Размерные эффекты и магнитные свойства аморфных наноструктур на основе полупроводников и металлов

Актуальность темы

диссертации. Индустрия наносистем и материалов относится к приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники в РФ. Основными задачами данного направления являются разработка технологий получения новых наноструктур и изучение их физических свойств, что необходимо для успешного использования наноструктур в практических целях. В связи с этим важным является получение новых знаний о природе процессов, протекающих в нанообъектах. В связи с большим прикладным потенциалом наиболее интенсивное развитие получили полупроводниковые и магнитные наноструктуры, к которым относятся сверхрешетки, многослойные структуры, квантовые ямы, проволоки, точки и др. В этих структурах существенную роль играют квантовые явления и размерные эффекты, которые оказывают значительное влияние на электрические, оптические и магнитные процессы в наноструктурах. Актуальность и важность работ в этом направление подтверждают и нобелевские премии Э. И. Алферова (2000 г.) за разработку полупроводниковых гетероструктур (зонная инженерия), А. Ферта и П. Грюнберга (2007 г.) за открытия эффекта гигантского маг-нитосопротивления.

Тема данной диссертации — размерные эффекты и магнитные свойства аморфных наноструктур на основе полупроводников и металлов — относится именно к упомянутому выше приоритетному направлению развития наукинанотехнологии. В диссертации сделан упор на получение новых экспериментальных данных о физических свойствах аморфных многослойных структур полупроводник-диэлектрик. На момент начала работы (1980 г.) подобных наноструктур еще практически не было, хотя они и представляют большой интерес как с научной, так и с прикладной точек зрения. Преимуществом аморфных наноструктур (по сравнению с кристаллическими) является возможность выращивания многослойных наноструктур из материалов со значительным различием в величине постоянной кристаллической решетки. Это позволяет получать и изучать большое многообразие многослойных структур. В данной работе проведено систематическое изучение аморфных многослойных структур полупроводник-диэлектрик — (ЭьЗЮг^ - и обнаружен квантово-размерный эффект, проявляющийся в изменение ширины запрещенной зоны слоев при изменении их толщины. Необходимо отметить, что ранее делались предположения о невозможности наблюдения квантово-размерных эффектов в подобных структурах, что связывалось с наличием большой по величине плотности электронных состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников. В результате исследований размерных эффектов в структурах (БьЭЮг^ был предложен и реализован метод создания на основе данных структур новых кристаллических материалов. Кроме того, был предложен и новый способ кристаллизации как одиночных аморфных слоев, так и многослойных аморфных наноструктур.

Большое место в диссертации отведено особенностям проявления размерных эффектов в тонких металлических и магнитных пленках. В этих слоях был впервые обнаружен размерный эффект, проявляющийся в осцил-ляционной зависимости диэлектрической проницаемости, проводимости, плазменной частоты, оптического отражения и других параметров от толщины при комнатной температуре. Особенно интересным было обнаружение значительного изменения электрических и магнитных параметров пленок в диапазоне толщин 4−12 нм. Поскольку во многих устройствах спинтроники (магнитные датчики, считывающие магнитные головки и др.) используются слои толщиной именно из этого диапазона, то необходимо учитывать возможность значительного изменения рабочих параметров данных устройств при незначительных изменениях толщины слоев. Это также делает результаты исследований размерных эффектов в тонких металлических слоях актуальными.

Кроме того были предложены, выращены и исследованы новые многослойные магнитные структуры, состоящие из периодически чередующихся островковых слоев различных магнетиков. Отличительной особенностью данных многослойных структур явилась их способность при комнатной температуре детектировать сверхслабые магнитные поля вплоть до 10″ 5- 10″ 6 Э. Эти структуры предполагается в дальнейшем использовать при создании чувствительных датчиков слабых магнитных полей, которые представляют большой интерес для медицинских целей, систем навигации и др.

Цель работы. Целью работы является исследование размерных эффектов и магнитных свойств аморфных наноструктур на основе полупроводников и металлов.

Научная новизна. На момент проведения данной работы аморфные многослойные периодические наноструктуры практически не выращивались и не исследовались. Лишь в 1983 году появилась первая работа в этом направление [8]. В России (СССР) изучение физических свойств многослойных аморфных структур (8ь8Ю2)н и обнаружение в них квантово-размерного эффекта было впервые выполнено в данной диссертационной работе [12,18].

Новым явилась разработка и реализация нового типа лавинного импульсного отжига [18, 19] для кристаллизации многослойных аморфных структур и отдельных тонких слоев 81 и других полупроводников. Используя предложенный тип лавинного отжига короткопериодные многослойные структуры (ЗьБЮгЭы были кристаллизованы в новую кристаллическую структуру гексагональной симметрии.

В процессе исследования оптических и электрических свойств сверхтонких металлических пленок N1), N1, «П, А1, Си и др. был обнаружен размерный эффект, проявляющийся в возникновении осцилляционной зависимости диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, проводимости от толщины пленки [например, 72, 74, 78] с периодом порядка половина ферми-евской длины волны электрона в данном металле. В слоях А1 и Си с толщинами, лежащими в диапазоне перехода системы Ю-ЪТ) (с1 ~ 4.0 -12.0 нм) были обнаружены гигантские осцилляции г и коэффициента отражения в ИК области спектра [76,77]. В ферромагнитных слоях БеМ, Со и Со№ помимо существенного изменения от толщины пленки диэлектрической проницаемости обнаружено изменение магнитных параметров (поля анизотропии, ориентации осей намагничивания, величины эффекта Керра и др.). Найденные толщинные зависимости физических параметров пленок в диапазоне перехода 2Б-30 необходимо учитывать при создании различных спинтронных систем.

Впервые в данной работе на примере комбинированных структур Ре№-81С-Ре№ было подтверждено теоретическое предположение о возникновение обменного взаимодействия ферромагнетик — немагнитный полупроводник [110,151].

В диссертационной работе были предложены и выращены магнитные структуры, состоящие из периодически чередующихся наноостровковых слоев различных магнетиков. В этих системах было обнаружено магнитосопро-тивление ~ 2−3%, а также однонаправленная магнитная анизотропия. Необходимо отметить, что такие структуры способны чувствовать рекордно слабые магнитные поля до 10'6 Э при комнатной температуре.

Научная и практическая ценность. В диссертации было показано, что в аморфных, многослойных структурах имеет место квантово-размерный эффект, проявляющийся в изменении ширины запрещенной зоны аморфного кремния. Был предложен и реализован новый тип импульсного лавинного отжига, с помощью которого можно кристаллизовать аморфные слои различных полупроводников и многослойных структур различного типа (полупроводник-диэлектрик, металл-полупроводник и др.). На примере аморфных ко-роткопериодных сверхрешеток (ЗЬБЮо^ продемонстрирована возможность получения из аморфных периодических структур новых кристаллических материалов, структура которых определяется сверхрешеточным периодическим потенциалом.

Важным как с научной точки зрения, так и в прикладном аспекте явилось обнаружение сильной зависимости физических параметров металлических и магнитных пленок от толщины при перехода 2Б-ЗВ (диапазон толщин 4−12 нм), поскольку слои именно из этого диапазона толщин используют при конструировании различных устройств спинтроники.

Экспериментальное обнаружение обменного взаимодействия между ферромагнитным слоем и слоем немагнитного полупроводника (8Ю), приводящее к изменению магнитных параметров ферромагнитных слоев может быть использовано для целенаправленного уменьшения коэрцитивного поля и поля насыщения у магнитомягких ферромагнетиков.

В диссертационной работе предложены многослойные структуры из периодически чередующихся наноостровковых слоев из различных магнетиков. В таких структурах при комнатной температуре наблюдается большое магнитосопротивление (-3%) в слабых магнитных полях (до 50Э). Отличительной особенностью этих островковых структур является их способность детектировать сверхслабые магнитные поля (до 10−5-10″ бЭ), что может быть использовано при создании на их основе сенсоров слабых магнитных полей. Положения, выносимые на защиту.

1.Обнаружение квантово-размерного эффекта в аморфных многослойных периодических структурах (81−8Ю2)ы> который проявлялся в увеличение запрещенной зоны у 81 при с15- < 20 А.

2.Метод кристаллизации слоев различных полупроводников и полупроводниковых многослойных структур с помощью предложенного в работе лавинного отжига.

3.Обнаружение кристаллической решетки с гексагональной симметрией у кристаллизованных короткопериодных структур (БьЗЮо^ как результат воздействия сильного периодического потенциала, возникшего в результате чередования в образцах слоев с большой разницей в ширине запрещенной зоны (81 и 810?).

4.Наблюдение стабильных и метастабильных объемных фаз кремния, возникающих при бомбардировке поверхности кристаллического кремния низкоэнергетичными атомами и ионами (Е ~ 1 -10 еУ).

5.Обнаружение осцилляционных зависимостей диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, отражения в ИК-области спектра, частоты электронных столкновений, оптической и БС проводимость и др. параметров от толщины металлических слоев №>, Тл, А1, N1, Си.

6.Обнаружение зависимости оптических и магнитных параметров слоев металлов и ферромагнетиков в области толщин 4−1*2 нм (переход 2Б-ЗБ). 7. Выявление условий возникновения антиферромагнитного типа обменного взаимодействие между ферромагнитными слоями многослойных магнитопо-лупроводниковых наноструктурах Ре-ОаАэ-Ре, Ре-гпТе-Ре и Ре№-8Ю-Ре№ 8.Обнаружение в магнитных структурах Ре№-81С-РеМ порогового по магнитному полю обменного взаимодействия между немагнитным полупроводниковым слоем 81С и ферромагнитными слоями, проявляющееся в существенном изменение полей насыщения и коэрцитивного поля у ферромагнитных слоев.

9.Обнаружение большого по величине магнитосопротивления, высокой чувствительности к сверхслабым магнитным полям и однонаправленной магнитной анизотропии в многослойных периодических структурах из магнитных наноостровов.

Личный вклад автора в получение результатов работы. Личный вклад автора заключается в выборе направления и объектов исследования, формулировке и постановке задач, выборе и разработке методов решения поставленных задач, интерпретации полученных результатов, написании статей и подготовке докладов.

Автором была модернизирована технологическая установка для получения тонких пленок, разработана технология получения аморфных полупроводниковых, металлических и магнитных слоев и многослойных структур на их основе, а также выращены все экспериментальные образцы, которые изучались в диссертации.

Автором были проведены все спектральные измерения структур (Si-SiC^)^ эллипсометрические измерения сверхтонких полупроводниковых, диэлектрических, металлических и магнитных пленок и проведена математическая обработка полученных данных. Автором на базе лазерного эллипсомет-ра сконструирована установка для исследований магнитооптического эффекта Керра и проведены измерения магнитооптических и магнитных параметров сверхтонких и островковых магнитных структур. Автор принимал участие в подготовке и проведения экспериментов на просвечивающим электронном микроскопе. Автор принимал участие в измерение электрических и магнитных параметров однослойных и многослойных островковых металлических и магнитных структур.

Апробация работы. Основные результаты диссертации и отдельные ее положения докладывались на семинарах в ФИАН, ИОФАН, ИФМ УрО РАН и др. и на следующих конференциях:

1 Международная конференция по нейтронной физике, г. Киев, сентябрь, 1987; Всесоюзная конференция «Ионно-лучевая модификация материалов», Черноголовка, июнь, 1987; XXI Всесоюзная конференция по физике полупроводников, Кишинев, октябрь, 1988; 19 International Conference on the Physics Semiconductors, Warsaw, August, 1988; Sino-Soviet Seminar: Spectroscopy and Optoelectronics in SIM and Related Materials, Shunghai, China, May, 1990; 8 International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, Lubek, FRG, 1991; 1 Российская конференция по физике полупроводников, Н. Новгород, сентябрь, 1993; International Symposium: Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, June, 1993, 1995, 1998, 1999, 2004, 2005, 2006; XXI съезде по спектроскопии, Звенигород, февраль, 1995; XV Всероссийская школа-семинар «Новые магнитные материалы для микроэлектроники», июнь, Москва, 1996; 1-st International Conference on Low Temperature Physics, Prague, August, 1996; 2-ая Российская конференция по физике полупроводников, Зеленогорск, февраль, 1996; European Symposium on Lasers and Optics in Manufacturing, June, Faigrands, Munich, FR Germany, 1997; Наноструктуры на основе кремния и германия, Всероссийское совещание, Н. Новгород, март, 1998; XVII международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Москва, МГУ, июнь, 2000; Вторая объединенная конференция по магнитоэлектронике (международная), Екатеринбург, июнь, 2000; 6 Всероссийский семинар «Инженерно-физические проблемы новой техники», МВТУ, Москва, май, 2001; 12-й Международный симпозиум «Тонкие пленки в электронике», Харьков, Украина, апрель, 2001, XIV Уральская Международная школа по физике полупроводников «Электронные свойства низкоразмерных полуи сверхпроводниковых структур, Екатеринбург, февраль, 2002; Moscow International Symposium on magnetism, June, 2002; Symposium and Summer School «Nano and Giga challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia, Moscow, September, 2002; XXXIII совещание по физике низких температур, Екатеринбург, февраль, 2003; International Conference «Functional Materials», ICFM2003, Ukraine, Crimea, Partenit, October, 2003; Нанофотоника, Нижний Новгород, март, 2003; XV Уральская международная конференция по физике полупроводников, Екатеринбург, февраль, 2004; International conference «Functional Materials, ICFM-2005», October, 2005; VII Российская конференция по физике полупроводников, Москва, сентябрь, 2005; Совещание Программы фундаментальных исследований «Спин-зависимые явления в твердых телах и спинтро-ника», апрель, С. Петербург, октябрь, 2006; XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург-Кыштым, февраль, 2006; «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики», Москва, ФИАН, февраль, 2006; XX международная школа-семинар «Новые магнитные материалы ' микроэлектроники», Москва, МГУ, июнь, 2006; 7 Российско-Украинский семинар «Нанофизика и Наноэлектроника», октябрь, С. Петербург, 2006; VII International scientific Conference «Solid state chemistry and modern microand nanotechnologies», сентябрь, Кисловодск, 2007; International conference «Functional Materials, ICFM-2007», Ukraine, Crimea, Partenit, October, 2007; XVII Уральская зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург, февраль, 2008; 10 Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой и. оптои наноэлектронике, декабрь, С. Петербург, декабрь, 2008, XXI международная конференция «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Москва, МГУ, июнь, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано в соавторстве 42 научные работы в ведущих отечественных и зарубежных журналах. Список публикаций приведен в Приложение. Основное содержание работы.

Во Введение обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость результатов работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, личный вклад автора в получение результатов работы, сведения об апробации работы и публикации автора по теме диссертации.

В Главе 1 рассматриваются решение задачи по созданию аморфных многослойных структур (81−8Ю2)ы и возможности наблюдения в них кванто-во-размерного эффекта. Описана технология приготовления сверхтонких полупроводниковых и диэлектрических слоев и приведены результаты исследования их электрических и оптических свойств. Для обнаружения квантово-размерного эффекта в главе изучены спектральные зависимости поглощения структур (81−8102)ы от толщины слоев 81 с использованием двух моделей расчета оптических констант. В заключение сделан вывод об обнаружение кван-тово-размерного эффекта, проявляющегося в изменение ширины запрещенной зоны аморфных многослойных структур при изменении толщины 81.

В Главе 2 предложен новый тип отжига аморфных полупроводниковых структур — лавинный отжиг. Рассмотрен физический механизм лавинного отжига, в процессе которого используется тепло, выделяющееся при фазовом переходе аморфной фазы подслоя металла в кристаллическую. Здесь же приведены результаты по кристаллизации аморфных слоев 81 и аморфных сверхрешеток (81−8Ю2)ыСделан вывод о возможности использования лавинного отжига для кристаллизации аморфных наноструктур.

В Главе 3 рассмотрены результаты кристаллизации короткопериодных аморфных систем (81−8Ю2)ы и сделан вывод о трансформации в процессе отжига аморфных сверхрешеток (8ь8Ю2)м в материал с новой кристаллической структурой гексагональной симметрии. В главе приведены результаты исследований модификации приповерхностных слоев монокристаллического 81, возникающей под действием бомбардировки поверхности 81 низкоэнерге-тичными атомами и ионами. Обнаружены новые стабильные и метастабиль-ные фазы 81, одна из которых по своим параметрам близка к кристаллической структуре отожженной короткопериодной сверхрешетке (81−8Ю2)м.

В Главе 4 изучен эффект размерного квантования в тонких металлических слоях М), Си, N1, Тл и других металлах. Описана технология выращивания тонких металлических слоев. Показано, что в металлических слоях размерные эффекты приводят к осцилляциям диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, частоты столкновений, проводимости и т. д. при изменении толщины металлических слоев. Период обнаруженных осцилляций близок к половине фермиевской длины волны электрона в этих металлах. В главе рассмотрен случай перехода 20-ЗБ для слоев А1 и Си в диапазоне толщин 4−12 нм и обнаружены гигантские осцилляции диэлектрической проницаемости и ИК-отражения в зависимости от толщины исследуемых пленок.

В Главе 5 приведены результаты исследования магнитных и оптических свойств магнитных пленок БеМ, Со и Со№ в диапазоне толщин 1−12 нм, где имеет место переход ЪТ)-2Т>. Описаны особенности выращивания магнитных слоев. Показано, что в диапазоне толщин 4−12 нм, происходит существенное изменение электрических, магнитных и магнитооптических параметров ферромагнитных слоев.

В Главе 6 приведены результаты исследования оптических, магнитных и магнитооптических свойств многослойных магнитных структурах с полупроводниковыми барьерными слоями из ваАБ, БЮ и 2пТе. Найдены условия возникновения в этих структурах антиферромагнитного типа упорядочения магнитных моментов в соседних магнитных слоях. В структурах Ре№-81С-Ре№ обнаружено обменное взаимодействие между Ре№ и немагнитным БЮ и выявлены условия его возникновения.

В Главе 7 приведены основные результаты исследования электрических, магнитных и магнитооптических свойств многослойных периодических структур из магнитных наноостровков. Рассмотрены возможные механизмы возникновения^ магнитосопротивления и однонаправленной магнитной анизотропии в этих структурах. Обнаружено, что многослойные структуры на основе островковых слоев способны детектировать сверхслабые магнитные поля величиной до 10″ 5- 10″ 6 Э.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты работы. В Приложении приведен список работ автора по теме диссертации. В списке цитируемой литературы приведены литературные источники, на которые ссылался автор при написании диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе разработана технология выращивания тон-^ ких аморфных слоев и выращены аморфные полупроводниковые (81, 81С, ваАэ, 2пТе), диэлектрические (8102), металлические (№>, Т1, А1, Си и др.) и магнитные (БеМ, Со№, Бе, Бе№Со и др.) пленки, многослойные периодические структуры (8ь8Ю2)ы и многослойные структуры Ре-ОаАБ-Ре, Ре-ЕпТе-Ре, Ре1чП-81С-Ре№ и другие, т. е. все структуры, которые были изучены в данной диссертационной работе.

В результате проведенных исследований в аморфных многослойных периодических структурах^-8Ю2)ы обнаружен квантово-размерный эффект, который проявлялся в увеличение запрещенной зоны у 81 при с^ < 20А. Для кристаллизации аморфных полупроводниковых слоев 81 и аморфных структур (81−8Юг)н предложен и реализован лавинный отжиг структур, при котором используется тепло, выделяющееся при фазовом переходе подслоя металла (N1) из аморфного состояния в кристаллическое. Методом просвечивающей электронной микроскопии было установлено, что в процессе лавинного отжига короткопериодные аморфные сверхрешетки (81−8Ю2)ы кристаллизуются в структуры с гексагональной симметрией. Показано, что трансформация структур (ЗьЭЮг^ обусловлена воздействием сильного периодического потенциала, возникшего в результате чередования в образцах слоев с большой разницей в ширине запрещенной зоны.

В процессе изучения воздействия низкоэнергетичных (Е ~ 1 -10 еУ) атомов и ионов на поверхность кристаллического кремния были обнаружены стабильные и метастабильные объемные фазы кремния. Одна из обнаруженных фаз 81 по своей кристаллической структур совпадала с кристаллической структурой, в которую в процессе отжига трансформировались короткопериодные аморфные сверхрешетки (81−8Ю2)н.

При исследовании оптических и электрических свойств сверхтонких пленок №>, Т1, А1, N1, Си, W и др. обнаружены осцилляции диэлектрической проницаемости, плазменной частоты, отражения в ИК-области спектра, частоты электронных столкновений, оптической и БС проводимость и др. параметров в зависимости от толщины металлических слоев. Период обнаруженных осцилляций составлял половину фермиевской длины волны электрона в изучаемом металле и лежал в диапазоне 0.25 — 0.9 нм. Установлено, что данные осцилляции физических параметров связаны с размерным эффектом в тонких металлических слоях. В слоях А1 и Си обнаружены гигантские осцилляции диэлектрической проницаемости и ИК-отражения в зависимости от толщины в области толщин 4−12 нм (область перехода 20−30). Период обнаруженных осцилляций был близок к фермиевской длине волны электрона в А1 и Си. В этом же диапазоне толщин (4−12 нм) в магнитных пленках Ре№, Со, Со№ обнаружено резкое изменение величинь1 эффекта Керра, полей магнитной анизотропии и насыщения, коэрцитивной силы и др. Также было обнаружено изменение ориентации осей легкого намагничивания в зависимости от толщины пленок, а в слоях БеМ — полярная намагниченность, которая как мы полагаем, обусловлена доменными стенками блоховского типа. Найденные зависимости были связаны с изменением магнитной структуры ферромагнитных пленок при переходе 2Б-30.

В результате изучения магнитооптических и магнитных свойств магни-тополупроводниковых структур Бе-СаАз-Ре, Ре-2пТе-Ре и РеМ-ЗЮ-РеМ выявлены условия возникновения антиферромагнитного типа обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями. Установлено, что в этих структурах антиферромагнитный тип обменного взаимодействия между магнитными слоями возможен лишь при определенных толщинах полупроводникового слоя — 1.8 — 2.2 нм. В магнитных структурах РеМ-БЮ-РеМ обнаружено пороговое по магнитному полю обменное взаимодействие между немагнитным полупроводниковым слоем 81С и ферромагнитными слоями, проявляющееся в существенном изменение полей насыщения и коэрцитивного поля у ферромагнитных слоев.

В работе были предложены и выращены новые магнитные структуры, представляющие собой многослойные системы из периодически чередующихся островковых слоев различных магнетиков типа (БеМСо№)ц. В этих структурах обнаружено большое (более 3%) магнитосопротивление и однонаправленная магнитная анизотропия. Установлено, что данные островковые структуры способны детектировать слабые магнитные поля вплоть до 10″ 5 — 1(Г6Э.