Pályázat azonosítója: Ferenczi György Emlékdíj (2003)

Pályázat futamideje: 2003

Pályázó PhD hallgató: Csík Attila

Témavezető: Langer Gábor

Amorf Si/Ge multirétegek előállítása és vizsgálata

A vékony, néhány nanométeres multirétegek termikus stabilitásának kutatása a szilárdtest fizika és az anyagtudomány egyre inkább előtérbe kerülő területe. A vékonyréteg előállítási technológiák (MBE, porlasztás, nanolitográfia) utolsó évtizedben történt fejlődése már néhány atomsor vastagságú, de atomi simaságú multirétegek készítését is lehetővé teszi. A multirétegek készülhetnek félvezető, szigetelő és vezető anyagokból egyaránt; szerkezetük amorf, polikristály vagy akár egykristály is lehet. Az így előállított rétegrendszerek számos esetben új, eddig nem ismert fizikai tulajdonságokat mutatnak. Példaként említhetjük a rövid, néhány nanométeres távolságokon belül zajló diffúziós folyamatok jellegzetességeit, a mikroelektronika és az adatrögzítés utóbbi időben tapasztalható rohamos fejlődésével a különböző félvezető anyagoknak e területen való egyre szélesebb körű alkalmazását, vagy éppen a mágneses csatolást két mágneses vékonyréteg között elhelyezkedő nem mágneses rétegen keresztül. Az utóbbi évek egyik fő feladatává vált a multiréteg struktúrákkal felépített eszközök működési paramétereinek optimalizálása, a modulációs hossztól és az összetételtől való függésének megismerése, valamint újabb összetételű nanostrukturák fejlesztése. A természetben csak elvétve találkozhatunk multiréteges szerkezetekkel. Az okok abban keresendők, hogy az ilyen rendszerek jelentős szabadenergia felesleggel rendelkeznek. Ennek legfőbb forrásai a határfelületek energiái, feszültségek és az a kémiai energia felesleg, amely a réteges szerkezet és az összekevert rendszer között mutatkozik. A fentiek magyarázzák azt, hogy a multirétegek hajlamosak a különböző szerkezeti átalakulásokra, transzformációkra. Ezek közül az egyik legfontosabb a diffúziós keveredés. A réteges rendszerek különböző eszközökbe való alkalmazásához, termikus stabilitásuk megértéséhez tehát többet kell tudnunk a multirétegek szerkezetében a diffúziós keveredés (térfogati, diszlokáció és szemcsehatár menti) és a feszültségek hatására létrejött változásokról.

A pályamű témája amorf Si/Ge multirétegek magnetronos porlasztás útján történő előállításával, termikus stabilitásuk és a diffúziós keveredés okozta optikai tulajdonságok változásának vizsgálata. Röntgendiffrakciós mérések megerősítették a diffúzió hullámhossz- és hőmérsékletfüggést, azonban nem támasztották alá azt az irodalomban megjelent feltételezést [1], miszerint a multirétegekre jellemző alacsonyszögű röntgendiffrakciós spektrum elsőrendű Bragg-reflexiójának nemlineáris időbeli változása az amorf szerkezet relaxációjával magyarázható (időfüggő diffúziós együtthatót feltételezve). A kisszögű röntgendiffrakciós mérések további kiértékelése megerősítette azon elméleti modell eredményeit [2], mely szerint a nemlinearitásért inkább a diffúziós együttható koncentráció függése a felelős és nem a szerkezeti relaxáció. E modellből következett hogy, ebben az esetben a koncentrációprofil időbeli fejlődése aszimmetrikus kell hogy legyen, azaz a határfelületek a hőkezelések során a Si oldal felé tolódnak el [3,4]. Ennek Rutherford-visszaszórásos spektrometriával (RBS) és Auger-mélységi profilanalízissel történt. Az RBS mérések során közvetve kimutattuk az aszimmetriát [5]. Számítógéppel modellezve a mért spektrumokat, az a rétegstruktúra adta vissza a legjobban a mérési eredményeket, melynél a Ge réteg 1 nm-es megvastagodását tételeztük fel. Az aszimmetrikus viselkedést direkt módon az Auger-mélységi profilanalízissel sikerült kimutatni. Megmutattuk, hogy a hőkezelés ideje alatt a Si réteg 17 nm-ről 14 nm-re vékonyodott, valamint az is látható volt, hogy a határfelület élessége megmaradt, ami jól egyezik az elmélet eredményeivel [6]. Az aszimmetrikus viselkedésnek az alkalmazások szempontjából fontos következménye, hogy lehetőséget ad a határfelületek élességének feljavítására. A multiréteg előállítása után alkalmazott rövid idejű hőkezeléssel a határfelületek kismértékű elmosódottsága jelentősen csökkenthető, akár csaknem tökéletesen sima és éles határfelületeket eredményezve.

A diffúziós vizsgálatok mellett megvizsgáltuk a Si/Ge multirétegek optikai tulajdonságainak változását hőkezelés hatására és összehasonlítottuk a kalkogenid rendszereken kapott eredményekkel. Az irodalomból jól ismert tény, hogy a vékonyrétegek optikai tulajdonságait jelentősen befolyásolja a rétegek minősége (szennyezők, hibahelyek jelenléte, vastagság), illetve annak változásával változnak az optikai paraméterek is. A Si és Ge monorétegek optikai elnyelési élének a porlasztott és a hőkezelt mintákon történő mérésével megmutattam, hogy a porlasztási körülmények megfelelő beállításával sikerült igen jó, hibahelyektől mentes réteget előállítani, valamint a hőkezelés során elkerülni a minták oxidációját [4]. Egy Si/Ge multirétegben, ahol a hőkezelés diffúziós keveredést, és ez által Si-Ge szilárd oldatot eredményez, az optikai elnyelési él eltolódása várható. A gyakorlati alkalmazás szempontjából ez azt jeleni, hogy ha a szilárd oldat kialakulását például lokális megvilágítás is kiválthatja, akkor e rétegek akár adatrögzítőként történő alkalmazása is elképzelhető. A különböző teljesítményekkel történő megvilágítás az optikai paraméterekben 20%-os változást eredményezett, ami már elegendő lehet a biztos adatrögzítéshez [7].

Irodalomjegyzék

[1] S.M.Prokes, K.L.Wang, Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 2628
[2] Z.Erdélyi, D.L.Beke, P.Nemes, G.A.Langer, Phil. Mag. A79/8 (1999) 1757-1768
[3] A.Csik, D.L.Beke, G.A.Langer, Z.Erdelyi, L.Daroczi, K.Kapta, M.Kis-Varga, Vacuum 61 (2001) 297
[4] Csik Attila „Diffúzió Si/Ge multirétegekben” PhD értekezés, DE Szil. Fiz. Tanszék (2003)
[5] A.Simon, A.Csik, F.Pászti, Á.Z.Kiss, D.L.Beke, L.Daroczi, Z.Erdelyi, G.A.Langer, Nucl. Inst. and Methods B (2000) 161-163
[6] A. Csik, G.A. Langer, D.L. Beke, Z. Erdelyi, M. Menyhard, A. Sulyok, J. Appl.Phys. 89/1 (2001) 804
[7] A. Csik, M.Malyovanik, J.Dorogovics, A.Kikineshi, D.L.Beke, I.A.Szabo, G.Langer J. of Optoelectronics and Advanced Materials 3 (2001) 33
[8] M. Malyovanik, S. Ivan, A. Csik, G.A. Langer, D.L. Beke, S. Kökényesi, J. Appl. Phys. 93 (2003) 139

Kapcsolódó weboldal: http://www.mikroalap.hu/Ferenczi