Исследование электронной и атомной структуры систем Gd/GaAs (110) и Dy/GaAs (110) в широком интервале температур

Актуальность темы

диссертации. В последние годы поверхности твердых тел и границы раздела металл — полупроводник стали объектами многочисленных исследований. Значительный интерес к таким объектам обуславливается прежде всего их практической важностью. Развитие современной электроники приводит ко все большей миниатюризации микросхем, в которых используются приборы, принципы работы которых основаны на различных поверхностных эффектах. Поэтому совершенствование микроэлектроники предъявляет все большие требования к объектам с пониженной размерностью. В связи с этим исследование различных явлений на поверхностях и границах раздела приобретает значительную практическую ценность для развития современных технологий.

Известно, что металлы редкоземельных элементов (РЗЭ) и их соединения обладают рядом уникальных физических свойств, среди которых можно отметить прежде всего магнитные. В связи с этим, представляет несомненный интерес исследование транспортных и магнитных свойств систем РЗЭ/полупроводник и многослойных систем с использованием РЗЭ. Однако, создание подобных систем и исследование их свойств невозможно без детального понимания явлений, происходящих на границе раздела РЗЭ/полупроводник.

Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию процессов формирования различных границ раздела металл — полупроводник (см., например, обзоры [1,2]), весьма малое число опубликованных до настоящего времени данных относилось к изучению систем РЗЭ/полупроводник, и, в частности, систем РЗЭ — поверхность арсенида галлия. Этот факт, на наш взгляд, может быть связан с высокой химической активностью РЗЭ и, следовательно, трудностью приготовления чистых поверхностей. Получение атомарно-чистых поверхностей металлов и соединений РЗЭ стало возможным лишь с появлением современной техники, позволяющей проводить исследования в условиях глубокого вакуума. Таким образом, изучение процессов на границе раздела РЗЭ/полупроводник может быть первым шагом на пути создания многослойных и мультисистем. При этом, особый интерес представляют системы, содержащие РЗЭ с большим спином (например вс! со спином 7/2 и Оу со спином 5/2).

Кроме того, изучение границ раздела РЗЭ/полупроводник представляет интерес и с фундаментальной точки зрения, поскольку в таких вопросах физики поверхности как, например, формирование барьера Шоттки (БИТ) еще нет полной ясности даже после десятилетий интенсивных исследований. Влияние температуры подложки на физические явления на границе раздела, такие как формирование интерфейса и БШ, также представляет значительный интерес. Необходимо отметить, что количество подобных работ, в которых системы металл — полупроводник исследовались одновременно при комнатной и низких температурах (близких к температурам жидкого азота и гелия) невелико, а низкотемпературные исследования систем РЗЭ/СаАз (110) докладывались в единичных работах.

Все вышеперечисленные обстоятельства и определили в значительной степени постановку задачи.

Целью данной диссертационной работы является комплексное исследование систем Сс1/ОаА8(110) и Ву/ОаАз (1Ю) в процессе осаждения атомов гадолиния и диспрозия на подложку при комнатной и низких (20 К, 100 К) температурах и изучение зависимости механизмов формирования интерфейса и БШ от температуры подложки. Для решения этой задачи использовался комплекс современных методик, таких как оже-электронная спектроскопия (ОЭС), ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС), дифракция медленных электронов (ДМЭ), спектроскопия характеристических потерь энергий электронов (СХПЭЭ).

К научной новизне можно отнести прежде всего сам факт комплексного исследования систем ОёЛЗаАзО 10) и Ву/ОаАз (ПО) с помощью ряда методик анализа поверхности (ОЭС, УФЭС, СХПЭЭ, ДМЭ) при разных температурах подложки. Если для системы вё/р-СаАз ранее были опубликованы единичные работы, в которых формирование интерфейса при комнатной температуре исследовалось с помощью фотоэмиссии, то для системы Бу/ваАз, насколько нам известно, подобных работ опубликовано не было. К новым можно также отнести и проведенные исследования упомянутых систем при температурах близких к гелиевым. Подобные исследования с использованием методов фотоэмиссии и сканирующей туннельной микроскопии проводились лишь для системы 8т/ОаАз (110). Полученные в нашей работе новые данные для систем Сс1/ОаАз (110) и Оу/ОаАз (ПО) при низких и комнатной температурах могут быть полезны как с фундаментальной, так и с практической точек зрения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Установлено, что осаждение атомов Ос1 на поверхность скола СаАз (110) приводит к образованию разупорядоченного интерфейса при всех исследованных температурах подложки (20, 100 и 300 К) в интервале покрытий 0=0—10 монослоев. При температурах подложки 100 и 300 К реакция между осаждаемыми атомами и подложкой начинается уже на самых ранних стадиях напыления Ос1 (0<�О.ОЗ монослоя) и обуславливает образование интерфейсных соединений ОсЮа и Оё-Аэ, присутствие которых наблюдается даже при покрытиях вё около 10 монослоев. При более низких температурах подложки (20 К) реакция значительно ослаблена из-за низкой подвижности атомов и, как следствие, затрагивает только верхний слой атомов подложки.

2) Обнаружено, что уменьшение температуры подложки ведет к изменению механизма роста слоев вс! на поверхности ОаАз (ПО). При комнатной температуре рост соответствует островковой модели, тогда как при 100 К он близок к модели Странски-Крастанова (неупорядоченные островки на сформировавшемся монослое атомов металла). Осаждение атомов вс! на подложку, охлажденную до 20 К, приводит к послойному росту вс1.

3) Показано, что формирование барьера Шоттки в системе ОсЮаАз (110) обусловлено 2 типами состояний в запрещенной зоне полупроводника. На начальной стадии роста быстрый изгиб зон обусловлен собственными дефектными состояниями, возникающими за счет энергии выделяемой при адсорбции атомов в (1 Окончательное же положение уровня Ферми, которое устанавливается при покрытиях превышающих 1 монослой, обусловлено так называемыми металлоиндуцированными состояниями.

4) Обнаружено формирование реактивного интерфейса в системе Оу/ОаА8(ПО) при всех исследованных температурах подложки. Как и для системы Ос1/ОаАз (110), при 300 и 100 К реакция осаждаемых атомов с подложкой начинается при толщине покрытия 0<�О.ОЗ монослоя. На начальной стадии роста реакция приводит при комнатной температуре к образованию в интерфейсе соединений типа Бу-АБ и сегрегации атомов ва, а при 100 К к образованию неупорядоченных интерфейсных фаз Оу-Оа-АБ на разрушенной поверхности ОаАзО 10). Как и для системы ОёЛЗаАз, реактивность существенно снижается при охлаждении подложки до 20 К.

5) Определены различные величины барьеров Шоттки в системах Оу/ОаАз (110), полученных при 300 и 100 К. Экспериментально найдено, что изгиб зон в этих системах завершается при субмонослойных покрытиях, что согласуется с моделью собственных дефектов Спайсера. Отличие величин барьера Шоттки при низкой и комнатной температурах связано с различием получающихся в интерфейсе продуктов реакции. В результате этого образуются собственные дефекты ваАз, характеризуемые различным положением энергетических уровней в запрещенной зоне. Так, формирование соединений Ву-Аэ и уменьшение числа антиструктурных дефектов типа АзСа обуславливает увеличение барьера Шоттки (300 К), тогда как реакция, приводящая к образованию фаз Бу-ва и уменьшению числа центров типа ОаА8, вызывает уменьшение величины изгиба зон (100 К).