Исследование эпитаксиального EuS в режиме роста на InAs (100)

GROWTH-MODE INVESTIGATION OF EPITAXIAL EuS ON InAs(100)

Lidia Yashkina

student, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev — KAI, Russian, Kazan

Dmitriy Shulgin

candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate Professor, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev — KAI, Russian, Kazan

Аннотация. В статье представлено исследование и оптимизация условий, необходимых для качественного роста эпитаксиальных пленок EuS на подходящих подложках, представляют особый интерес для создания эффективных устройств. Представлены результаты иссле­дования в режиме роста с использованием атомно-силовой микроскопии и точечно-профильного анализа.

Abstract. The article presents the study and optimization of the conditions necessary for the qualitative growth of epitaxial EUS films on suitable substrates, are of particular interest for the creation of effective devices. The results of the study in the growth mode using atomic force microscopy and point-profile analysis are presented.

Ключевые слова: проводник; полупроводник; магнитный полу­проводник; температура Кюри (ТС); комнатную температуру (RT); Сульфид европия (EuS); низкоэнергетическая электронная дифракция (SPA-LEED).

Keywords: conductor; semiconductor; magnetic semiconductor; Curie temperature (TS); room temperature (RT); europium Sulfide (EuS); low-energy electronic diffraction (SPA-LEED).

Интерес к области исследований в области спинтроники не осла­бевает и остается таковым в течение нескольких десятилетий [1, c. 294]. Он призван объединить электронные и магнитные свойства носителей заряда для создания новых электронных устройств. Среди ожидаемых преимуществ таких устройств - более быстрая обработка данных и более существенные возможности магнитного хранения. Таким образом, иде­альным спинтронным устройством был бы магнитный полупроводник с температурой Кюри (TC), намного превышающей комнатную темпе­ратуру (RT). Сульфид европия (EuS) представляет собой такой магнитный полупроводник с очень высоким магнитным моментом 7 мкБ на атом Eu, поступающий из сильно локализованной, наполовину заполненной 4f-оболочки. Энергия запрещенной зоны составляет 1,65 эВ, и было показано, что она перестраивается с помощью эффектов квантового ограничения. В настоящее время основным недостатком EuS является его низкая TC, равная 16,5 К. Тем не менее, более высокая TC отмечена для EuS с решеткой, вызванной дислокациями роста или высоким давлением. Кроме того, было обнаружено, что TC для EuS может быть значительно увеличен до 180 K в наночастицах EuS, встроенных в матрицу Co, или даже выше RT в сочетании с Co или Ni в много­слойных структурах [3, c. 109].

Помимо ферромагнитных свойств, качество пленки слоев EuS также будет играть важную роль в будущих устройствах. Наши попытки были сосредоточены на выборе двух полупроводников InP (100) и InAs (100) в качестве подложек из-за минимального несоответствия решетки всего 1,5 %. Для обоих субстратов был подтвержден эпитаксиальный рост EuS, но с различными качествами пленки. Как правило, плёнки, выращенные на InAs, показывают более высокое качество.

Поэтому в данной статье основное внимание будет уделено оптимизации и пониманию эпитаксиального роста пленок EuS на InAs путем изучения режима их роста и качества поверхности при различных параметрах роста.

Существенным параметром для создания потенциальных будущих устройств на основе эпитаксиально выращенных пленок EuS на InAs является зависимость шероховатости и кристалличности пленки, т. е. качества пленки, от условий роста, таких как температуры роста и отжига T_g и T_a соответственно.

В целом, пленки с кристаллическими поверхностями низкой шероховатости желательно обеспечить оптимальную эффективность устройства, обеспечивая потенциально высокое качество интерфейса с другими компонентами устройства или электрическими контактами. В исследованиях SPA-LEED интенсивность и ширина регистрируемых дифракционных пятен очень чувствительны к локальной шероховатости поверхности, т. е. к изменению топографии ниже ширины переноса (прибл. 100 нм) установки SPA-LEED [4, c. 38-43]. Определение коэффициента качества Q_hk = I_hk / FWHM_hk, т. е. соотношения между интенсивностью и полной шириной-половинным максимумом FWHM конкретного дифракционного пятна с индексами Миллера (hk), поэтому представляет собой полуколичественный подход для сравнения качества поверхности различных образцов. Здесь были проанализированы (00) дифракционные пятна, поскольку дифракционные картины были запи­саны в их фазовом состоянии.

Таким образом, результирующие Q00-факторы выше для топологий образцов, которые ближе к идеальной гладкой поверхности, определяе­мой дифракционной картиной, на которую влияет только инструменталь­ное уширение. Интенсивность и ширина пятна были получены путем усреднения параметров подгонки Лоренциан-Гауссовских посадок верти­кальных и горизонтальных сканирований через центр (00)-пятен [2, c. 47]. Это объясняет возможный наклон образца и потенциальную асимметрию дифракционных пятен из-за наличия периодических шагов поверхности или аналогичных признаков, которые, как известно, вызывают отклоне­ния от правильной круглой формы пятна [6, c. 67-108]. Дополнительным параметром, используемым для оценки шероховатости поверхности каждого образца, является среднее значение изображений АСМ различных местоположений вокруг центра образца с сопоставимым разрешением. Режим роста для всех выбранных параметров роста могут быть квалифицированы как Странского-Крастановым [5, c. 59], с разной степенью 2D-и 3D-нуклеации в верхней части смачивающего слоя. Толщина смачивающего слоя непосредственно не измерялась.

Однако, оценивая неупругую среднюю свободную траекторию 22, можно сделать вывод о полном покрытии подложек однородным слоем смачивания EuS толщиной приблизительно 2 нм или более, поскольку после испарения EuS не наблюдалось сигнала шнека ни одной из составляющих подложки. Как правило, увеличение охвата наблю­далось для более высоких Tg и Ta. Из-за низкого покрытия зерна только смачивающий слой способствовал значениям RMS между 4,5-5 ½ и сравнительно низкими Q00-факторами. Индивидуальные средние высоты наблюдаемых зерен колебались до 80 нм. Для других образцов кате­гории 1 аналогичная корреляция не может быть установлена с помощью графического анализа из-за нечастости зерен на любом заданном изображении АСМ и введения довольно значительной относительной ошибки между параметрами зерен при попытке объединить результаты с разных изображений из-за различий в разрешении, скорости сканиро­вания и обработке изображений. Топографии категории 2 имеют высокий охват (>50 %) смачивающего слоя с 2D ядрами и споради­ческими вхождениями дополнительных 3D-нуклеаций. Эта категория наблю­далась исключительно для образцов, выращенных при RT и 150 XC с температурами отжига до 400 XC. Полученные значения RMS около 5,5½, учитывают, как смачивающий слой, так и 2D-рост, а также их разницу в высоте. Топографии категории 3 характеризуются высокой частотой 3D-нуклеации, превышающей одну особенность на 100нм×100нм. Следовательно, соответствующие СРЕДНЕКВАДРАТИЧНЫЕ значения (7-10½) были самыми высокими из всех категорий, в то время как коэффициенты Q00 были сравнительно низкими.

Исследована и подтверждена зависимость качества поверхности пленок EuS от InAs(100) от температур роста и отжига T_g и T_a с помощью SPA-LEED и AFM. Плёнки были признаны эпитаксии в режиме роста была определена как Странского-Крастановым. Иссле­дуемые топографии образцов были отсортированы по трем категориям, определяемым различной степенью, наблюдаемой 3D и 2D нуклеации. Наиболее перспективная категория для дальнейшего применения наблю­далась для образцов, выращенных на РТ и 150 ХС с температурами отжига до 400 ХС. Он отличал высоким поверхностным охватом с низким ростом острова RMS 2D и высокомарочным фактором. Поэтому дальнейшие попытки оптимизации качества поверхности пленок EuS на InAs рекомендуются для параметров роста вокруг T_g = RT / 150 XC и T_a = 400 XC с целью увеличения покрытия смачивающего слоя 2D островками и приближения послойного роста.