Исследование структурных и электрофизических свойств

Исследование структурных и электрофизических свойств…
П.Е. ТЕТЕРИН1, А.В. ЗЕНКЕВИЧ1, Ю.Ю. ЛЕБЕДИНСКИЙ1, О.Е. ПАРФЕНОВ1,2
1
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
2
Российский научный центр «Курчатовский институт», Москва
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СЛОЕВ SmS И EuS
Исследованы структурные и электрофизические свойства тонких пленок EuS и SmS на подложках Si(100), сформированные методом импульсного лазерного осаждения. Получены стехиометрические поликристаллические пленки
EuS толщиной 100 нм со средним размером зерна более 50 нм. Показано, что при Ткомн на подложках Si(100) возможен
эпитаксиальный рост SmS, возникающие при этом напряжения приводят к формированию металлической фазы. Отжиг
при Т > 500 °С ведет к релаксации пленки и фазовому переходу металл-полупроводник.
Концентрированные магнитные полупроводники сочетают в себе полупроводниковые и
магнитные свойства, что делает их привлекательными материалами для спинтроники – раздела
науки, исследующего эффекты спин-зависимого транспорта носителей заряда, на основе которых
ведутся исключительно активные разработки принципиально новых устройств логики и памяти
[1]. В частности, сульфид европия является ферромагнетиком с ТС = 16,3 К.
Основные физические свойства моносульфидов европия и самария приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные физические параметры EuS и SmS [2]
Моносульфид
EuS
SmS
Кристаллическая структура
Типа NaCl, Fm3m
Типа NaCl, Fm3m
Параметр решетки a, Å
5,968
5,967 полупроводниковая фаза;
5,70 металлическая фаза
Магнитное упорядочение
Ферромагнетик, ТС = 16,3 К
Парамагнетик
Интересным свойством SmS является наличие фазового перехода полупроводник-металл
при комнатной температуре в зависимости от давления, сопровождаемого изменением постоянной
решётки, который обусловлен выталкиванием примесного уровня, соответствующего Sm3+, и 4ƒуровня в зону проводимости, вызванным уменьшением объема элементарной ячейки [3, 4]. Переход металл-полупроводник наблюдается и в EuS в окрестности точки Кюри [2]. Поскольку EuS и
SmS имеют схожие физико-химические параметры, можно предположить, что похожими являются
и условия роста тонких пленок на их основе.
Формирование тонких пленок EuS методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) на
подложках Si(100) производилось абляцией из стехиометрических мишеней EuS. В качестве мишеней использовался спрессованный порошок EuS. Согласно данным рентгеновской дифракции,
исходная пленка EuS является нанокристаллической.
Исследование этих образцов с помощью резерфордовского обратного рассеяния (РОР) говорит о нестехиометрическом составе исходных пленок, именно, о недостатке серы (Eu:S = = 1,15:1).
Недостаток серы в образцах можно устранить, например, путем предварительного создания атмосферы паров серы в камере осаждения распылением мишени серы. Как показали проведенные
эксперименты, во время осаждения EuS в атмосфере паров серы в пленке образуется значительный избыток серы (Eu:S = 1:2). В процессе вакуумного отжига избыточная сера выходит на поверхность и десорбируется, при этом формируются строго стехиометрические поликристаллические слои EuS.
На рис. 1 показаны дифрактограммы пленки EuS, выращенной в атмосфере серы. По данным
РОР, стехиометрический состав пленки после отжига при Т = 600 ºС соответствует Eu1S1. Оценка
размера зерна по формуле Шеррера дает D = 50 нм, что по порядку величины сравнимо с толщиной пленки.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том III
1
Исследование структурных и электрофизических свойств…
1000
Интенсивность, имп/с
800
Eu
[200
S
]
Т=600°С
Si
[400]
600
400
200
0
EuS Eu EuS
[220 [222 [400
S
]
]
]
Eu
[11
S
1]
Eu
[422
S
] 80
60
2Θ, град
40
20
100
120
Рис. 1. Дифрактограммы пленки EuS, выращенной из стехиометрической мишени в атмосфере серы
на Si (100) после отжига при T = 600 °С
В отличие от EuS, пленки сульфида самария можно осаждать непосредственно из мишени
SmS с последующим отжигом, при этом изменений стехиометрического состава не наблюдается.
Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что выращенные при комнатной температуре
тонкопленочные образцы SmS толщиной 250 нм на подложках Si (100) оказываются эпитаксиальными с ориентацией Si(100)||SmS(100) (рис. 2). При этом параметр решетки, рассчитанный из положения пика SmS [200], составляет а = 5,693 Å (табл. 2), что соответствует металлической фазе.
Можно предположить, что благодаря небольшому расхождению параметров решетки Si
(a = 5,43 Å) и SmS пленка моносульфида на кремниевой подложке растёт в напряженном состоянии, что и приводит к формированию металлической фазы.
Интенсивность, имп/с
Si
[400
]
Эталонные рефлексы SmS c a=5.972Å
Исходный
105
104
Т=600°
C
Sm
[200
S
]
Si
[200
]
103
Sm
[400
S
]
102
10
1
20
30
40
50
60
70
80
2Θ, град
Рис. 2. Дифрактограммы пленки SmS до и после отжига при T = 600 °C
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том III
2
Исследование структурных и электрофизических свойств…
Одноосные напряжения, которые испытывает пленка на подложке Si(100) в направлении
[110], можно оценить с помощью формулы Стони:
(100)  30,08
d s2  1
1 
  ,

d f  R f Rs 
где ds и df – толщины подложки и пленки соответственно, а Rs и Rf – последовательно измеренные
с помощью профилометра радиусы кривизны вырезанной полоски Si (100) для исходной подложки и с выращенной пленкой соответственно [6]. Проведенные измерения и расчет показывают, что
радиус кривизны подложки R ~ 9 м, а соответствующие ему напряжения в пленке SmS составляют
P ~ 14 ГПа, что существенно превосходит пороговое давление в P = 0,65 ГПа для фазового перехода полупроводник-металл в SmS [3].
В результате отжига происходит релаксация пленки, что подтверждено повторными измерениями кривизны на образце SmS/Si (100), согласно которым радиус кривизны подложки после отжига составляет более 60 м. В результате после снятия напряжений должен происходить переход в
полупроводниковую фазу. Именно такая эволюция положения пика SmS [200] и наблюдается на
спектрах РСА (cм. рис. 3 и табл. 2). При этом в результате отжига происходит рост размера зерна:
оцененные по формуле Шерерра средние размеры зерна в пленке также приведены в табл. 2.
Интенсивность, отн. ед.
1,0
T = 600°C T =
500
°C Исходны
й
0,8
0,6
0,4
0,2
0
29
30
32
31
2Θ, град
33
Рис. 3. Изменение пика SmS [200] в пленке с отжигом
Рассмотрим эволюцию пика [200] пленки SmS от температуры отжига пленки (см. рис. 3,
табл. 2). В результате отжига пик смещается в сторону увеличения параметра решетки, параметры
решетки исходной и отожженных пленок приведены в табл. 2. Видно, что после 30 мин отжига
пленки при T = 500 °С произошло заметное изменение параметра решетки, откуда можно сделать
вывод, что пленка релаксировала. Рост зерен начинается одновременно с релаксацией пленки.
Таблица 2
Параметр решетки в пленке SmS и средний размер зерна в зависимости от температуры отжига
Тотж
До отжига
500 С
600 С
а, Å
5,693
5,778
5,926
D, Å
80
100
250
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том III
3
Исследование структурных и электрофизических свойств…
Отжиг при T = 600 °С в течение 30 мин является с точки зрения структуры оптимальным,
поскольку более длительный отжиг приводит к неоднофазности пленки, а повышение температуры до T = 700 °С приводит к деградации фазы SmS и образованию фазы Sm3S4.
Фазовый переход в пленках SmS был подтвержден с помощью температурной зависимости
электросопротивления. Установлено, что омическим контактом к SmS является Al. Поэтому исследование электрофизических свойств пленок SmS проводилось на структурах Al/SmS/SiO2/Si.
10 8
10 7
600 С
500 С
10 6
R,
Ом
10 5
10 4
10 3
10 2
100
150
200
250
300
350
T, К
Рис. 4. Температурная зависимость электросопротивления для пленок SmS
с различными температурами отжига
Исследование температурной зависимости электросопротивления было проведено
4-контактным методом на трех одинаковых образцах SmS толщиной 430 Å: исходном и двух образцах, отожженых в вакууме при 500 и 600 С в течение 30 мин.
Полученный результат показан на рис. 4. Отжиг приводит к увеличению электросопротивления более чем на три порядка при комнатной температуре, меняется и вид температурной зависимости электросопротивления. В сравнение с литературными данными [3–5] полученные нами
данные соответствуют опубликованным данным о физических свойствах SmS.
Таким образом, в работе описан метод формирования стехиометрических пленок сульфидов
EuS и SmS на подложках Si (100) с помощью импульсного лазерного осаждения. В результате отжига получен и подтвержден электрофизическими измерениями фазовый переход металлполупроводник, связанный с релаксацией изначально напряженной пленки SmS. Полученные результаты могут быть основой для создания структур и устройств на основе EuS и SmS, например
тензодатчиков, а также при разработке технологического обеспечения изготовления таких структур.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Zutic I., Fabian Y., Das Sarma S. // Rev. Mod. Phys. 2004. V. 76. P. 323.
Shapira Y., Reed T.B. // Phys. Rev. B. 1972. V. 5. P. 4877.
Bucher E., Narayanamurti V., Jayaraman A. // J. App. Phys. 1971. V. 42. P. 1741.
Каминский В.В., Соловьев С.М. // ФТТ. 2001. Т. 43. С. 423.
Самохвалов А.А. Редкоземельные полупроводники. М.: Наука, 1977.
Janssen J.C.A.M. et al. // Thin Solid Films. 2009. V. 517. P. 1858.
ISBN 978-5-7262-1280-7. НАУЧНАЯ СЕССИЯ НИЯУ МИФИ-2010. Том III
4