Формирование, структура и свойства тонких пленок силицида магния на Si(111)

• Автор: Ваванова, Светлана Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Глава 1. Формирование и свойства пленок силицида магния

1.1. Методы формирования тонких пленок силицида магния на кремнии

1.2. Электронная структура монокристалла Mg2Si

1.3. Оптическая колебательная спектроскопия и транспортные свойства монокристалла Mg2Si и тонких пленок Mg2Si на кремнии
1.4. Термоэлектрические и фотоэлектрические свойства Mg2Si и его сплавов с переходными металлами
1.5. Выводы

Глава 2. Методы исследования, аппаратура и методики

2.1. Методы исследования 3

2.1.1. Зондовые методы измерений электрических параметров полупроводников

2.1.2. Оптическая спектроскопия полупроводников

2.1.3. Атомная силовая спектроскопия полупроводников

2.1.4. Рентгеновская дифракция
2.2. Экспериментальная аппаратура
2.2.1. Сверхвысоковакуумная установка VARIAN
2.2.2. Сверхвысоковакуумная установка В-1
2.2.3. Установка для исследования температурных зависимостей термо-э.д.с. в полупроводниковых образцах
2.2.4. Установка для температурных исследований эффекта
холла в полупроводниковых образцах
2.2.5. Сканирующий зондовый микроскоп Solver Р47
2.2.6. Оптические спектрофотометры
2.3. Методики экспериментов
2.3.1. Методики приготовления образцов и источников
2.3.2. Схемы ростовых, структурных, электрических и
термоэлектрических экспериментов
2.4. Методики расчетов
2.4.1. Методики расчета оптических функций тонких пленок

2.4.2. Двухслойная модель для расчета электрических параметров
пленок на проводящей подложке
2.4.3. Расчет параметров пленок по данным термо-э.д.с
2.4.4. Методика расчета параметров кристаллической решетки
в тонких пленках из данных рентгеновской дифракции
Глава 3. Рост и структура пленок силицида магния на кремнии
3.1. Оптимизация условий формирования затравочных островков Mg2Si на Si( 111)
3.2. Формирование, состав и морфология тонких пленок Mg2Si
на Si( 111), выращенных методом многократного отжига
3.3. Влияние температуры однократного отжига многослойной системы
Mg-Si на морфологию и структуру тонких пленок Mg2Si на Si(l 11)
3.4. Влияние длительности отжига и толщины многослойной смеси
Mg-Si на морфологию пленок Mg2Si на Si(l 11)
3.5. Выводы
Глава 4. Электронная структура и оптические свойства пленок
силицида магния на Si(lll)
4.1. Оптические функции и параметры электронной структуры тонких
пленок Mg2Si на Si(l 11), выращенных методом многократного отжига
4.2. Оптические функции и параметры электронной структуры тонких пленок Mg2Si на Si(l 11), выращенных по технологии однократного
отжига многослойной смеси Mg-Si
4.3. Выводы
Глава 5. Электрические, термоэлектрические свойства пленок MgjSi на
Si(l 11) и фотоэлектрические свойства гетероперехода Mg2Si/Si(l 11)
5.1. Транспортные свойства и механизм проводимости в тонких пленках
Mg2Si на Si(lll)
5.2. Термоэлектрические свойства тонких пленок Mg2Si на Si(l 11)
5.3. Фотоэлектрические свойства гетеросгруктуры Mg2Si-p/Si-p
5.4. Выводы
Основные результаты и выводы
Литература

В настоящее время широко изучены и используются термоэлектрические свойства некоторых полупроводников. Соединение Мё281 хорошо известный многообещающий материал для преобразования термоэлектрической энергии в температурном диапазоне от 500 до 800 К. Фундаментальные электронные свойства монокристаллов М§281 широко исследовались теоретически и экспериментально [1-8, 9]. Формирование эпитаксиальных пленок М§281 на кремнии осложнено малым коэффициентом прилипания магния к кремнию при повышенных температурах подложки [10-20]. Наибольший интерес получили работы по формированию тонких пленок 1^281 стехиометрического состава на кремнии методом молекулярно-лучевой эпитаксии [12, 18]. Однако температура подложки в процессе роста не может превышать 200°С, что обеспечивает формирование только поликристаллических пленок с достаточно развитым рельефом поверхности. Для создания гетеропереходов силицид-кремний и построения новых полупроводниковых приборов это не является достаточным условием. Поэтому представляет несомненный интерес разработка нового метода роста пленок 1^281 на кремнии, в котором можно использовать более высокие температуры подложек для повышения кристаллического качества пленок. Исследования оптических и термоэлектрических свойств выращенных пленок 1У^281 и фотоэлектрических свойств гетероперехода М§281/81 позволят провести анализ стехиометрии пленок и параметров их энергетических структур.
Целью диссертационной работы является определение условий твердофазного роста тонких пленок Р^281 и перспектив использования пленок М§281 в кремниевой термоэлектронике.
Обоснование выбора материалов
Монокристалл силицида магния достигает высоких значений термо-э.д.с., поэтому магний и кремний как экологически чистые материалы выбраны для создания тонкопленочного полупроводникового соединения - Mg2Si, которое может обладать высоким значением термо-э.д.с.
Основные научные задачи
1. Определить условия формирования тонких пленок Мя281 на поверхности 81(111) методом твердофазной эпитаксии из смеси Mg-Si.

Для регулировки температуры нагревателя усиленный сигнал с термопары подается на один из входов компаратора. Смещение на другом входе задается переменным резистором. Когда величины сигналов на входах уравниваются, напряжение на выходе компаратора скачком изменяет знак, и транзистор закрывается. При этом питание на печку подаваться не будет. Когда температура печки уменьшится, уменьшится и сигнал с термопары, компаратор откроет транзистор и печка начнет греться. Таким образом, температура на медном основании будет постоянно колебаться вокруг значения, заданного заранее положением движка реостата. Подбирая величину обратной связи компаратора, можно регулировать амплитуду и частоту таких колебаний. На практике удалось добиться поддержания стабильной температуры медного основания.
Измерение температуры на каждом крае образца проводилось теми же термопарами, которые регулируют задаваемую температуру медных оснований (Рис. 2.4.). Такой способ определения температуры имеет видимые преимущества перед многими другими. Термопары изготовлены из проволок диаметром 0.3 мм и встроены в медные основания. Кроме того, вся система помещена в вакуумную ячейку. Такая конструкция позволяет до минимума уменьшить теплоотвод по проводам термопары, что повышает точность измерений. Образец большой площадью прижат к поверхности губок (~ 25 мм2), а градиент температур в образце ограничен в горизонтальной плоскости зазором между губками (2 мм). В вертикальной плоскости градиентом температур в образце можно пренебречь ввиду малой толщины образца (0.35 мм) и с учетом того, что прогрев осуществляется в течение длительного времени до установления температурного равновесия. Перевод температуры из мВ в °С осуществлялся программно, по калибровочным данным медь-константановой термопары.
Термо-э.д.с., возникающая в образце при наличии градиента температур, измерялась с помощью двух вольфрамовых зондов. Сигнал с образца подавался на ДУ (коэффициент усиления равен 50) и фиксировался цифровым вольтметром.