Введение к работе
__з —
Актуальность те?лы
Технология производства совре?«шных компьютеров и других средств обработки информации базщіузтся ка достижениях микроэлектроники, которая, о сеою очередь, актизьэ использует результаты ноэей-шцх фундамгнтаяькмх исследований в области физики твердого тела. Одним из главных путей прогресса з этом направлении является последовательна! миниатюризация, котерзя-угяе привала к активному использованию тсердотелькых приборов, р»э?4ерм которых измеряются Я микронами, з нзгктайтрзтг», з результате чего возникла непгл ветвь шфоглсктроинки — пэнозягктрокяка.
Экспгрямемтальк!.!5 гесяздозания з скласти нзнеэязктроники я настоящее зреия сзпрэвяаяы, з осиозком, из получения тся или иных «э-неенстем и на кселгдоганйа s"t гясктрифязичееккх сэемстз. Детальное изучгина глгктрсннзЗ структура таких систеа затруднено из-за их крайка гиль»:-: рззмг.роз. К тому же, зшстроннза строеккэ систем, состоящих из «алого числа zraiicn грзкнз чувствительно к расположению-атомоз и к г.зя^чіка прлмгсйЯ.- Поэтому -десь важную роль должны сыграть теоратичэскка работы, н в пергу» счїредь, kbehtobo-яеханмческна ргсчзты и» перзых пркнцкпаз, дзюмеча пряную информацию сб гдїхтрои'їси структуре d sftsticttuoeTK от структуры ато?*нои.
ТОЛЬКО ПрИ ттППеКСНОЫ ИСПОЯЬЗОЗЗтЗД ЗЯСП5рИМКТгЯЫ!ЫХ я теорзти-
ческих исслздезз(ії*.й воз-мсятан резлышй ушех в .создании нанорззмер-ных приборов с зздзкнмкш'хзрзктвргкггокгни.
Оснозным материалом s дзккой дяссертац«к сыбргн крайний. Это обусловлено как той, что креміг.іЗ до сах пор является бззезмм материалом tfaccosoR миіфозяагтромикн, так и теи, что электронные приборы, кспэльзующкэ наиэкггрогмв скстеиы на сенега кремния, по мно-. п'іл сесим гяектрич-зекчм хлргктсрисп'кзм составляют достойную кон-
— 4 —
курєнцию боязе дорогим структурам на основе полупроводников типа AjijBy. В частности, в последние годы накоплены интересные данные по формированию на кремнии различных поверхностных фаз, по созданию в кремнии сверхрезких границ между легированными областями, по эпитаксиальному выращиванию.кремниевых сверхрешеток с манометровыми периодами и т.п. Многие из этих объектов обладают уникальными электрофизическими свойствами и нуждаются е тщательном и всестороннем изучении. С другой стороны, закономерности строения электронной структуры различных полупроводников имеют много общего, поэтому результаты, полученные для кремния, могут оказаться полезными при изучении аналогичных систем, созданных с использованием более сложных полупроводников.
Цель работы
Главная цель данной работы -г исследовать особенности формирования атомной и электронной структуры различных наносистем на основе кремния, имеющих практический интерес для технологии. Исходя из этого были поставлены следующие задачи:
-
Изучить процесс эпитаксиальной кристаллизации тонких кремниевых слоев на подложках различной ориентации, в том числе при наличии электрически активных примесей;
-
Иэучтлгь локальную электронную структуру кремния вблизи примесей; выявить возможность формирования в кремнии нанометровых р — п- переходов;
-
Изучить особенности образования различных поверхностных фаз и механизм соответствующих фазовых переходов;
-
Изучить особенности электронной структуры монослойных и суб-монослойных покрытий на кремнии;
-
Изучить особенности электронной структуры контакта металла и наноразмерных частиц кремния (в том числе при наличии примесей);
— 5 —
-
Изучить устойчккость границы раздела " метзял/кремнки" и получить данные об электронной структуре приграничной области нано-сисиетем "силицид неталла-кремнкй";
-
Изучить сссбаниости туннельного и термоэмиссионного токопе-реноса в наносистемэх;
8. Изучить электронную структуру нанометрогых систем "крем
ний/оксид кремния" и " кремний/оксид кремния/металл";
9. Изучить особенности элзктрокной структуры квантовых прово
лок на основе кремния.
Научная новизна
Научная новизна данной работы закяючазтся а тон, что в ней впервые проведено комплексною теоретичгское исследование взаимосвязи атомной структуры и электронного строения широкого класса нацоме-тровых систем на основе крггткия, включая двумерные и одномерный объекты. При атом изучены кз;< процессы формирования таких систем, так и их зп'.;ктрсфиг,1чгскиесоокстеа (туннельный и термоэмиссионный токи). В частности, показано, что:
скорость эпитаксизльного упорядочения в тонких слоях аморфного краиння, нанесенного на конокрнстаяйчческук? подложку, определяется вероятностью образования дзумерчых зародышей на границе раздала и зависят от наличия примесей;
кинетика фазоцых переходов з субмонеслойных покрытиях на кремнии описывается е рамках кодифицированной модели среднего поля;
в тонких плгнкзх иг поверхности твердого тела генерируются только объемные плаэионы;
запрещенная зона 8 спектре электронных состояний нзиометровых кремниевых систем увеличена примерно вдзое пэ сравнению с объемным кремнием;
доасрнсе и акцепторные состояния, образующиеся при лггирова-
ими кремниевых наноразг«рііі.іх систем электрически активными примесями, как правило, отстоят от уроьня Фарші на расстояния, значительно большие, чем в объемном кремнии;
при одновременной яегироиании кремниеаых наноразмгрлых систем донорньши и акцепторными примесям» возможно создание выпрямляющих манометровых р-п-пгрехэдов;
при контакте металла с кзноаетро&ьши частицами кремния возникает барьер Шотткн, ширина которого определяется расстоянием между границей раздела и атомаыи основной приыеск, а высота может регулироваться введение» приграничной примеси; высота барьера Шоттки загнеит такие от разкероа нанос^стемы и es атомной структуры;
возможно создание наиэрэзи&рных полевых транзисторов с использование* частиц диоксида креиния нанометроаых размеров;
КЕантоаые проволоки, форшруюздяхез на крайний при нанесший на него некоторых металлов {0 частности, алюминия к золота) могут обладать как иет&ллггесскига, так к ролупроводникоаыи характерец электронной структуры, в ззЕзггощости от атомной структуры о типа атомов;
электронные состояния еЗаизн yfioc'i-я Фсраи є кргшшеаых нано-иетроеых системах связаны с неустейчйеостыо этих систем; \
масштабы локализации различных электродных состояний в кремниевых наносчетеызхэзейсйт от размера, cocresa и атомной структуры нанссистем и, как npaewso, не превышают один нанометр.
Практическая ценность
Хотя работа иосит фундаментальный характер, ее результаты нке-ют непосредственное отношение к практике. Описанные о ней исследование каправк?,ны на изучение возможности создания изног^етро-вых твердотельных приборов на основе кремния, и их результаты бу-
_-7-~
дут полезны именно в этой отрасли микроэлектроники. В частности, исследояакйе механизма твердофазной зпитакскй кремния позволило разййть новый метод оырзщчеанкя нонокрнстзпличаских слоев кремния, нэ который получено аоторское свидетельство. На основе кзантозо-глехзніічаских рзечатез из первых принципов покарана возможность создания нзнометровых р-п-переходов, выпрямляющих контактов " метаяя-кремний", полевых транзисторов, квгнтовых проволок и других манометровых элементов интегральных схем. Вынесенный в Приложение раздел, каезющкися особенностей изучения поверхности твердых тел с помощью' екзімругещей тумнзльной микроскопии, пред-ставляет практический интерес для исслздосатслгГі, работающих п это!* области.
Апробация работы
Результаты, положенные в основу диссертации, опубликованы в ЕО печатных работах, основные из которых перечислены в конца азтерг-ферата.
Результаты работы докладывались на б Международной конференции по росту христзллез, Москва, 1980; 1 Всесоюзной конференция по физике и технологии тонких пленок, Иэано-Фраикозск, 1901; ? Международном вакуумном конгресса и 5-й Международной конференции по изучению позерхности, Мадрид, Испания, 1383; Всесоюзном симпозиуме "Физика поверхности твердого тздз", Кисэ, 1533; V! 8сесею?ном симпозиума "Вторично-алкггренная, фотоэлектронная эмиссии и спектроскопия ncsepx:;ocT!i тзгрдего телз", Р«знь-, 1S25; VI Всесоюзной школе-семинаре по физике поверхности полупроводников, Одесса, 198?; 7 Всесоюзной конференция го росту кристаллов, Москва, 1S88; Всесоюзной конференции " Пойерхность-ЄУ, Чернвгоярвкд, 1539; 8 Всесоюзной конференции ио росту кристаллов, Харьков, 1992; 1 Международной конференции по физнкз ннзкоразмерных структур, Черноголовка,
— 8 —
1993; 1 Русско-Японском семинаре по поверхности полупроводников, Владивосток, 1993; 3 Международном симпозиуме по зпмтаксии атомных слоев и процессам на поверхности, Сендай, Япония, 1994; 2 Русско-Японском семинаре по поверхности полупроводников, Осака, Япония, 1995; Тихоокеанской Международной конференции "Математическое моделирование и криптография", Владивосток, 1995; 16 Европейской Конференции по изучению поверхности, Генуя, Италиь, 1996; 18 Международном Семинаре по физике поверхности, Поляницз Здруй, Польша, 1996; Международном симпозиума "Нгноструктуры-96: физика и технология", Санкт-Петербург, 1996,
Кроме того, работа обсуждалась на научных семинарах Физического Института РАН (Москва), Фиэико-Технического Института им. Л. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) и Санкт-Петербургского Технического Университета.
Защищаемые положения:
-
Зависимость скорости зпйтаксиальной кристаллизации аморфных слоев кремния от ориентации монокристаллмческой подложки объясняется рэзной вероятностью образования элементарных двумерных атомных конфигураций, а зависимость от концентрации примесей — изменением энергии межатомной связи. Более высокое кристаллическое совершеисоо слоев, получаемых на подложках Si(lDO), определяется большой величиной инкубационного времени образования спонтанных (неупорядоченных) зародышей.
-
При дегирсезнни кремниевых нзносистем атомами электрически активных приыесеа донорные состояния локализуются вблизи примесных атомов, о акцепторные распределены среди соседних атомов кремния. Обобщаствдгшг донорных состояний начинается при расстояниях "примесь-примесь'"' ыекге 1 манометра. Выпрямляющий р-п-переход формируете» в кремниевой наносистемг при расстоянии между это-
— 9 —
мами донсрноЯ и з;«{«птооной примеси около 1 им.
3. .Примесные позгрхносные состояния, связанные с наличием ада-
томов металла на поверхности крекиия, проникают в глубь кремния на
расстояние менее 1 нм. Релаксация поверхности существенно изменяет
электронную структуру приповерхностной области, но слабо- сказыва
ется на электронных состояниях слоев; лежащих на расстоянии около
1 нм от поверхности. Положение уровня Ферми в запрещенной зоне
кремния з системе "адатом металла - кремний" зависит от места по
садки адзтома металла. Рзссчктзниая электронная структура систем
"адатом злюиккия - поверхность Si(lll)", "адатом золота - поверх
ность Si(lll)" и *'5г(Ш)->/3 х %/3 - 3" позволяет объяснить глазные
особенности их вольт-амперных характеристик, получаемых методом
сканирующее туннельной спектроскопии.
4. Кинетика фазовых переводов s субмонос/юйкых покрытиях нз
поверхности кремния объясняется изменением величин энергии взаи
модействия атомов вещества покрытия кежду собой и с подложкой
при изменении их концентрации. При возбуждении коллективных (плаз
менных) колебаний в. системе, состоящий из тонкой пленки и массив
ной подложки, возбуждаются только объемныз колебания а пленке и
подложке и поверхностные — в подложке: поверхностные колебания
пленки отсутствуют. Электронная структура мемослойных пленок алю
миния и никеля на поверхности Si(lll) икоет металлический характер, а
область переходных состоянии (нэтаяяоиндуцированных и интерфейс
ных) простирается на глубину в несколько кремниевых слоев.
5. Высоты барьера Шоттки з наноконтактах Al/Si, NiSt2/Si и Au/Si
близки к величинам, наблюдаемым з г^акроскопичесхих контактах, и
зависят от атомной структуры контектз. В частности, для контакта
Мі5іг/5і(Ш) барьер Шоттки выше, когда приконтактные атомы ме
талла находятся в позициях Т^, и ниже, когда они занимают позиции
— 10 —
Нз- Контакт Au/Si является неустойчивым и проявляет тенденцию к перемешиванию атомов золота и кремния при толщинах золотого покрытия более двух монослоев. Добавочное (приграничное) легирование кремниевой наночастицы позволяет управлять высотой барьера Шот-тки (при условии, что основная донорная примесь находится на достаточном расстоянии от интерфейса, чтобы барьер сформировался).
6. Электронная структура аморфного диоксида крзмиия хорошо опи
сывается моделью плоских б- и 4-чяенных колец Si-O. В запрещенной
зоче кремния, вблизи его границы с диоксидом, наблюдаются переход
ные состояния, связанные с неполным насыщением поверхностных свя
зей. Наночастица диоксида кремния, помещенная между алюминием и
кремнием, сохраняет сеои электроизоляционные свойства, если ее раз
мер не меньше, чем 0.7 ни.
7. Кластерный квантово-механический подход в применении к од
номерным системам позволяет не только вычислять плотности элек
тронных состояний, но и находить эффективные массы носителей за
ряда. Квантовые проволоки Au-Si, образующиеся на ступенях поверхно
сти Si(lll), могут иметь как полупроводниковую, так « металлическую
электронную структуру в зависимости от места расположения атомов
золота, в то время как одномерные цепочки Al-Si на поверхности Si(HO)
имеют мет ллическяй характер.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, восьми глав, Выводоэ, Приложения и списка цитируемой литературы, включающего 310 наименований. Обадкй объем дмесертацки составляет 254 страницы и содержит 14 таблиц и 101 рисунок.
— и —
