Формирование тонких пленок дисилицида бария на Si (111) методами реактивной и твердофазной эпитаксии и исследование in-situ их свойств

Из полученных диэлектрических закономерностей определяются оптические характеристики, важные для космического материаловедения.

1. Будников, П.П., Булавин, И.А., Выдрик, Г.А., Костюков, Н.С. и др. Новая керамика. - М.: Стройиздат, 1969. - 311 с.

2. Еремин, И.Е., Еремина, В.В., Костюков, Н.С. Моделирование электронно-атомной структуры конденсированных диэлектриков. Научно-практическое издание. - Благовещенск: АмГУ, 2006. - 100 с.

3. Костюков, Н.С., Щербакова, Е.В., Соколова, С.М. Анализ частотных характеристик неорганических диэлектриков с одним типом релаксаторов // Электричество. - 2015. - № 7. - С. 62-66.

4. Костюков, Н.С., Соколова С.М. Диэлектрические потери в микролите при наличии нескольких релаксаторов // Электричество. - 2014. - № 3. - С. 62-66.

5. Физические величины. Справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Зейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1231 с.

УДК 538.975

В.Л. Дубов, Д.В. Фомин

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ДИСИЛИЦИДА БАРИЯ НА SI (111) МЕТОДАМИ РЕАКТИВНОЙ И ТВЕРДОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ IN-SITU ИХ СВОЙСТВ*

В работе выполнено формирование тонких пленок дисилицида бария методами реактивной и твердофазной эпитаксии. Полученные пленки исследованы in-situ методами электронной оже-спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами.

Ключевые слова: тонкие пленки, реактивная эпитаксия, твердофазная эпитаксия, кремний, барий.

FORMATION OF THIN FILMS DISILICIDE BARIUM IN SI ( 111 ) BY REACTIVE AND A SOLID EPITAXY AND IN-SITU STUDY OF THEIR PROPERTIES

This paper presents the results of barium silicide thin films formation gained with reactive methods and solid phase epitaxy. The resulting films were studied in-situ with the methods of Auger electron spectroscopy and electron energy loss.

Key words: thin film, reactive deposition epitaxy, solid phase epitaxy, silicon, barium.

Введение

На данном временном этапе научным сообществом ведется активный поиск материалов для создания фотоэлектрических преобразователей с лучшими свойствами и меньшей стоимостью, чем существующие. Основой для таких материалов могут служить тонкие пленки щелочноземельных си-

Работа выполнена при поддержке некоммерческого благотворительного фонда Прохорова в рамках конкурса «Академическая мобильность» по договору №АМ-153/15.

56

Вестник АмГУ

Выпуск 73, 2016

лицидов, в частности дисилицида бария [1, 2]. Поэтому осуществляется активная работа по поиску оптимального метода получения тонких пленок BaSi2 на Si с КПД, близкими к теоретическим [3].

Эксперимент

Пленки BaSi2 на Si(111) были сформированы методом реактивной и твердофазной эпитаксии в сверхвысоковакуумной (СВВ) камере прибора PHI model 590 с базовым давлением 1-1 ОТорр. Осаждение велось: барий - из источника, выполненного из танталовой фольги в виде трубочки с проколом, а кремний - с пластины, вырезанной из шайбы КДБ 45 Si( 111). Подложка вырезалась из промышленной шайбы FZN100 Si(111) с удельным сопротивлением 50-75 Омсм и подвергалась стандартным процедурам очистки (в ацетоне, изопропиловом спирте), а также высокотемпературному прогреву в течение 6 часов при температуре 600°С. Дополнительно для получения атомарно-чистой поверхности трижды повторялся высокотемпературный прогрев при Т=1250°С в течение 3 сек. каждый. Скорость осаждения калибровалась с использованием кварцевого датчика прибора Sycon Instruments и составила 1 нм/мин. для бария и 0.5 нм/мин. - для кремния.

В результате эксперимента были сформированы два образца: № 1 - методом реактивной эпитаксии осажден (в два этапа) слой Ba толщиной 20 нм при температуре кремниевой подложки T Si = 800°С; № 2 - методом твердофазной эпитаксии осаждены послойно Ba и Si, толщинами 60 и 40 нм соответственно, после чего проведена рекристаллизация при T Si=900°C в течение 1 часа. Данные образцы исследовались in situ методами оже-электронной спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами.

Результаты и их обсуждение

Спектры оже-электронов, полученные при формировании тонких пленок образцов (рис. 1), схожи: в обоих случаях наблюдаются интенсивные пики кремния (около 90 эВ) и двойные пики бария (в районе 580 эВ). Это свидетельствует, что в состав сформированных пленок входят Si и Ва. Причем заметно, что образец № 2 был лучше очищен перед формированием пленки, чем первый образец.

б

Рис. 1. Оже-спектры образцов, полученные в ходе их формирования: а - образец № 1; б) - образец № 2.

Полуколичественный компонентный анализ образцов, проведенный по методу коэффициентов элементной чувствительности, в силу низкой точности последнего позволяет только предположить на данном этапе исследований, что поверхностный состав пленки образца № 2 более близок к полупроводниковому дисилициду бария BaSi2, чем образца № 1.

лЕ, ей

Рис. 2. Спектры ХПЭЭ образца № 1. Спектры ХПЭЭ образцов достаточно сильно отличаются друг от друга (рис. 2).

тг

дЕ, eV

Рис. 3. Спектры ХПЭЭ образца № 2.

Так, на верхнем спектре образца № 1, толщина пленки которого на последнем этапе формирования составила 20 нм, отмечается исчезновение объемного (17.2 эВ) и поверхностного (в районе 10 эВ) плазмонов кремния. Отсутствие на графике пика с энергией близкой к 5-6 эВ, характеризующей межзонный переход в силициде, формируемом на стадии его роста, говорит о низком показателе силицидообразования у этого образца. Вид спектральной кривой характерен для пленок с металлическими свойствами [4].

Анализ верхнего результирующего спектра ХПЭЭ образца № 2 (рис. 3), полученного методом твердофазной эпитаксии, показывает отсутствие пика чистого бария при наличии пика с большой полушириной и максимумом при энергиях от 10 эВ до 14 эВ - слабого пика BaSi2 (13.5 эВ). Это лучший показатель среди анализируемых пленок. Однако полученный пик имеет малую интенсивность, что говорит о небольшом количестве сформированного дисилицида бария.

Мы полагаем, что полученные результаты могут быть связаны с тем, что коэффициент диффузии атомов бария через кристаллический кремний весьма низок и на поверхности подложки образца № 1 сначала образуется дисилицид кремния с большим содержанием свободных атомов бария, а при дальнейшем осаждении из-за дефицита атомов кремния - силицид в окружении металлической пленки бария. То есть формирование пленок BaSi 2 методом реактивной эпитаксии толще 10 нм затруднительно, тогда как для образца №2 коэффициент взаимодиффузии аморфных бария и кремния хоть и выше, чем для № 1, но все же недостаточен для образования сплошной толстой пленки диси-лицида.

Решением данной проблемы может являться соосаждение Ва и Si в тех же условиях, что для образца № 2. Работы в данном направлении уже ведутся.

1. Migas, D.B., Shaposhnicov, V.L., Borisenko, V.E. Isostructural BaSi 2, BaGe2 and SrGe2: electronic and optical properties // Phis. Stat. sol. - 2007. - № 7. - P.2611-2618.

2. Ankit, Pokhrel, Leith, Samad, Fei Meng and Song, Jin. Synthesis and characterization of barium silicide (BaSi 2) nanowire arrays for potential solar applications // Nanoscale. - 2015. - № 7. - P. 17450-17456.

3. Suemasu, T. Exploring the possibility of semiconducting BaSi2 for thin-film solar cell applications // Japanese Journal of Applied Physics. - 2015. - № 54.

4. Ibach, Harald. Electron energy loss spectrometers, the technology of high performance. - Springer-Verlag: Berlin; Heidelberg, 1991.