WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Исследование локальной электронной и атомной структуры в аморфных сплавах a-SixC1-x методом ультрамягкой рентгеновской спектроскопии © В.А. Терехов¶, Е.И. Теруков, И.Н. Трапезникова, В.М. Кашкаров, О.В. Курило, С.Ю. Турищев, А.Б. Голоденко, Э.П. Домашевская Воронежский государственный университет, 394006 Воронеж, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 24 сентября 2004 г. Принята к печати 12 октября 2004 г.) С помощью методов рентгеновской спектроскопии получены данные о локальной электронной и атомной структуре сплавов a-SixC1-x : H Er, приготовленных в тлеющем разряде (PECVD) при различных соотношениях силана и метана в газовой смеси (x = 0.3-0.9). Показано, что сплавы имеют в своем составе атомы кремния и углерода с различной координацией. Кремний наблюдается в виде элементарного аморфного кремния и карбида кремния, соотношение этих фаз в пленках зависит от состава газовой смеси. Атомы углерода могут образовывать связи с кремнием в координации, близкой к таковой для кристаллического карбида кремния, с образованием также заметного количества связей C-H. Кроме того, углерод может формировать в пленке фазу элементарного углерода с различной координацией, свойственной графиту и алмазу.

Аморфные сплавы a-SiC : H представляют значитель- из определенной области валентной зоны на вакансию ный интерес как широкозонные материалы для элек- остовного уровня, и определяется выражением тронной техники и солнечной энергетики, а также в качестве износостойких покрытий. Кроме того, с точки I(E) (E - Ef )|M0 f |2, (1) зрения физики неупорядоченных систем они достойны f особого внимания, поскольку позволяют реализовывать где M0 f = 0 H f dr — матричный элемент перехода различные варианты композиционного беспорядка.

из f -состояния в валентной зоне, характеризуемого Цель настоящей работы — получение с помощью волновой функцией f и энергией Ef, на остовный методов рентгеновской спектроскопии данных о лоуровень с волновой функцией 0, H — оператор кальной электронной и атомной структуре сплавов возмущения электромагнитного поля. Полная плотность a-SixC1-x : H Er, приготовленных в тлеющем разряде электронных состояний g(E) определяется выражением (plasma enhanced chemical vapor deposition — PECVD) при различных соотношениях силана и метана в газовой g(E) = (E - Ef ), (2) смеси (x = 0.3-0.9).

V f Информацию об энергетическом распределении валентных электронов кремния в исследуемых пленках где V — объем.

получали из Si L2,3-спектров эмиссии (SXES — soft Сопоставление выражений (1) и (2) позволяет сделать X-ray emission spectroscopy), отражающих распределевывод, что из-за сильной локализации остовной функции ние плотности 3s-состояний Si, регистрируемых на излучающего атома 0 интенсивность I(E) отражает спектрометре-монохроматоре РСМ-500. Данные о хаплотность электронных состояний, волновые функции рактере распределения плотности состояний кремния которых дают заметный вклад вблизи этого атома, и углерода вблизи дна зоны проводимости получены т. е. энергетическое распределение локальной плотности по спектрам квантового выхода фотоэффекта в области электронных состояний [1,2].

Si L2,3-края и C K-края (XANES — X-ray absorption Сведения о распределении состояний в зоне провоnear edge structure), которые дают информацию о димости получены на основе спектральной зависимости ближней тонкой структуре края рентгеновского поглоквантового выхода внешнего фотоэффекта в рентгеновщения в a-SixC1-x : H Er и отражают распределение ской области, пропорционального коэффициенту погло3s-состояний Si и 2p-состояний C в зоне проводимости.

щения µ вблизи краев поглощения, XANES-спектры были получены на Российско-Германском канале синхротрона BESSY-II.

µ(E) (E - Ek)|Mk0|2. (3) Распределение интенсивности излучения по энерk гии I(E) зависит от числа электронов, перешедших Эмиссионные спектры различных образцов сплавов ¶ E-mail: root@ftt.vsu.ru a-SixC1-x : H Er изображены на рис. 1. Состав исходной 864 В.А. Терехов, Е.И. Теруков, И.Н. Трапезникова, В.М. Кашкаров, О.В. Курило, С.Ю. Турищев...

Зависимость фазового состава пленок a-SixC1-x : H Er от состава газовой смеси Состав Количество № Погрешность, Тип координации газовой смеси фазы эталона, % Фазовый состав образцов C-H образца % атомов C SiH4 CH4 a-Si : H a-SiC : H ЕА39 0.9 0.1 100 - 5 SiC a-Si :H, SiC, C-H + ЕА40 0.8 0.2 87 13 2 sp2 + sp3 a-Si :H, a-SiC : H, C(sp2 + sp3) ЕА41 0.7 0.3 79 21 3 SiC a-Si :H, a-SiC : H, SiC, C-H + ЕА42 0.6 0.4 83 17 3 sp2 + sp3 a-Si :H, a-SiC : H, C(sp2 + sp3) ЕА43 0.4 0.6 74 26 4 sp2 + sp3 a-Si :H, a-SiC : H, C(sp2 + sp3) ЕА44 0.3 0.7 66 34 6 SiC a-Si : H, a-SiC : H, SiC, C-H + газовой смеси, нормированный на единицу, указан в 2p-состояниям углерода, гибридизованным с состоянитаблице. Как видно, в зависимости от состава газовой ями Si 3s. Третья особенность — слабо выраженный смеси форма спектров претерпевает изменения. Для ана- максимум на 85 эВ, соответствующий 2s-состояниям C лиза этих изменений, отражающих изменения фазового с примесью 3s-состояний Si.

состава пленок, мы использовали сравнение с типичВизуальный анализ спектров на рис. 1 и 2 показывает, ными спектрами a-Si : H и a-SiC : H, используемыми в что спектр образца ЕА39 с минимальным содержанием качестве эталонов. Они приведены на рис. 2.

углерода близок эталонному спектру a-Si : H, что соотСпектр аморфного гидрогенизированного кремния ветствует ожиданиям. С увеличением концентрации угa-Si : H имеет следующий характерный вид: широкий лерода в газовой смеси форма и положение максимумов главный максимум, расположенный в области энергий в спектрах образцов претерпевают плавные изменения, 89-92 эВ, соответствующий состояниями Si 3s, и до- приобретая некоторые особенности, свойственные спекстаточно интенсивное „плечо“ спектра a-Si : H справа трам a-SiC : H. Для количественного обоснования данных от главного максимума, обусловленное гибридизацией наблюдений был проведен фазовый анализ образцов по состояния Si 2s с состояниями Si 3p, формирующими методике [3], состоящий в математическом моделировапотолок валентной зоны. нии спектров исходя из спектров эталонных образцов Спектр аморфного карбида кремния a-SiС : H име- a-Si : H и a-SiС : H (рис. 2).

ет три характерных максимума. Главный, наиболее интенсивный, (состояния Si 3s) соответствует энергии 91 эВ. При энергии 96 эВ расположен более широкий и менее интенсивный максимум, соответствующий Рис. 2. Рентгеновские эмиссионные Si L2,3-спектры эталонов, используемые при моделировании спектров пленок.

Результаты моделирования показаны на рис. 1 (сплошная линия) в сопоставлении с экспериментальными спектрами (точки). Полученные модельные спектры достаточно хорошо согласуются с экспериментальными. На этом основании можно утверждать, что представленное в таблице соотношение фаз a-Si : H и a-SiС : H близко к действительности. Изменениe фазового состава показано Рис. 1. Рентгеновские эмиссионные Si L2,3-спектры исследуемых образцов: точки — эксперимент, сплошная линия — ре- на рис. 3 и отражает тенденцию образования a-SiC : H в зультат моделирования. образцах при изменении состава газовой смеси.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Исследование локальной электронной и атомной структуры в аморфных сплавах a-SixC1-x... Таким образом, математический анализ подтверждает, что во всех образцах, содержащих от 10 до 70 % CHв газовой смеси, состав пленки по меньшей мере двухфазный, и атомы кремния имеют два различных типа локального окружения: одно — близкое к элементарному аморфному кремнию, второе —близкое к стехиометрическому карбиду кремния. С увеличением содержания углерода в сплаве (от образца ЕА39 к образцу ЕА44) растет доля карбидной фазы, достигающая 35% при концентрации CH4 = 70% в газовой смеси.

Спектры поглощения L2,3 кремния (XANES) подтверждают наличие в образцах фазы a-Si : H и карбидной фазы. На рис. 4, a приведены спектры края поглощения Рис. 3. Зависимость содержания a-SiC от количества CHSi L2,3 исследуемых пленок, на рис. 4, b —спектры этав газовой смеси для образцов ЕА39-ЕА44.

лонов кристаллического кремния (c-Si), a-Si : H и SiO2.

Спектры квантового выхода кремния в SiC (- и -модификации), используемые нами в качестве эталонных, приведены в [4,5].

Сравнительный анализ показал наличие двух типов спектров:

для одних образцов (ЕА39, ЕА44) тип локального окружения атомов Si близок к характерному для SiC — положение главного максимума около 107-107.5эВ, наличие особенностей (в виде небольшого плеча) в области 104.5 и 105.5 эВ, которые с увеличением концентрации углерода в газовой смеси проявляются сильнее;

плечо в области 108.5 эВ (положение главного максимума в SiO2, обычного для поверхностных состояний Si) сглаживаются при переходе от образца ЕА39 к ЕА44;

для других образцов (ЕА40, ЕА42) форма спектра и энергетическое положение особых точек, а также края поглощения ( 100 эВ) схожи с наблюдаемыми для эталона a-Si : H, что подтверждает преобладание в данных пленках фазы аморфного кремния; небольшое плечо в области 104.4-105.5 эВ показывает наличие в окружении Si малого количества углерода;

спектры образцов ЕА41 и ЕА43 имеют особенности и того, и другого типа, что может свидетельствовать о наличии на поверхности двухфазных пленок углеродного слоя (до 5 нм).

Анализ C K-спектров поглощения (XANES), приведенных на рис. 5, показал наличие двух типов спектров, причем плавной зависимости изменения их формы от изменения состава газовой смеси (как и в случае XANES-спектров Si L2,3 этих пленок) мы не обнаружили.

Сравнение спектров с литературными данными [6–8], представленными на рис. 6, позволяет сделать следующие выводы:

в одних образцах (ЕА39, ЕА41, ЕА44) локальное окружение углерода близко к характерному для карбида кремния — положение главного края поглощения в них 287 эВ, что близко к главному краю кристаллического SiC ( 286 эВ), однако отличается дополнительным пиком при 288 эВ, обусловленным связями C-H [7];

Рис. 4. XANES-спектры Si L2,3: a — образцы a-SixC1-x : H в других образцах (ЕА40, ЕА42, ЕА43) наблюдас различным соотношением компонентов газовой смеси;

ются два типа координации углерода: алмазоподобb — типичный исследуемый образец ЕА42 и эталоны c-Si, a-Si : H, SiO2. ная sp3 (размытый край поглощения в области 290 эВ) 7 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 866 В.А. Терехов, Е.И. Теруков, И.Н. Трапезникова, В.М. Кашкаров, О.В. Курило, С.Ю. Турищев...

и графитоподобная sp2 (широкий максимум в области 284-286 эВ, характерный для графита); при этом полученные нами спектры близки к спектрам двухфазных пленок, исследованных в [8].

Таким образом, результаты исследований показывают, что в исследованных пленках углерод может иметь различную координацию.

Полученные данные сведены в таблицу. Приведен фазовый состав пленок (соотношение a-Si : H, a-SiC : H) как результат модельного анализа эмиссионных спектров пленок в сравнении с эталонными спектрами, а также указана погрешность (рис. 1-3). Указана координация атомов углерода, установленная из анализа XANESспектров C K, приведенных на рис. 5 и 6. Приведены данные о наличии связей C-H, о которых свидетельствует характерный пик в области 288 эВ в спектрах поглощения C K (рис. 5). Восьмой столбец является обобщающим и показывает совокупный фазовый состав исследуемых пленок a-SixC1-x : H Er.

Таким образом, результаты исследований пленок a-SixC1-x : H Er, полученных методом PECVD из газовой смеси с различным соотношением компонент SiHи CH4, показали, что пленки имеют в своем составе атомы кремния и углерода в различной координации.

Рис. 5. C K-спектры поглощения исследуемых образцов При этом кремний наблюдается в виде элементарного a-SixC1-x : H.

аморфного кремния и карбида кремния, и соотношение данных фаз в пленках зависит от состава газовой смеси.

Атомы углерода могут образовывать связи с кремнием с координацией, близкой к координации в кристаллическом карбиде кремния, с образованием также заметного количества связей C-H. Кроме того, углерод может формировать в пленке фазу элементарного углерода с различной координацией, свойственной как графиту, так и алмазу.

Список литературы [1] Физика гидрогенизированного аморфного кремния, под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски (М., Мир, 1988) ч. II, с. 48.

[2] В.А. Немошкаленко. Теоретические основы рентгеновской эмиссионной спектроскопии (Киев, Наук. думка, 1974) с. 376.

[3] Э.Ю. Мануковский. Автореф. канд. дис. (Воронеж, 2000).

[4] V.A. Fomichev, I.I. Zhukova, I.K. Polushina. J. Phys. Chem. Sol., 29, 1025 (1968).

[5] В.А. Фомичев. ФТТ, 9, 3034 (1967).

[6] M.M. Garcia, I. Jimenez, L. Vazquez, C. Gomez-Aleixandre, J.M. Albella, O. Sanchez, L.J. Terminello, F.J. Himpsel. Appl.

Phys. Lett., 72 (17), 2105 (1998).

[7] M. Lubbe, P.R. Bressler, W. Braun, G. Schaarschmidt, H.J. Hinneberg, D.R.T. Fresenius. J. Anal. Chem., 361, (1998).

Рис. 6. C K-спектры поглощения типичных исследуе[8] Y. Muramatsu, H. Takenaka, Y. Ueno, E.M. Gullikson, мых образцов и эталонов. a-Si0.4C0.6 : H Er — пленR.C.C. Perera. als.lbl.gov/als/compendium/AbstractManager/ ка ЕА43; a-Si0.7C0.3 : H Er — пленка ЕА41; спектры diamond, frontend/pagAuthors2.phpPersonID=SiC, graphite приведены в [6], спектр двухфазной пленки Редактор Л.В. Шаронова CVD diamond — в [8].




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.