Исследование кристаллической структуры и электрических свойств поверхностных фаз металлов на кремнии

Вестник ДВО РАН. 2006. № 4

Д.А.ЦУКАНОВ, Д.В.ГРУЗНЕВ, М.В.ЛАВРИНАЙТИС

Исследование

кристаллической структуры и электрических свойств поверхностных фаз металлов на кремнии

Кратко описаны результаты экспериментов по выявлению механизмов электрической проводимости поверхностных фаз на кремнии в условиях сверхвысокого вакуума с помощью методов дифракции медленных электронов, сканирующей туннельной микроскопии, четырехзондового метода измерения удельного сопротивления. Показано влияние морфологии поверхности, в частности влияние плотности островков адсорбата на электрическую проводимость поверхности субмонослойной системы In/Si(100)c(4 х l2)—Al и Al/Si(100)c(4 х l2)—Al. Представлены результаты исследований анизотропии электропроводности поверхностных фаз Si(111)V3 х V3-In и Si(111)4 х 1-In. Отмечено влияние кристаллической структуры поверхностных фаз на проводящие свойства таких систем.

A study on silicon of crystalline structure and electrical properties of surface phases. D.A.TSUKANOV,

D.VGRUZNEV, M.V.LAVRINAITIS (Institute of Automation and Control Processes FEB RAS, Vladivostok).

A short description of investigation results that are obtained in the experiments devoted to clarification of mechanisms of electrical conductance of surface phases on silicon is given. The investigations were carried out in ultrahigh vacuum conditions using low energy electron diffraction, scanning tunneling microscopy and four-point probe method of resistivity measuring. The influence of surface morphology, and specifically the influence of adsorbate islands density on electrical conductivity for such surface, is shown with submonolayer In/Si(100)c(4 х 12)-Al and Al/Si(100)c(4 х l2)-Al systems taken as examples. Moreover, the results of investigations of anisotropy in electrical conductivity of surface phases Si(111) V3 х V3—In and Si(111)4 х l-In are presented. The influence of crystalline structure of surface phases on conducting properties of such systems is mentioned.

Поверхностные фазы на кремнии фактически являются новым двумерным материалом с уникальными кристаллической и электронной структурой и свойствами [3]. Им отводится исключительно важная роль в микро- и наноэлектронике. С одной стороны, они могут быть использованы для 5-легирования кремния, формирования захороненных сверхрешеток, с другой - обладать металлическими, полупроводниковыми или диэлектрическими свойствами, что позволит применять их для построения двумерных полупроводниковых приборов. Такие структуры существенно расширят элементную базу кремниевых приборов, повысят их быстродействие, а также увеличат плотность упаковки элементов в интегральных схемах. Проблема практического применения двумерных структур в наноэлектронике в последнее десятилетие выходит на первый план. В связи с этим и появилась

ЦУКАНОВ Дмитрий Анатольевич - кандидат физико-математических наук, ГРУЗНЕВ Дмитрий Вячеславович -кандидат физико-математических наук, ЛАВРИНАЙТИС Мария Валерьевна (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток).

Работа поддержана грантами Президента РФ МК-4743.2006.2, НШ-4755.2006.2, РФФИ № 05-02-17823.

Рис. 1. Зависимость проводимости образца от количества напыленного адсорбата на поверхностную фазу 81(100)о(4х12)-Л1. Нулевое значение проводимости соответствует величине проводимости чистого кремния 81(100)2x1

необходимость исследования электрофизических свойств поверхностных фаз, в том числе электрической проводимости.

Измерение электрической проводимости. Удельное сопротивление и проводимость полупроводников измеряют четырехзондовым методом, основанным на явлении растекания тока в точке контакта металлического острия с полупроводником. На плоской поверхности образца, геометрические размеры которого много больше расстояния между зондами, вдоль одной линии размещаются четыре зонда. Через крайние пропускают ток I, между средними измеряют падение напряжения и. Удельное сопротивление р и проводимость о для полуограниченного образца определяются из соотношения 1/о = р = (1/и) 2пБ, где Б -расстояние между зондами.

Толщина поверхностной фазы является очень малой величиной (порядка нескольких ангстрем), поэтому при использовании данного метода невозможно обеспечить контакт зонда с поверхностной фазой, не контактируя при этом с объемом подложки. Это приводит к тому, что измеряемая таким образом поверхностная проводимость для подобных структур имеет две составляющие: проводимость через объемный кремний и через поверхностную фазу, образующую дополнительный канал проводимости на поверхности подложки. В этом случае очевидно, что проводимость подложки о будет равна о = 01 + 02.

Рис. 2. Зависимость проводимости поверхностных фаз 81(111 )4х 1—1п (О) и Si(111)V3xV3-In (Д) от ориентации зондовой головки относительно кристаллографических направлений кремния. Проводимость нормирована на значение проводимости чистой поверхности 81(111)7x7 в тех же направлениях

Измеряя в условиях сверхвысокого вакуума поверхностную проводимость сначала чистой подложки без поверхностной фазы, а затем подложки со сформированной поверхностной фазой, мы можем оценить вклад последней фазы в общую проводимость. В зависимости от свойств поверхностных фаз поверхностная проводимость образца может как увеличиваться, так и уменьшаться. Такое ее поведение было ранее показано нами в работе [4] для субмонослойной системы Au/Si(100).

Влияние морфологии поверхности на электрическую проводимость поверхностной фазы Si(100)-Al. Методами дифракции медленных электронов (ДМЭ), сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), а также четырехзондовым методом измерения проводимости изучена связь проводимости и морфологии поверхности Si(100)c(4x12)-Al после напыления субмонослойных слоев индия и алюминия. Покрытие алюминия в поверхностной фазе Si(100)c(4x12)-Al составляет 0,5 монослоя (1 монослой равен числу атомов верхнего слоя нереконструированной грани Si(100), т.е. 6,8x1014 атомов/см2). На рис. 1 показано изменение проводимости поверхностной фазы Si(100)c(4x12)-Al в зависимости от количества напыленного In при комнатной температуре.

Данные, полученные при помощи СТМ, показали, что напыление In и Al на поверхностную фазу Si(100)c(4x12)-Al приводит к образованию на ней островков адсорбата, действующих на носителей заряда как центры рассеяния и, соответственно, уменьшающих электрическую проводимость образца.

При прогреве образца с напыленным индием или алюминием атомы адсорбата собираются в более крупные островки. При этом концентрация центров рассеяния носителей заряда уменьшается, и, соответственно, первоначальная величина проводимости уменьшается очень слабо. Данное исследование - пример влияния на проводимость поверхностной фазы дефектов, а именно островков адсорбата, на ней.

Анизотропия электрической проводимости поверхностных фаз на кремнии. На рис. 2 показано изменение проводимости поверхностных фаз Si(111 )V3xV3-In и Si(111)4x1-In в зависимости от угла поворота зондовой головки, когда ось, на которой расположены зонды, поворачивается параллельно поверхности подложки. Видно, что для поверхностной фазы Si(111)V3xV3-In максимумы и минимумы проводимости повторяются через 60°. Анализируя данные, полученные при помощи ДМЭ, и учитывая, что атомы In в этой фазе занимают места в положении Т4 на нереконструированной поверхности кремния [2], можно заключить, что направления максимумов атомной плотности и проводимости совпадают. Для поверхностной фазы Si(111)4x1-In наблюдаются максимумы проводимости в направлениях [101] и [011]. Если рассмотреть модель атомной структуры для данной фазы, предложенную в работе [1], то и в этом случае максимумы проводимости совпадают с направлением рядов цепочек индия и также соответствуют максимальной атомной плотности. Из сопоставления моделей кристаллической структуры поверхностных фаз установлено, что направления, в которых плотность атомов индия максимальна, в том и другом случаях различаются на 30°, что наблюдается также и для максимумов проводимости на рис. 2.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bunk O., Falkenberg G., Zeysing J.H. et al. Structure determination of the indium-induced Si(111)-(4x 1) reconstruction by surface x-ray diffraction // Phys. Rev. B. 1999. Vol. 59. P. 12228-12231.

2. Finney M.S., Norris C., Howes P.B. et al. An X-ray diffraction study of the Si(111)(3x3)R30o-indium reconstruction // Surf. Sci. 1993. Vol. 291. P. 99-109.

3. Lifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V. Surface Phases on Silicon. Chichester: Wiley & Sons, 1994. 450 p.

4. Tsoukanov D.A., Ryzhkov S.V., Gruznev D.V. et al. The role of the surface phases in surface conductivity // Appl. Surf. Sci. 2000. Vol. 162-163. P. 168-171.