Способ формирования тонкой пленки монооксида европия на кремниевой подложке с получением эпитаксиальной гетероструктуры euo/si - RU2739459C1

Чертежи

Описание

Область техники

Изобретение относится к способу формирования тонкой пленки монооксида европия на кремниевой подложке с получением эпитаксиальной гетероструктуры EuO/Si, которая может быть использована в устройствах спинтроники, в частности, при создании инжекторов спин-поляризованного тока или спиновых фильтров.

Уровень техники

В настоящее время парадигма развития элементной базы микроэлектроники сместилась от масштабирования существующих полупроводниковых приборов, приближающегося к своему пределу, к созданию устройств, использующих новые принципы функционирования. Спинтроника, использующая для хранения и передачи информации не только заряд, но и спин электрона, способна обеспечить существенный прогресс в создании элементов логики и запоминающих устройств нового типа.

Основные усилия в этой области направлены на развитие кремниевой спинтроники, что связано со стремлением создать новые элементы на основе существующей кремниевой технологической платформы. Однако кремний немагнитен и, поэтому, спиновая поляризация носителей в нем должна быть создана извне. Общим подходом к созданию спин-поляризованных носителей в кремнии является электрическая инжекция из ферромагнитного материала.

Основной проблемой при таком подходе, стоящей особенно остро при использовании в качестве контакта-инжектора ферромагнитных металлов, является рассогласование проводимостей. Большое различие проводимостей между ферромагнитным контактом и полупроводником приводит к значительному снижению эффективности инжекции спин-поляризованных носителей. Решением этой проблемы могла бы быть инжекция через тонкий барьер диэлектрика (~2 нм). Но в этом случае степень спиновой поляризации составляет ~50%, в то время как для эффективного функционирования спинтронных устройств необходимо создать спиновый инжектор со степенью поляризации близкой к 100%.

Более перспективный выбор материала контактов состоит в использовании ферромагнитных полупроводников. Проводимость таких контактов может быть подстроена к проводимости кремния путем легирования, что позволяет избежать проблемы рассогласования проводимостей. В качестве материала для создания полупроводниковых ферромагнитных контактов оксид европия (EuO) считается одним из самых перспективных. Необходимым условием создания эффективного контакта-инжектора спин-поляризованных носителей на основе EuO является получение высококачественных планарных структур с резким (на уровне монослоя) интерфейсом, что представляет собой сложную технологическую задачу.

В данном изобретении реализован способ создания гетероструктур EuO/Si(001) с атомно-резкой границей раздела, позволяющий выращивать эпитаксиальные монокристаллические пленки EuO, проявляющие полноценные магнитные свойства и демонстрирующие полупроводниковое транспортное поведение.

На настоящий момент известен ряд патентов по данной тематике, наиболее релевантные из которых приведены ниже.

Известно изобретение «Многослойная тонкая пленка» (патент US 6258459 В1), в котором эпитаксиальные тонкие пленки перовскитов с различной ориентацией получают на различных подложках с подслоем металла. Недостатком этого изобретения является невозможность выращивать редкоземельные оксиды.

Известно изобретение «Полупроводниковая структура, включающая смешанный редкоземельный оксид на кремнии» (патент US 7923743 В2), в котором эпитаксиальные тонкие пленки смешанных редкоземельных оксидов получают в виде гетероструктур на кремнии. Недостатком данного изобретения является невозможность выращивания оксида двухвалентного европия.

Известно изобретение «Эпитаксиальные слои на чувствительных к окислению подложках и способ их получения» (патент US 8163403 В2), в котором для получения редкоземельного оксида на поверхности подложки формируют сначала барьерный слой прекурсора соединения металл-неметалл для предотвращения окисления подложки, а затем, в результате топотактической реакции, формируется конечный слой редкоземельного соединения и доокисляется. Недостатком данного изобретения является возможное содержание примесных атомов вследствие протекания реакций, которые могут сместить температуру Кюри и существенно повлиять на проводимость и подвижность носителей, а также ограниченная конечная толщина получаемого слоя EuO вследствие ограниченной глубины проникновения кислорода для доокисления слоя редкоземельного соединения. Также не исключено образование высших неферромагнитных оксидов европия.

Известно изобретение «Способ и оборудование для выращивания монокристаллических оксидов, нитридов и фосфидов» (патент US 7135699 В1), в котором слоистая структура, содержащая редкоземельный оксид, формируется на подложке, в т.ч. кремния, и формирует сверхрешетку. В рамках метода может реализовываться, в том числе, выращивание эпитаксиальных слоев монооксида европия на кремниевых подложках при осаждении металла в потоке кислорода. Недостатком изобретения является тот факт, что изобретение ориентировано на диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, а потому не учитывает особенности выращивания полупроводниковых слоев EuO, где сохраняется валентность ионов Eu²⁺. Между тем, выращивание EuO требует особого подхода для предупреждения перехода иона европия в трехвалентное состояние и, в то же время, поддержания эпитаксиального роста.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является «Способ выращивания эпитаксиальных пленок монооксида европия на кремнии» (патент RU 2557394 С1), в котором эпитаксиальные пленки EuO выращиваются на очищенных от естественного оксида подложках Si со сформированной поверхностной фазой Eu 1×5 путем осаждения Eu в потоке кислорода при начальной температуре подложки T_s=340÷380°С с последующим возможным повышением до T_s=430÷490°С и отжигом до температур T_s≤560°С.

Недостатком этого способа является то, что он с необходимостью требует высоких температур подложки при росте EuO, не всегда доступных технически и не всегда приемлемых с точки зрения осуществления техпроцесса (приводя к деградации уже созданной структуры). Кроме того, использование повышенных температур в процессе формирования границы раздела EuO/Si может приводить к интенсивной диффузии атомов, ухудшающей кристаллическое качество и резкость интерфейса.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является формирование перспективных для устройств спинтроники эпитаксиальных гетероструктур EuO/Si с атомно-резким интерфейсом.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявляемого изобретения является формирование эпитаксиальной пленки ферромагнитного полупроводника EuO на подложке Si(001) с атомно-резким интерфейсом без буферного слоя с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии.

Для достижения технического результата предложен способ формирования тонкой пленки монооксида европия на кремниевой подложке с получением эпитаксиальной гетероструктуры EuO/Si, включающий осаждение на кремниевую подложку европия в потоке молекулярного кислорода методом молекулярно-лучевой эпитаксии, при этом, поверхность подложки Si(001) предварительно очищают или очищают и формируют на ней поверхностную фазу Eu 2×3, после чего проводят осаждение европия при температуре подложки T_s=20÷150°С при давлении потока атомов европия (Ф_Eu) Р_Eu=(0,1÷100)⋅10^-8 торр в потоке кислорода Ф_O2 с относительной величиной 2≤Ф_Eu/Ф_O2≤2,2 до формирования пленки EuO толщиной менее 20 нм.

Кроме того, после формирования пленки EuO толщиной менее 20 нм может осуществляться последующее осаждение европия в потоке кислорода с относительной величиной 2≤Ф_Eu/Ф_O2≤6 при повышенной температуре подложки T_s=400÷490°С до достижения необходимой толщины пленки EuO и/или отжиг сформированной пленки EuO до температуры подложки T_s≤520°C.

Под поверхностной фазой Eu 2×3 понимается периодическая структура, формируемая субмонослойным (~1/3 монослоя) покрытием из атомов Eu на поверхности подложки Si(001). Цифрами в обозначении поверхностной фазы указана кратность увеличения периода поверхностной фазы относительно периода поверхности кремния в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В установках молекулярно-лучевой эпитаксии обычно имеет место неоднозначная трактовка температур подложки. В настоящем изобретении температурой подложки ниже T_s=270°С считается температура, определяемая по показаниям термопары, температура выше T_s=270°С определяется по показаниям инфракрасного пирометра. Все температуры ячеек указаны по измерениям термопары. Давлением потока считается давление, измеренное ионизационным манометром Баярда-Альперта, находящимся в положении подложки.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлены картины дифракции быстрых электронов (ДБЭ) (а) очищенной реконструированной 2×1 поверхности подложки Si(001) и (b) сформированной ПФ 2×3 Eu на Si(001).

На Фиг. 2 представлены характерные картины ДБЭ пленок EuO толщиной 6 нм, сформированных на (а) очищенной реконструированной 2×1 поверхности Si(001) и (b) ПФ 2×3 Eu на Si(001).

На Фиг. 3 показаны θ-2θ рентгеновские дифрактограммы структур Al/EuO/Si(001) с пленками EuO толщиной 6 нм, сформированными на очищенной реконструированной 2×1 поверхности Si и ПФ 2×3 Eu на Si.

На Фиг. 4 показана микроскопическая структура пленок EuO - темнопольные изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) поперечного среза структур Al/EuO/Si(001) вдоль оси зоны [110] подложки Si(001) и пленки EuO: (а) пленка EuO сформирована на очищенной реконструированной 2×1 поверхности Si(001), (b) пленка EuO сформирована на ПФ 2×3 Eu на Si(001).

На Фиг. 5 продемонстрированы магнитные свойства пленок EuO толщиной 6 нм, сформированных на очищенной реконструированной 2×1 поверхности Si(001) и ПФ 2×3 Eu на Si(001), полученные с помощью СКВИД-магнитометра: (а) температурные зависимости нормированной намагниченности в магнитном поле В=10 мТл, приложенном параллельно поверхности пленок, (b) соответствующие полевые зависимости намагниченностей при температуре Т=2 K.

Осуществление изобретения

Пример 1.

Подложка Si(001) помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р<1⋅10^-10 торр). Затем для удаления с поверхности подложки слоя естественно оксида осуществляется ее прогрев до температуры выше T_s=900÷1100°С. Факт очистки поверхности от оксида устанавливается in situ с помощью ДБЭ: наблюдается реконструкция поверхности 2×1 (Фиг. 1(a)). После этого подложка остужается до ростовой температуры T_s=20÷150°С, и происходит одновременное открытие заслонки ячейки Eu, нагретой до такой температуры (~400°С), чтобы обеспечивать давление потока атомов Eu Р_Eu=(0,1÷100)⋅10^-8 торр и молекулярного кислорода с давлением, установленным на такую величину, чтобы обеспечить отношение реальных потоков атомов Eu (Ф_Eu) и молекул кислорода (Ф_O2) в диапазоне 2≤Ф_Eu/Ф_O2≤2,2 (в нашем случае соотношение Ф_Eu/Ф_O2=2 соблюдается при отношении давлений, измеренных с помощью манометра Р_Eu/Р_O2≈10; при отношении реальных потоков Ф_Eu/Ф_O2=2 и при давлении потока атомов Р_Eu=1⋅10^-8 торр скорость роста пленки составляет ≈ 1

Для предотвращения воздействия на EuO воздуха при выносе образца из камеры по окончании роста пленка закрывается сплошным защитным слоем, например, оксидом кремния SiO_x или Al толщиной более 2 нм.

Контроль за кристаллическим состоянием пленки производится in situ с помощью ДБЭ. Картина дифракции пленки EuO в процессе роста показана на Фиг. 2(a). Она соответствуют эпитаксиальному росту гладкой пленки. Определенный по расстоянию между рефлексами латеральный параметр решетки EuO имеет величину a=5,22±0,05

Исследования изготовленных структур с помощью рентгеновской дифрактометрии (Фиг. 3) показывают, что пленки EuO являются монокристаллическими эпитаксиальными и имеют ориентацию (001), такую же, как и кремниевая подложка. В пленках отсутствуют включения переокисленных фаз или металлического Eu. Определенный по положению пиков параметр решетки EuO составляет а=5,166±0,007

Результаты исследования образцов с помощью ПЭМ (Фиг. 4 (а)) подтверждают формирование монокристаллических эпитаксиальных пленок EuO, отсутствие в объеме пленок посторонних фаз, а также атомную резкость интерфейсов.

Магнитные измерения, выполненные с помощью СКВИД-магнитометра (Фиг. 5), показывают, что магнитные свойства пленок EuO аналогичны свойствам объемных образцов. Определенная температура ферромагнитного перехода (Фиг. 5(a)) Т_c=68 K совпадет со значением для объемных кристаллов, указывая на отсутствие дефектов в пленках, в частности, вакансий кислорода, приводящих к ее сдвигу. Магнитный момент насыщения (Фиг. 5(b)), в рамках экспериментальной погрешности составляет M_s=7 μ_B/Eu, свидетельствуя об отсутствии включений переокисленных фаз Eu₃O₄ и Eu₂O₃.

Транспортные измерения, выполненные на образцах SiO_x/EuO/Si(001), показывают, что пленки EuO - полупроводники, что свидетельствует об их стехиометричности.

Пример 2.

Способ реализуется как в Примере 1 за исключением того, что после этапа очистки подложки производится дополнительная процедура формирования ПФ 2×3 Eu (Фиг. 1(b)). Температура подложки устанавливается в диапазоне T_s=500÷710°С, и происходит осаждение 1/3 монослоя атомов Eu путем открытия заслонки ячейки Eu, нагретой до такой температуры (~400°С), чтобы обеспечивать давление потока атомов Eu Р_Eu=(0,5÷10)⋅10^-8 торр (конкретное время осаждения зависит от установленного потока и температуры подложки; при давлении потока Р_Eu=1⋅10^-8 торр и температуре подложки T_s=610°С время осаждения составляет ≈40 с).

Структурные и магнитные свойства пленок представлены на Фиг. 2(b), 3, 4(b) и Фиг. 5, соответственно, и аналогичны свойствам пленок, изготовленных согласно процедуре Примера 1.

Пример 3.

Способ реализуется как в Примерах 1, 2 за исключением того, что после окончания роста пленки EuO производится дополнительный рост при повышенной температуре подложки T_s=400÷490°С путем осаждения Eu с давлением Р_Eu=(0,1÷100)⋅10^-8 торр в потоке молекулярного кислорода с относительной величиной 2≤Ф_Eu/Ф_O2≤6 до набора необходимой толщины. При таких температурах подложки осуществляется режим дистилляции Eu - избыточные атомы Eu испаряются с поверхности пленки, что позволяет без нарушения стехиометрии при необходимости увеличивать относительную интенсивность потоков Ф_Eu/Ф_O2, а также производить рост пленки неограниченно долгое время.

Пример 4.

Способ реализуется как в Примерах 1-3 за исключением того, что после окончания роста пленки EuO производится ее отжиг до температуры T_s≤520°C.

Пример 5.

Способ реализуется как в Примерах 1-4 за исключением того, что для очистки подложки кремния от естественного оксида, вместо нагрева до T_s=900÷1100°С, перед загрузкой в вакуумную камеру производят процедуру травления подложки в 5% водном растворе HF. При этом достигается пассивация связей кремния атомами Н, которые впоследствии десорбируются с поверхности.

Пример 6.

Способ реализуется как в Примерах 1-4 за исключением того, что очистка подложки кремния от естественного оксида происходит путем нагрева до температуры T_s=770÷800°С и экспонирования в потоке атомов Eu с давлением Р_Eu=(0,1÷5)⋅10^-8 торр.

Выход за пределы описанных режимов роста может привести к формированию высших оксидов Eu₂O₃ или Eu₃O₄, поликристаллической пленки EuO, накоплению избыточного Eu или критическому ухудшению структурного качества выращиваемой пленки.

Таким образом, изобретение позволяет осуществлять синтез пленок EuO на подложках Si(001). Эти пленки:

- являются монокристаллическими эпитаксиальными;

- обладают атомно-резкими границами раздела EuO/Si и защитный слой/EuO;

- являются ферромагнитными;

- являются полупроводниковыми.

Такие пленки могут быть востребованы в устройствах спинтроники, в частности, при создании инжекторов спин-поляризованного тока или спиновых фильтров.

Реферат

Изобретение относится к получению тонких пленок ферромагнитного полупроводника монооксида европия (EuO) на кремниевой подложке с получением эпитаксиальной гетероструктуры EuO/Si, при этом упомянутые тонкие пленки могут быть использованы в устройствах спинтроники. Поверхность подложки Si(001) предварительно очищают или очищают и формируют на ней поверхностную фазу Eu 2х3. После чего проводят осаждение европия при температуре подложки Ts=20-150оС при давлении потока атомов европия (ФEu) PEu=(0,1-100)⋅10-8Торр в потоке кислорода ФO2с относительной величиной 2≤ФEu/ФO2≤2,2 до формирования пленки EuO толщиной менее 20 нм. В частном случае осуществления изобретения после формирования пленки EuO толщиной менее 20 нм осуществляют последующее осаждение европия в потоке кислорода с относительной величиной 2≤ФEu/ФO2≤6 при повышенной температуре подложки Ts=400-490°С до достижения необходимой толщины пленки EuO и/или отжиг сформированной пленки EuO до температуры подложки Ts≤520°С. Обеспечивается формирование эпитаксиальных пленок ферромагнитного полупроводника EuO на подложках Si(001) с атомно-резким интерфейсом без буферного слоя с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 6 пр.

Формула