ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, < 7, с. 36-40
УДК 543.428:537.622
АНАЛИЗ ТОНКИХ СЛОЕВ МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ Ое:Мп МЕТОДАМИ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ И ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИИ
© 2008 г. Е. С. Демидов1, С. Ю. Зубков1, В. П. Лесников2, Г. А. Максимов1, Д. Е. Николичев1, В. В. Подольский2
Нижегородский государственный университет им. НИ. Лобачевского, Н. Новгород, Россия 2Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ, Н. Новгород, Россия
Поступила в редакцию 25.06.2007 г.
Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и электронной оже-спектро-скопии (ЭОС) исследовались тонкие (~60 нм) слои германия, пересыщенного примесью марганца до 10-16 ат. %. Слои получены методом импульсного лазерного осаждения на монокристаллическую подложку полуизолирующего ОаАз. По результатам РФЭС-анализа слоев Ое:Мп выявлено изменение формы линии германия (2р), марганца (2р) в приповерхностной области по сравнению с более глубокими слоями, что свидетельствует о переходе от окисленной формы материала-основы (Ое2+, Ое1^) и примеси (Мп2+) вблизи поверхности к неокисленному состоянию германия (Ое0) и марганца (Мп0) в толще слоя. РФЭС-спектры валентных электронов структуры Ое:Мп указывают на то, что плотность состояний в валентной зоне ферромагнитных структур Ое:Мп обусловлена не только механической смесью германия и марганца. Состав гетерогенных включений в пленке Ое:Мп изучен методом сканирующей оже-микроскопии.
ВВЕДЕНИЕ
Тонкие слои германия (кремния), пересыщенные примесями 3^-элементов (Мп, Бе) в процессе импульсного лазерного осаждения, проявляют признаки ферромагнитного упорядочения спинов [1], что создает перспективы их применения в спин-тронике. Ферромагнетизм в таких слоях при температурах до 400-500 К подтверждается наблюдением ферромагнитного резонанса и магнитооптического эффекта Керра. В гальваномагнитных измерениях характерный для ферромагнетиков аномальный эффект Холла при 77 К ярко выражен для слоев ве:Мп на подожке ваАв, содержащих 13 ат. % марганца [2].
Целью данной работы являлось изучение состава слоев германия, легированного марганцем, методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и электронной оже-спектро-скопии (ЭОС).
МЕТОДИКА
Образцы для исследования были выращены методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) ве и Мп на подложке из полуизолирующего ваАв в вакуумной камере с давлением остаточных газов 10-М0-4 Па при температуре подложки 450°С. Для распыления вращающейся мишени, имеющей секторы ве и Мп, применялся АИГ:Ш-лазер с длиной волны излучения 1.06 мкм, энергией и длительностью импульса 0.2 Дж и 12 нс соответ-
ственно, с частотой повторения импульсов 10 Гц [3]. След испарения лазером материалов мишени представлял собой окружность, поэтому соотношение длин дуг распыляемых Ge и Mn определяло уровень легирования выращиваемого слоя. Толщина слоев Ge:Mn для различных исследуемых образцов составляла 55-60 нм.
Анализ структур проводился на сверхвысоко-вакуумной (давление 10-9 Па) установке Omicron Multiprobe S, включающей аппаратуру для РФЭС-и ЭОС-исследований. Для возбуждения спектра в методе РФЭС применялся источник характеристического излучения с Mg или Al анодом, для ЭОС - источник электронов с энергией до 5 кэВ. Сепарация фото- и оже-электронов по энергии осуществлялась полусферическим анализатором. Площадь сбора электронов с поверхности образца составляла 3 х 3 мм. Регистрация спектра производилась в электронно-счетном режиме с помощью вторично-электронных умножителей. Анализатор энергии работал в режиме постоянной энергии пропускания для получения электронного спектра с постоянным абсолютным разрешением 0.3 эВ. Постоянная времени регистрации сигнала в каждой точке спектра - 2.5 с. При локальном элементном анализе оже-электроны возбуждались с помощью растровой электронной колонны. Диаметр электронного зонда составлял 20 нм. Латеральное разрешение в режиме локального анализа на образцах Ge:Mn/GaAs было в три с половиной раза хуже и составило около 70 нм
ои-
нм -800
и
0 60
мкм
Рис. 1. Топография поверхности тонкой пленки Ое:Мп с содержанием марганца ~16 ат. % (а); РЭМ-изображение микрокапли на поверхности структуры (б); АСМ-изображение микрокапли на поверхности (в).
ввиду зарядки поверхности пленки магнитного полупроводника на полуизолирующей подложке.
При послойном анализе пленку Ge:Mn стравливали распылением ионами Лг+ с энергией 1 кэВ. На поверхности образца ионный пучок имел диаметр 15 мм. Скорость травления была определена по измерению сигнала основных компонентов (Ge, Ga, As) структур с различной толщиной слоев Ge:Mn и составила 0.27 нм/мин. В работе [4] была определена глубина перемешивания для многослойных структур SiGe/Si, имеющих резкую границу при сходных с нашей работой условиях ионного травления. При распылении слоев GeSi ионами аргона с энергией 1 кэВ глубина перемешивания, определенная из экспериментальных данных, была 4-5 нм. Это значение было принято нами в качестве оценки для структур Ge:Mn/GaAs.
Морфология поверхности выращенных слоев контролировалась перед спектрометрическими измерениями методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на воздухе с использованием прибора NT-MDT Solver Pro.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По данным АСМ-измерений на поверхности пленок ве:Мп, полученных методом импульсного лазерного осаждения, наблюдались микрообъекты в виде капель различной формы, плотность которых составила ~106 см-2, диаметр 1-15 мкм, а средняя высота порядка 500 нм (рис. 1). Капли представляли собой конусы, окруженные кольцом (рис. 16), и кольца с углублением в центре (рис. 1в). Шероховатость поверхности пленок в областях
между каплями была порядка межатомного расстояния и составляла около 0.3 нм. То есть на большей части поверхность пленок была практически атомарно гладкой. АСМ-измерения показали, что на некоторых образцах имелись кратеры со средним латеральным размером около 100 нм, плотность которых была около 5 х 107 см-2.
Мелкие капли размером около 1 мкм, по-видимому, образовывались вследствие конденсации частиц лазерной плазмы на стадии ее инерционного разлета. Возникновение больших капель размером 315 мкм может быть связано с неоднородностью интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного пучка. Такая неоднородность могла приводить к возникновению в зоне испарения мишени областей с различной температурой, и часть расплавленного материала могла оказаться в разлетающихся продуктах лазерной эрозии, попадая на подложку в виде капель различной формы.
В результате РФЭС-исследований были получены данные о химическом состоянии компонентов в эпитаксиальных слоях ве:Мп на различной глубине. Для оценки химической формы германия и марганца использовались их 2р-линии. На рис. 2 представлены 2р-переходы в спектре германия и марганца, в каждом из которых присутствуют гауссианы, соответствующие оксидному (ве02) и неоксидному (ве0) состоянию германия (рис. 2а) и оксидному (Мп02) и неоксидному (Мп0) состоянию марганца (рис. 26). Разложение линий спектра на гауссианы и идентификация химического состояния элементов выполнялись с использованием базы данных для РФЭС-спектров [5].
Энергия связи, эВ Энергия связи, эВ
Рис. 2. 2рз-переходы в РФЭС-спектре германия (а) и марганца (б). Спектр германия соответствует глубине травления 0.5 нм, спектр марганца - 6 нм. Глубины травления выбраны для наглядности и соответствуют сравнительно одинаковой интенсивности окисленного и неокисленного состояния Ое и Мп.
/, 103 450 г 400350 -300 -250 -200 150 100 50
(а)
/, 103
35
(б)
6 8 10 Глубина, нм
6 8 10 Глубина, нм
Рис. 3. Изменение по глубине пленки интенсивности линий, относящихся к оксидному и элементному состоянию германия (а) и марганца (б).
Общей закономерностью, как и следовало ожидать, являлся переход от окисленной формы германия и марганца к неокисленному состоянию (рис. 3). При этом глубина перехода к неокисленному состоянию для германия составляла около 3 нм, когда линия, соответствующая окисленной форме, исчезала почти полностью. В случае марганца линии, соответствующие оксиду, и линии элементарного марганца начинали сравниваться по амплитуде на глубине 4 нм, а полное исчезновение линии, относящейся к оксиду марганца, происходило на глубине 10 нм.
В процессе послойного анализа эпитаксиаль-ных слоев было выявлено присутствие одного из компонентов материала подложки (ва) в приповерхностном слое пленок германия, легированного марганцем, даже в тех случаях, когда пленки бы-
ли сплошными и бездефектными (рис. 4). Заметное количество ва и Ав на глубинах более 20 нм может быть связано с перемешиванием материалов вследствие взаимодействия частиц эрозионной лазерной плазмы с подложкой.
На исследуемых образцах в профиле распределения концентрации Мп по глубине (рис. 4) выявлены провалы в приповерхностной области (1-2 нм), что, по-видимому, связано с процессами сегрегации марганца на поверхности структур. Такой эффект проявлялся в большей степени на образце, для которого время между изготовлением и измерением составляло больше года.
О взаимодействии атомов основного компонента ве с примесными атомами марганца можно судить по спектрам РФЭС валентной зоны полупроводника вблизи уровня Ферми, £Р (рис. 5).
АНАЛИЗ ТОНКИХ СЛОЕВ МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
39
Концентрация, ат. % 70
60 50 40 30 20 10
-■-ве —•—Мп -ж-о -▼-ва
-♦-Д8 20
Концентрация, ат. % 25 ^ №
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Глубина, нм
15
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
0
5 10 15 Глубина, нм
Рис. 4. Профиль распределения концентрации германия, марганца, кислорода, галлия и мышьяка по глубине пленки ве:Мп на подложке из ваЛБ (а) и в увеличенном масштабе для Мп и ва (б). РФЭС-линии, используемые для построения распределения: для ве, Мп, ва, Лб - 2р, для О - 1д.
С этой целью были сняты спектры чистых веществ - ве и Мп - вблизи потолка валентной зоны (линии 4р и 3с1 соответственно) и спектр от исследуемых пленок ве:Мп в этом же интервале значений энергии связи (рис. 5, линия 1). С использованием измеренной концентрации ве и Мп в пленке в качеств
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.