Электрофизические свойства поверхностной реконструкции Si (111) — 7 х 7 слаболегированного кремния

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации

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

Заключение

В качестве заключения приводятся основные результаты, полученные в диссертации

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

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

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

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

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

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