФЭС - ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия

ФВ - Фольмер-Вебер ФВДМ - Франк-ван дер Мерве

0 - величина покрытия в монослоях МЬ - монослой

Введение

Актуальность темы диссертации. В последние годы поверхности твердых тел и границы раздела металл - полупроводник стали объектами многочисленных исследований. Значительный интерес к таким объектам обуславливается прежде всего их практической важностью. Развитие современной электроники приводит ко все большей миниатюризации микросхем, в которых используются приборы, принципы работы которых основаны на различных поверхностных эффектах. Поэтому совершенствование микроэлектроники предъявляет все большие требования к объектам с пониженной размерностью. В связи с этим исследование различных явлений на поверхностях и границах раздела приобретает значительную практическую ценность для развития современных технологий.

Известно, что металлы редкоземельных элементов (РЗЭ) и их соединения обладают рядом уникальных физических свойств, среди которых можно отметить прежде всего магнитные. В связи с этим, представляет несомненный интерес исследование транспортных и магнитных свойств систем РЗЭ/полупроводник и многослойных систем с использованием РЗЭ. Однако, создание подобных систем и исследование их свойств невозможно без детального понимания явлений, происходящих на границе раздела РЗЭ/полупроводник.

Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию процессов формирования различных границ раздела металл - полупроводник (см., например, обзоры [1,2]), весьма малое число опубликованных до настоящего времени данных относилось к изучению систем РЗЭ/полупроводник, и, в частности, систем РЗЭ - поверхность арсенида галлия. Этот факт, на наш взгляд, может быть связан с высокой химической активностью РЗЭ и, следовательно, трудностью приготовления чистых поверхностей. Получение атомарно-чистых поверхностей металлов и соединений РЗЭ стало возможным лишь с появлением современной техники, позволяющей проводить

исследования в условиях глубокого вакуума. Таким образом, изучение процессов на границе раздела РЗЭ/полупроводник может быть первым шагом на пути создания многослойных и мультисистем. При этом, особый интерес представляют системы, содержащие РЗЭ с большим спином (например вс! со спином 7/2 и Оу со спином 5/2).

Кроме того, изучение границ раздела РЗЭ/полупроводник представляет интерес и с фундаментальной точки зрения, поскольку в таких вопросах физики поверхности как, например, формирование барьера Шоттки (БИТ) еще нет полной ясности даже после десятилетий интенсивных исследований. Влияние температуры подложки на физические явления на границе раздела, такие как формирование интерфейса и БШ, также представляет значительный интерес. Необходимо отметить, что количество подобных работ, в которых системы металл - полупроводник исследовались одновременно при комнатной и низких температурах (близких к температурам жидкого азота и гелия) невелико, а низкотемпературные исследования систем РЗЭ/СаАз(110) докладывались в единичных работах.

Все вышеперечисленные обстоятельства и определили в значительной степени постановку задачи.

Целью данной диссертационной работы является комплексное исследование систем Сс1/ОаА8(110) и Ву/ОаАз(1Ю) в процессе осаждения атомов гадолиния и диспрозия на подложку при комнатной и низких (20 К, 100 К) температурах и изучение зависимости механизмов формирования интерфейса и БШ от температуры подложки. Для решения этой задачи использовался комплекс современных методик, таких как оже-электронная спектроскопия (ОЭС), ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС), дифракция медленных электронов (ДМЭ), спектроскопия характеристических потерь энергий электронов (СХПЭЭ).

К научной новизне можно отнести прежде всего сам факт комплексного исследования систем ОёЛЗаАзО 10) и Ву/ОаАз(ПО) с помощью ряда методик анализа поверхности (ОЭС, УФЭС, СХПЭЭ, ДМЭ) при разных температурах

подложки. Если для системы вё/р-СаАз ранее были опубликованы единичные работы, в которых формирование интерфейса при комнатной температуре исследовалось с помощью фотоэмиссии, то для системы Бу/ваАз, насколько нам известно, подобных работ опубликовано не было. К новым можно также отнести и проведенные исследования упомянутых систем при температурах близких к гелиевым. Подобные исследования с использованием методов фотоэмиссии и сканирующей туннельной микроскопии проводились лишь для системы 8т/ОаАз(110). Полученные в нашей работе новые данные для систем Сс1/ОаАз(110) и Оу/ОаАз(ПО) при низких и комнатной температурах могут быть полезны как с фундаментальной, так и с практической точек зрения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Установлено, что осаждение атомов Ос1 на поверхность скола СаАз(110) приводит к образованию разупорядоченного интерфейса при всех исследованных температурах подложки (20, 100 и 300 К) в интервале покрытий 0=0—10 монослоев. При температурах подложки 100 и 300 К реакция между осаждаемыми атомами и подложкой начинается уже на самых ранних стадиях напыления Ос1 (0<О.ОЗ монослоя) и обуславливает образование интерфейсных соединений ОсЮа и Оё-Аэ, присутствие которых наблюдается даже при покрытиях вё около 10 монослоев. При более низких температурах подложки (20 К) реакция значительно ослаблена из-за низкой подвижности атомов и, как следствие, затрагивает только верхний слой атомов подложки.

2) Обнаружено, что уменьшение температуры подложки ведет к изменению механизма роста слоев вс! на поверхности ОаАз(ПО). При комнатной температуре рост соответствует островковой модели, тогда как при 100 К он близок к модели Странски-Крастанова (неупорядоченные островки на сформировавшемся монослое атомов металла). Осаждение атомов вс! на подложку, охлажденную до 20 К, приводит к послойному росту вс1.

3) Показано, что формирование барьера Шоттки в системе ОсЮаАз(110) обусловлено 2 типами состояний в запрещенной зоне полупроводника. На начальной стадии роста быстрый изгиб зон обусловлен собственными

дефектными состояниями, возникающими за счет энергии выделяемой при адсорбции атомов в(1 Окончательное же положение уровня Ферми, которое устанавливается при покрытиях превышающих 1 монослой, обусловлено так называемыми металлоиндуцированными состояниями.

4) Обнаружено формирование реактивного интерфейса в системе Оу/ОаА8(ПО) при всех исследованных температурах подложки. Как и для системы Ос1/ОаАз(110), при 300 и 100 К реакция осаждаемых атомов с подложкой начинается при толщине покрытия 0<О.ОЗ монослоя. На начальной стадии роста реакция приводит при комнатной температуре к образованию в интерфейсе соединений типа Бу-АБ и сегрегации атомов ва, а при 100 К к образованию неупорядоченных интерфейсных фаз Оу-Оа-АБ на разрушенной поверхности ОаАзО 10). Как и для системы ОёЛЗаАз, реактивность существенно снижается при охлаждении подложки до 20 К.

5) Определены различные величины барьеров Шоттки в системах Оу/ОаАз(110), полученных при 300 и 100 К. Экспериментально найдено, что изгиб зон в этих системах завершается при субмонослойных покрытиях, что согласуется с моделью собственных дефектов Спайсера. Отличие величин барьера Шоттки при низкой и комнатной температурах связано с различием получающихся в интерфейсе продуктов реакции. В результате этого образуются собственные дефекты ваАз, характеризуемые различным положением энергетических уровней в запрещенной зоне. Так, формирование соединений Ву-Аэ и уменьшение числа антиструктурных дефектов типа АзСа обуславливает увеличение барьера Шоттки (300 К), тогда как реакция, приводящая к образованию фаз Бу-ва и уменьшению числа центров типа ОаА8, вызывает уменьшение величины изгиба зон (100 К).

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Атомарно-чистая поверхность GaAs(llO).

Кристаллы арсенида галлия имеют решетку типа цинковой обманки (структура сфалерита, пространственная группа Т d). Данная решетка, показанная на рис. 1.1, может быть представлена как две вставленные друг в друга гранецентрированные кубические решетки с постоянной решетки а=5.65А, смещенные друг относительно друга на четверть периода решетки. Каждый атом галлия (мышьяка) в такой решетке тетраэдрически связан с четырьмя ближайшими атомами мышьяка (галлия). Аналогичную структуру имеют кристаллы германия и кремния (структура типа алмаза, группа 07h). Отличие решеток типа алмаза и цинковой обманки заключается лишь в отсутствии центра инверсии в последней, что связано с наличием двух типов атомов в ней.

Связи в решетке арсенида галлия, как и в решетке типа алмаза (Ge, Si), описываются sp3 гибридизованными орбиталями, однако, в отличие от чисто ковалентного характера связи в элементах четвертой группы, в GaAs существует перенос заряда от одного атома к другому (от катиона к аниону), из чего следует наличие ионной компоненты в связях. Последнее приводит, в частности, к полярности кристаллографических граней (111) и (100). Поверхность же (110) арсенида галлия неполярна и содержит равное число атомов Ga и As (см. рис. 1.2).

Чистые поверхности арсенида галлия получаются, как правило, тремя основными методами: 1) сколом непосредственно в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ); 2) очисткой поверхности с помощью ионной бомбардировки и последующей термообработкой (отжиг до 400-600°С в условиях СВВ); 3) молекулярно лучевой эпитаксией. Последние два метода относятся, как правило, к приготовлению чистых поверхностей (111) и (100) арсенида галлия, первый же используется для получения поверхности GaAs(l 10), так как, ввиду

Рис. 1.1. Решетка типа цинковой обманки. Атомы одного сорта обозначены на рисунке сплошными, а другого - открытыми кружками.

ATOMIC STRUCTURE OF GaAs(HO)lxl SURFACE

IDEAL RELAXED

(a) TOP VIEW

IDEAL RELAXED

(a) TOP VIEW

(ПО) "^^^/^^RysV^ f*— 5.654Д —•* (OOI) 1 (OOÎ) 5.S54Â —

(b) SIOE VIEW

3a ATOMS О - SURFACE LAYER О - SECOND LAYER o- THiRO LAYER

As ATOMS © - SURFACE LAYER ©- SECOND LAYER ®-THfRD LAYER 8T 5 TILT ANGLE

Рис. 1.2. Расположение атомов в трех верхних слоях GaAs в случае идеальной и релаксированной решетки [77]. Угол поворота связи обозначен на рисунке как @т-

неполярности этой грани, кристаллы арсенида галлия хорошо скалываются вдоль плоскости (110).

Понятно, что разного рода обработки поверхности могут привести к внедрению инородных атомов, нарушению стехиометрии и изменению структуры поверхности. В связи с этим скол в СВВ представляется наиболее простым и надежным способом получения атомарно-чистой поверхности. Этим и объясняется тот факт, что большинство экспериментальных исследований для арсенида галлия было выполнено на поверхности ОаАз(ПО), являющейся естественной плоскостью скола.

На рис. 1.2 показано расположение атомов трех ближайших к поверхности ОаАэОЮ) слоев в случае идеально-терминированной (такое расположение атомов имеет место в объеме кристалла) и релаксированной решетки арсенида галлия. Как видно из рисунка, каждый атом Оа (Аб) на поверхности связан с двумя ближайшими атомами Аб (ва) своего слоя и одним атомом Аз (Оа) соседнего слоя. При этом одна связь у атомов поверхностного слоя остается оборванной в результате скола. Атомы в плоскости (110) образуют набор зигзагообразных цепочек с перемежающимися атомами галлия и мышьяка, вытянутых в направлении [110].

Многочисленные исследования состояния поверхности (110) арсенида галлия с использованием метода ДМЭ показали структуру (1x1) без дополнительных сверхрефлексов. При этом, получаемые по данным ДМЭ размеры элементарных ячеек на поверхности совпадали с известными для объема ОаАэ. Однако, расположение атомов в объеме арсенида галлия и вблизи поверхности скола (110) все-таки различны, а реальная картина близка к показанной в правой части рис. 1.2. Как следует из рисунка, атомы ва и Аб в ближайших к поверхности слоях испытывают смещения в направлении, перпендикулярном плоскости скола (110). Такое явление носит название поверхностной релаксации. Впервые экспериментально наличие релаксации поверхности ОаАз(110) было подтверждено с помощью метода динамической ДМЭ [3,4]. Измерения интенсивностей дифракционных пятен показали наличие

смещений атомов в направлениях перпендикулярных плоскости скола. Впоследствии, теоретические расчеты, проведенные методом минимизации поверхностной энергии [5-8], подтвердили такую картину поверхностной релаксации.

Релаксация поверхности приводит к смещению атомов мышьяка наружу, а атомов галлия вглубь кристалла. При этом, согласно сложившимся представлениям, расстояния между атомами сохраняются и имеет место лишь поворот связи на угол ©г. Этот процесс схематически показан на рис. 1.2(Ь). Расчеты различных авторов [9-13] дают близкие значения угла &у, которые находятся в пределах от 27° до 33°.

Релаксация затрагивает не только атомы поверхностного слоя. Атомы низлежащих слоев также испытывают смещения в направлении перпендикулярном плоскости (110). При этом, атомы каждого последующего слоя смещаются в направлениях противоположных смещениям атомов предыдущего слоя, но величин