Выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксии и изучение свойств метастабильных фаз в гетероструктурах на основе фторидов и металлов на кремнии

• Автор: Кавеев, Андрей Камильевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 158 с. : ил.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Эпитаксиальные диэлектрики

1.2. Свойства объемных кристаллов МлРг и 1пРг

1.3. Свойства объемных кристаллов Сс^г

1.4. Эпитаксиальное выращивание МлРг, 2п?2 и СйГг на различных подложках

1.5. Применение ферромагнитных и антиферромагнитных эпитаксиальных пленок в области цифровых технологий

1.6. Свойства объемных кристаллов и эпитаксиальных пленок кобальта и никеля

Г пава 2. Подготовка образцов и экспериментальные методики

2.1. Физико-химическая подготовка подложек и СаРг

2.2. Установка для молекулярно-лучевой эпитаксии

2.3. Дифракция быстрых электронов

2.4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
2.5. Прочие методики, используемые в работе
Глава 3. Изучение процессов роста и свойств эпитаксиальных слоев МлРг на
3.1. Буферные слои СаРг на кремнии
3.1.1. Анизотропный рельеф поверхности СаРг(110)
3.1.2. Выглаживание поверхности СаРг(001) с помощью быстрого термического отжига
3.1.3. Планарная поверхность СаРг(111), способы получения
3.2. Эффект гетероэпитаксиальной стабилизации ромбической кристаллической модификации типа а-РЬОг фторида марганца
3.2.1. Фасетированные нано- и микрокристаллы МлРг на анизотропной поверхности (110) буферного слоя СаРг
3.2.2. Наноразмерные островки на поверхности (001) буферного слоя СаРг
3.2.3. Особенности роста толстых слоев МпРг на поверхности (111) буферного слоя СаРг
3.3. Формирование флюоритоподобного окружения на начальных стадиях роста фторида марганца на поверхности (111) буферного слоя СаРг
3.3.1. Осцилляции зеркального рефлекса ДБЭ
3.3.2. Результаты измерений ДМЭ
3.3.3. Исследование фотоэлектронной эмиссии и поглощения в слоях МпР2/СаРг(111)
3.3.4. Результаты измерений фотоэлектронной дифракции
3.3.5. Исследование кристаллической структуры фторида марганца в короткопериодных сверхрешетках на основе МпРг-СаРг
3.4. Пленки МпР2 с кристаллической структурой типа рутила, выращенные на кремнии
3.5. Фотолюминесценция ромбической модификации фторида марганца
3.5.1. Особенности фотолюминесценции нелегированных слоев МпИг
3.5.2. Возникновение различных типов центров люминесценции в зависимости от структурной модификации слоя МпИг^тРз/СаРг
3.6. Оценка температуры Нееля ромбической модификации фторида марганца путем анализа температурной зависимости постоянных решетки
Выводы
Глава 4. Эпитаксиальное выращивание и исследование свойств слоев фторидов металлов группы ПЬ
4.1. Структурные исследования слоев 2пР2 и Сс1Р2
4.1.1. Стабилизация метастабильной ромбической структуры типа а-РЬОг на СаР2(110)
4.1.2. Образование полиморфных структурных модификаций при выращивании на СаР2(001)
4.1.3. Доминирование тетрагональной кристаллической структуры типа рутила при выращивании на СаЦОИ)
4.1.4. Эффект выглаживания рельефа поверхности в гетероструктурах СбР2/СаР2(001)
4.2. Исследование полупроводниковых свойств 2пР2 и СбР2
4.2.1. Результаты электрозондовой диагностики эпитаксиальных слоев 2пР2:5т
4.2.2. Результаты электрозондовой диагностики эпитаксиальных слоев СбР2:Ег
4.3. Примесные центры ФЛ с участием редкоземельных ионов в слоях 2пР2
4.3.1. Возникновение различных центров люминесценции в зависимости от структурной модификации слоя. Различие люминесценции МлГггЭтГз и 2пР2:5тРз
4.3.2. Различие способов компенсации заряда при легировании 2пР2:8тРз и 2пР2:5т
4.4. Особенности стабилизации метастабильных структурных модификаций МпР2и 2пР2с помощью гетероэпитаксии
Выводы
Глава 5. Процессы эпитаксиального роста и свойства наноструктур кобальта на кремнии
5.1. Структурные исследования эпитаксиальных слоев Со/СаРг/в! и Со/МпР2/31
5.1.1. Со на гофрированном буферном слое СаР2
5.1.2. Со на планарной поверхности СаР2(111)
5.1.3. Особенности морфологии эпитаксиальной пары Со-МпР2, нанесенной на гетероструктуру МпР2(110)/СаР2(110)/31
5.2. Электронные свойства гетероструктур на основе Со
5.2.1. Гетероструткуры Со/СаР2(110)/51 и Со/СаРг(111)/Б1. Особенности К-края поглощения
5.2.2. Гетероструктуры Со/МпР2(110)/СаР2(110)/51
5.2.3. Рентгеновский магнитно-циркулярный дихроизм в гетероструктурах Со/СаР2(110)^
5.3. Магнито-оптический эффект Керра в гетероструктурах Со/СаРг^
5.3.1. Связь магнито-оптического эффекта Керра с анизотропией поверхности СаР2(110)
5.3.2. Интерференционное усиление магнитооптического эффекта Керра в гетероструктурах Со/СаР2(11Ц/Э!
Выводы
Приложение. Расчет структурного фактора для кристаллической модификации типа а-РЬ02
Основные результаты и выводы
Список работ, вошедших в диссертацию
Список цитируемой литературы
Актуальность проблемы
С помощью гетероэпитаксиального наращивания тонких пленок на какую-либо подложку возможно формирование в этих пленках кристаллической структуры, метастабильной в объемных кристаллах. В тонких пленках эта структура может быть стабильна в нормальных условиях. Примером осуществленной таким образом гетероэпитаксиальной стабилизации может служить, в частности, псевдоморфный эпитаксиальный слой H0F3, выращенный1 на поверхности Si(111) и имеющий тригональную кристаллическую структуру, стабильную в объемных кристаллах лишь при температурах выше 1070°С. Гетероэпитаксиальная стабилизация ромбической структурной модификации фторидов марганца и цинка впервые исследована в предлагаемой диссертационной работе. Фторид марганца представляет особый интерес для исследований, поскольку его рутиловая структурная модификация, характерная для объемных кристаллов, является классическим антиферромгагнетиком с хорошо изученными как магнитными, так и оптическими свойствами. Фторид цинка привлекателен в силу выраженной люминесции при легировании редкоземельными элементами. Кристаллическая структура, электронные и люминесцентные свойства ромбической модификации МпИг и ZnF2 исследованы с помощью разнообразных методик. Стабилизированная метастабильная структура обладает высоким кристаллическим качеством и представляет собой новый материал, обладающий интересными физическими свойствами.
Эпитаксиальные пары на основе металлов и фторидов, в частности Со-Сабг и Co-MnF2, впервые выращенные в данной работе, представляют интерес с точки зрения применения в микроэлектронике. Известно, что в слоях и наноструктурах на основе ферромагнетиков, а также в системах ферромагнетик-антиферромагнетик наблюдается ряд интересных физических эффектов, в том числе эффекты гигантского магнитоспротивления и обменного смещения. Fla основе этих эффектов возможна разработка новых высокоплотных магнитных носителей информации, а также считывающих устройств на основе спиновых клапанов.
В диссертационной работе также были созданы и изучены легированные редкоземельными ионами эпитаксиальные слои фторидов цинка и кадмия, обладающие полупроводниковыми свойствами. Эффективная люминесценция в сочетании с высокими достижимыми концентрациями свободных электронов делает эти материалы многообещающими соединениями для создания электролюминесцентных приборов.
Исходя из вышеизложенного, тема представленной диссертации является весьма актуальной, имеется достаточно оснований рассматривать практическое применение гетероструктур на основе указанных материалов.
Цель работы, основные задачи
Целью данной работы является исследование процессов эпитаксиального роста и изучение свойств стабильных и метастабильных фаз в гетерострукгурах на основе CdF2, MnF2 и ZnF2, а также Со и Ni на Si(111) и Si(001) с использованием буферного слоя CaF2.
Основные задачи, поставленные в данной работе, следующие.
• Исследование процессов роста MnF2 и ZnF2 на подложках кремния с ориентациями (111) и (001) поверхности и нахождение оптимальных режимов роста,

видны неподвижные точки, расположение которых характерно164 для объемной дифракции от слоя СаР2(111) в азимуте [110]. После отжига данного буферного слоя неподвижные точки исчезли, а тяжи стали более тонкими, что говорит о выглаживании поверхности.

(а)
(6)
Рис. 32. (а)-морфология двухступенчатого покрытия: 50 монослоев CaF2 при температуре 600°С нанесены на 3 монослоя, выращенные при температуре 770°С. (б)-схематическое изображение зарождения (а) дислокаций несоответствия (Ь), снимающих термические напряжения в слое фторида кальция. Указаны плоскости скольжения и векторы Бюргерса системы <110>( 100) для слоя с ориентацией (111) (с), а также получаемая в результате морфология террас (d).
35:39:68 step 4 sample 1797
Рис. 33. Картины ДБЭ в азимуте [-110] слоя фторида кальция толщиной 150 нм до (слева) и после (справа) отжига при температуре 600°С. Характер изменения картины свидетельствует о выглаживании поверхности.
Рассмотрим вид картин ДБЭ, возникающих при выращивании СаР2/Зі(111). Картины измерены в двух взаимно перпендикулярных азимутах электронного луча - [-110] и [11-2] и одинаковы для всех описанных выше температурных режимов роста фторида кальция. На рисунке 33 (а) представлены картины от достаточно толстого (более 100 нм) слоя фторида кальция, выращенного при пониженной температуре. На картине видны трехмерные рефлексы, соответствующие дифракции на просвет при прохождении электронного луча через островки на поверхности.
При изменении расположения подложки в держателе на 180° в плоскости (111) азимут электронного луча изменит направление на этот же угол, при этом в азимуте [11 -2] (изменившемся на [-1 -12]) никакой разницы