Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » О нанометрологии » Крюков Р.Н., Николичев Д.Е., "Метрологическое обеспечение измерений состава спиновых наноструктур на основе GaAs"

Метрологическое обеспечение измерений состава спиновых наноструктур на основе GaAs




Р. Н. Крюков, младший научный сотрудник НИФТИ ИНГУ им. Н. И. Лобачевского;

Д. Е. Николичев, к.ф.-м.н., доцент кафедры физики полупроводников и оптоэлектроники физического факультета ИНГУ им. Н. И. Лобачевского

 

 

Интерес к твердотельным системам пониженной размерности вызван, в первую очередь, возможностью создания на их основе (приборов нового поколения со свойствами, недоступными объемным материалам. Это электрические, оптические, магнитные, механические и другие свойства, а также их комбинация. В качестве приборов нового поколения могут выступать, например, транзисторы различных типов, в том числе со спиновым переносом заряда [1, 2, 3], светоизлучающие и светодетектирующие устройства [4, 5], наномеханические системы [6, 7, 8] и пр. Совокупность свойств, проявляющихся в наномасштабе, должна быть исследована для понимания и выбора правильного изменения параметров в сторону улучшения общих характеристик приборов. Таким образом, в идеальном случае возникает устойчивая обратная связь между методами создания наносистем и аналитическими методами, детектируюш,ими параметры структур в целях совершенствования наноустройств нового поколения.

При уменьшении размеров активных объектов необходимо модернизировать существующие и развивать новые аналитические методы, улучшая их локальность и чувствительность. Это приводит к тому, что анализируется лишь малый объем материала (< 10-20см-3), и это неизбежно приводит к. уменьшению интенсивности аналитического сигнала и увеличению ошибки измерения физической величины. Поэтому актуальной задачей аналитической работы становится развитие метрологии локальных измерительных методов, используемых в диагностике современных микро- и наносистем для получения метрологически выверенных результатов.

Направление метрологического обеспечения технологий наносистем изначально выбиралось, исходя из приоритетных направлений исследований НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» (ФТНС) и Научно-исследовательского физико-технического института ИНГУ (НИФТИ) совместно с ФБУ «Нижегородский центр стандартизации и метрологии» (НЦСМ). В Физико-техническом институте давно и успешно создаются наносистемы на основе наноструктурирован-ных материалов с уникальными свойствами, к которым проявляется большой интерес ввиду возможности создания на их основе устройств нового поколения (светоизлучающих диодов, лазеров и пр.). Примером таких систем являются спиновые светоизлучающие диоды (ССИД) на основе GaMnAs.

Среди ряда магнитных материалов выделяемся группа соединений ферромагнитных полупроводников (ФМП), в которых GaMnAs является одним из наиболее перспективных спинтронных материалов, привлекающих возможностью интеграции приборов, построенных на их основе, в планарную полупроводниковую технологию. Актуальными являются задачи по повышению рабочей температуры таких систем, для чего необходимо увеличивать содержание Мп в них [9]. Этому препятствует низкий предел растворимости марганца в арсениде галлия, и легирование выше этого предела приводит к возникновению отдельных фаз, проявляющих как ферромагнитные, так и антиферро-магнитные свойства. Целью работы является определение различных фаз в слоях ССИД и их влияния на магнитные и люминесцентные свойства структур.

Структуры ССИД со спиновыми инжекторами (СИ) в виде GaMnAs или 8-Мп создаются комбинированным методом газофазной эпитаксии и импульсного лазерного осаждения. На подложке GaAs (001) при атмосферном давлении и температуре 650 °С выращивается буферный слой GaAs толщиной ~0,5 мкм. Далее создается квантовая яма (КЯ) In0,12Ga0,88As шириной 10 нм. Затем выращивается спейсерный слой: для структур с СИ GaMnAs толщина слоя составляла 30 нм; в системах с СИ б-Мn единицы нанометров. В конце при пониженной температуре 350 °С осаждается соответствующий СИ-слой. Толщина слоя GaMnAs составляла 40 нм. ССИД с δ-Мп имели покровный слой GaAs толщиной 10 нм. Диагностика состава проводилась методом РФЭС с локальным анализом методом сканирующей оже-микроскопии (ЭОС) и контролем топографии методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и атомно-силовой микроскопии (ACM).

РЭМ- и АСМ-исследования показали, что формируемые в процессе комбинированного метода осаждения слои различаются по шероховатости и наличию дефектов роста (рис. 1). Это связывается с нестабильностью мощности лазера при комбинированном методе создания спин-инжектирующих и покровных слоев. Зачастую на поверхности присутствуют каплеобразные дефекты размером от 0,3 до 10 мкм, состоящие из марганца.

Показано, что методы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и электронной оже спектроскопии совместно с ионным распылением позволяет получать профили распределения фаз по глубине в планарных структурах спинтроники с наноразмерными слоями на основе GaAs, GaMnAs, 6-Мп и InMnAs (рис. 2). Разрешение методов электронной спектроскопии по глубине, составляющее <3 нм, делает возможным контроль качества получаемых структур ССИД (концентрация элементов и распределение химического состава, резкость гетерограниц и влияние диффузионного перемешивания).

Выявлено, что длительное выдерживание образцов ССИД на основе GaAs в нормальных условиях приводит к существенному оксидированию покровного и спин-инжекти-рующего слоев. Наблюдается диффузия Мп в спейсер и его сегрегация на поверхность. Слой ФМП содержит несколько марганецсодержащих фазы: металлический марганец, оксиды марганца и арсенид марганца. При этом различие в содержании антифер-ромагнитных и ферромагнитных соединений находится на уровне 5 ат. %. Разработанная методика проверки правильности проведенного количественного химического анализа позволяет производить коррекцию метода разделения фаз на каждом его этапе и обеспечивать сходимость результатов.

Результаты исследований в процессе выполнения НИР были проанализированы сточки зрения определения точности измерений концентрации элементов и линейных размеров неоднородностей на поверхности. Совместно с НЦСМ были проведены расчеты погрешностей, и было принято решение об аттестации двух методик измерения с внесением их в государственный реестр. В результате проделанной работы были разработаны подходы к уменьшению погрешности измерения содержания компонентов и линейных размеров нанообъектов, определены статистические параметры эксперимента и в конечном итоге разработаны и аттестованы 2 методики измерения: 1) М 02-2011-П «Параметры геометрические поверхностных саоорганизованных наноостровков на основе полупроводников А3В5. Методика измерений методом атомно-силовой микроскопии». Свидетельство об аттестации № 733/01.00269/2011 от 12.08.2011 г.; 2) М 01-2013-ПС «Слои полуметаллических соединений MnxAs1-x наноразмерные. Методика измерения массовой доли марганца и мышьяка методом электронной ожеспектроскопии». Свидетельство об аттестации № 772/01.00269/2013 от 30.09.2013 г.

Стремительное развитие нанотехнологий в научном, техническом и прикладном плане предопределяет необходимость системного подхода как в организации научных исследований в данной области, так и внедрении их результатов в различные сферы жизни общества. Специфика нанотехнологий привела к развитию нового направления - нанометрологии, с которой связаны все теоретические и практические аспекты метрологи-жого обеспечения единства измерений наноразмерном уровне. Необходимость развития аналитических методов количественного анализа твердотельных наносистем и характеризации их геометрических параметров заключается, прежде всего, в метрологическом обеспечении реализуемых методов и подтверждаемой точности получаемых результатов измерения.

Понимая важность работ в сфере обеспечения метрологического контроля испытательных лабораторий центр ФТНС как центр, аккредитованный (РОСС RU.0001.518849) на техническую компетентность для проведения аналитических работ в области измерений геометрических параметров гетеронаносистем в нанометровом масштабе и определения состава и свойств твердотельных структур, продолжает работу по разработке и аттестации новых методик в рамках различных научных проектов.

Список литературы

1. Spin electronics - a review/J. F. Gregg, I. Petej, E. Jouguelet, C. Dennis // Phys. D: Appl. Phys. 2002. Vol. 35. №18. P. R121 - R155.

2. Holub M., Bhattacharya P. Spin-polarized light-emitting diodes and lasers //J. Phys. D:Appl. Phys. 2007. Vol. 40. №11. P. R179 R203.

3. Ed. Maekawa S. Concepts in spin electronics //N. Y.: Oxford University Press. 2006. 93 p.

4. P'avesi L. Will silicon be the photonic material of the third millennium?//!.Phys. Cond. Mat. 2003. Vol. 15. P. R1169- R1196.

5.Masini G., Colace L., Assanto G. Si based optoelectronics for communications//Mat. Sci. Eng. B. 2002. Vol. 89. P. 2-9.

6. MEMS: The maturing of a new technology/M. Pottenger, B. Eyre, E. Kruglick, G. Lin //Solid State Technology. 1997. P. 89-96.

7. SontheimerA. Digital Micromirror Device Hinge Memory Lifetime Reliability Modeling // Proceedings of International Reliability Physics Symposium. 2002. P. 118-121.

8. Яновский Ю. Г., Григорьев Ф. В., Никитина Е. А., Власов А. Н., Карнет Ю. Н. Наномеханические свойства нанокластеров полимерных композитов // Физическая мезомеханика. - 2008. - Т. 13. -№3. - С. 61.

9. H.S. Kim, Y.J. Cho, K.J. Kong, C.H. Kim, К. В. Chung, J. Park, J.-Y. Kim, J. Yoon, M.-H. Jung, Y.Jo, B. Kim,J.-P.Ahn. Chem. Mater., (2009), 21,1137.

Страница 1 из 2 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » О нанометрологии » Крюков Р.Н., Николичев Д.Е., "Метрологическое обеспечение измерений состава спиновых наноструктур на основе GaAs"