научная статья по теме ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗОН ПРИ ИЗМЕНЕНИИ РАЗМЕРОВ НАНОКРИСТАЛЛОВ И НАНОПЛЕНОК СИЛИЦИДОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗОН ПРИ ИЗМЕНЕНИИ РАЗМЕРОВ НАНОКРИСТАЛЛОВ И НАНОПЛЕНОК СИЛИЦИДОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 7, с. 91-95

УДК 533.537

ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗОН ПРИ ИЗМЕНЕНИИ РАЗМЕРОВ НАНОКРИСТАЛЛОВ И НАНОПЛЕНОК СИЛИЦИДОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ © 2011 г. Б. Е. Умирзаков, Д. А. Ташмухамедова, Х. Х. Курбанов

Ташкентский государственный технический университет имени Абу Райхана Беруни,

Ташкент, Узбекистан Поступила в редакцию 09.02.2010 г.

Изучены изменения параметров кристаллической решетки и параметров энергетических зон на-нопленок и нанокристаллов Со812, созданных в поверхностных слоях методом ионной имплантации в сочетании с отжигом. Показано, что ширина запрещенной зоны Еъ нанопленок Со812/81 (100) при толщине пленки 9 < 40—50 А на ~0.1 эВ больше, чем для "толстых" пленок, а в случае нанокристаллов Еъ на 0.3—0.4 эВ больше, чем для макрокристаллов.

ВВЕДЕНИЕ

Для использования квантовых эффектов в целях создания приборов необходимо получить структуры с размерами, меньшими или много меньшими, чем некоторые характерные длины [1, 2]. В связи с этим необходимо интенсивное развитие технологии создания новых нанопленок и нанокристал-лов, свойства которых резко отличаются от свойств объемных материалов. Определение оптимальных условий создания и изучение свойств наноструктур дают возможность разработать на их основе новые приборы и устройства с уникальными параметрами. Эти объекты могут применяться при создании нанотранзисторов, составных частей интегральных схем, усилителей, генераторов, работающих в области терагерцевых частот, запоминающих устройств с терабитной памятью, нейрострук-тур для нанокомпозитов и других приборов.

Известно [3, 4], что в наноразмерном диапазоне уменьшение размеров наноматериалов приводит к заметному изменению их электронной и кристаллической структуры. В частности, ширина запрещенной зоны кремниевых квантовых точек вдвое превышает ширину запрещенной зоны кристаллического кремния. Определение взаимосвязи между изменениями этих параметров имеет научный и практический интерес.

Поэтому основной целью данной работы являлось изучение изменения параметров кристаллической решетки и энергетических зон (ширины запрещенной зоны) нанокристаллов и нанопленок силицидов металлов при изменении их геометрических размеров.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Нанокристаллы и нанопленки получены методом низкоэнергетической ионной имплантации в сочетании с отжигом [5—7]. Ионная имплантация, отжиг и исследования состава образцов проводились в одном и том же универсальном экспериментальном приборе в условиях сверхвысокого вакуума (Р = 10-6 Па). Использована ионная пушка, состоящая из ионного источника, системы вытягивания и фокусировки ионов, электростатического сепаратора ионов и системы сканирования. В ионном источнике испарение Со осуществляется с помощью электронно-лучевого воздействия, а ионизация атомов Со — электронной бомбардировкой. Энергия ионов Е0 варьировалась в пределах от 0.3 до 8 кэВ, а доза облучения (флуенс) — от 1014 см-2 до 1017 см-2. Отжиг ионно-имплантированных образцов осуществлялся высокотемпературным прогревом и лазерным облучением.

Элементный и химический состав исследуемых образцов определялся методом оже-электронной спектроскопии (ОЭС). Для изучения электронной структуры использованы методы ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС) и спектроскопии упруго отраженных медленных электронов. Фотоэлектронные спектры снимались при энергии Н\ ~ 10.8 эВ. Источником фотонов служила стандартная газоразрядная водородная лампа ультрафиолетового излучения с длиной волны 115 нм. Степень разупорядочения поверхности 81 при ионной имплантации и его кристаллизация при отжиге, тип и параметры решетки изучались методом дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ). Изменения топографии поверхности определялись по картинам растровой электронной

92

УМИРЗАКОВ и др.

Таблица 1. Значения фотоэлектронной работы выхода Ф, ширины запрещенной зоны Е% и постоянной решетки а для пленок Со812/81 (100) разной толщины 9

^^^^ е, А 0 (81) 12 30 50 70 100 Толстая пленка (1000 А)

Ф, эВ 5.1 3.6 3.6 3.6 4.1 4.5 4.5

Еъ, эВ 1.1 0.6 0.6 0.55 0.5 0.5 0.5

а, А 5.43 5.45 - 5.43 5.40 - 5.40

микроскопии (РЭМ), микроскоп 18М-6490 с разрешением 8—10 нм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования показали, что силицидные на-нопленки и нанокристаллы, созданные на поверхности 81 методом низкоэнергетической ионной имплантации в сочетании с отжигом, имеют кубическую решетку. Однако постоянная решетки силицидов в зависимости от типа имплантируемого иона изменялась в широких пределах: 6.54 А для Ва812 и 5.35 А для №812 [8].

В настоящее время для применения в нанораз-мерных технологиях среди силицидов наиболее перспективной является эпитаксиальная система Со812/81. Это, главным образом, обусловлено прак-

Рис. 1. УФЭС пленки Со812/81 (100) толщиной й, А: 1 - 0 (подложка 81), 2 - 12, 3 - 50, 4 - 80, 5 - 120, 6 -500 (МЛЭ-пленка). А, В, С - пики, характерные для толстой пленки Со8^; Ер - уровень Ферми; Еу - потолок валентной зоны; Есв - энергия связи электронов, Ну - энергия фотонов; йЫ/йЕ - первая производная от распределения электронов по энергии.

тическим совпадением постоянных решеток Со812 и 81, низким удельным сопротивлением Со812 (2050 мкОм • см), низким переходным сопротивлением контакта, простотой обработки, термодинамической стабильностью (до 400°С), возможностью получения качественных эпитаксиальных слоев. С учетом этого далее будет обсуждаться, в основном, эпитаксиальная система Со812/81.

Рассмотрим изменение электронной и кристаллической структуры нанопленок Со812/81 (100) при изменении их толщины. При изменении энергии ионов Е0 от 0.3 до 8 кэВ при оптимальной дозе (Б = = (4-8) х 1016 см-2) получены однородные пленки толщиной 9 от 10-15 А (Е0 = 0.3 кэВ) до 80-100 А (Е0 = 8 кэВ). При Е0 < 0.3 кэВ структура пленок мало отличалась от структуры пленок, полученных методом твердофазной эпитаксии (поры, неоднородность поверхности) [8]. Анализ ДБЭ-картин, полученных для разных толщин пленок, показал, что при уменьшении 9 от 100 до 12-15 А постоянная решетки Со812 немного увеличивается (табл. 1).

На рис. 1 приведены фотоэлектронные спектры пленок Со812/81 (100) разной толщины. Наличие основных пиков 81 можно объяснить возбуждением электронов из поверхностных состояний (ПС), а также 3р- и 3^-состояний валентных электронов. Видно, что УФЭС для пленки с 9 > 60-70 А мало отличается от спектров толстой пленки (9 = 500 А), полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [9]. С уменьшением толщины пленки начало спектра смещается в сторону большей энергии (относительно спектра толстой пленки), т.е. наблюдается увеличение фотоэлектронной работы выхода. Это увеличение при 9 = 12-15 А составляет ~0.4-0.5 эВ (Ф = 4.9 для толстой пленки, 4.5 для тонкой пленки). Одновременно изменяется кривая энергетического распределения фотоэлектронов (увеличивается интенсивность максимумов и минимумов), что обусловлено перераспределением валентных электронов. По-видимому, с уменьшением толщины пленок валентные электроны преимущественно концентрируются в определенных участках валентной зоны, а в других участках их количество резко уменьшается. Можно полагать, что энергетическое распределение валентных электронов будет приближаться к дискретному. Анало-

Е, эВ

14.0

11.5

.00

ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОИ РЕШЕТКИ

Тк, K

Для толстой пленки CoSi2 hwv = 13.8 эВ

—о-

-©-©-

Для толстой пленки CoSi2 hws = 9 эВ

12

24

36

48

50

d, А

Рис. 2. Зависимость энергии поверхностных и объемных плазмонов от толщины пленок Со 812 (концентрация валентных электронов п пропорциональна энергии плазменных колебаний Е: п = /(Е)).

1200

1000

800

600

10

14

10

15

1016 1017 D, см-2

93

Рис. 3. Зависимость Тк от D для Si, имплантированного ионами Co+ с Е0 = 1 кэВ.

0

0

гичное предположение можно сделать и для электронного состояния зоны проводимости [10].

Анализ спектров упруго отраженных электронов показал, что при уменьшении толщины пленок до 10-15 А ширина запрещенной зоны увеличивается на ~0.1 эВ, изменяются интенсивности и положения пиков, связанных с возбуждением плазменных колебаний и межзонными переходами. Из рис. 2 видно, что с уменьшением толщины пленок Со812 концентрация валентных электронов (т. е. энергия возбуждения плазмонов), участвующих в возбуждении поверхностных плазмонов Й w 8, увеличивается, а объемных уменьшается (здесь не рассматривается изменение Й w 8 и й wy для подложки 81). При 9 < 5—10 А происходит нарушение однородности пленки и изменение ее стехиометрического состава. Следовательно, на энергетических спектрах появляются пики, обусловленные эмиссией электронов из подложки, и увеличиваются их интенсивности. Поэтому однозначно определить причины появления отдельных пиков на спектрах упруго отраженных электронов (УОЭ) и фотоэлектронов (ФЭ) практически невозможно.

В табл. 1 приведены параметры энергетических зон и кристаллической структуры нанопленок Со812/81 (100) разной толщины. Видно, что при 9 < < 100 А параметры энергетических зон и кристаллической решетки зависят от толщины нанопленки Со812.

Более существенную зависимость физических свойств от размера наноматериалов можно ожидать в случае нанокристаллов. Нанокристалличе-ские силицидные фазы были получены при низких дозах облучения (В = 1014—5 х 1015 см-2) [5]. Анализ РЭМ-изображений и ДБЭ-картин позволяет пред-

положить, что нанокристаллы CoSi2, как и пленки, имеют кубическую решетку. При этом нанокристаллы имеют форму цилиндра. Результаты ОЭС и картины дифракции электронов показывают, что хорошо сформированные нанокристаллы появляются, начиная с дозы D = (3-5) х 1014 см-2, их размеры составляют ~3-5 нм. С ростом дозы облучения размеры этих участков увеличиваются, и при D = 2 х 1015 см-2 диаметр каждого участка доходит до 20-25 нм. После высокотемпературного отжига (при полной кристаллизации) размеры ионно-ле-гированных участков уменьшаются в 1.2-1.5 раза.

Размеры кластерных фаз CoSi2 и температура и

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»