Другое: Рентгеновская диагностика

Измерение кривой отражения производилось рентгеновском дифрактометре ДРШ. Данный дифрактометр также оснащен рентгеновской трубкой типа БСВ41 с медным анодом, кристаллом монохроматором (Si, отражение 111, линия Cu , λ=0.15405 нм), сцинтилляционным детектором SCSD-4 и вакуумными путями.

Рис. 14. Схема установки ДРШ: 1 - Рентгеновская трубка; 2 - апертурная щель; 3 - узел кристалла-монохроматора; 4 - коллимирующие щели; 5 - вакуумные пути с рентгенопрозрачными окнами; 6 - приемные щели детектора; 7 - образец; 8 - кольцевая опора источника излучения; 9 - юстировочный столик; 10 - кольцевая опора детектора; 11 - сцинтилляционный детектор.

Табл. 2. Основные параметры установки.

Подвижная система излучатель-детектор с индукционными датчиками угловых перемещений позволяет проводить измерения в широком диапазоне углов с погрешностью в 2 угловые секунды. Применение датчиков позволяет избежать неконтролируемых ошибок отсчета угловых перемещений, обусловленных неточностью в изготовлении подвижных механических частей и передаточных механизмов [25].

Установка имеет семь шаговых двигателей, три из которых задействованы при измерении методом рентгеновской рефлектометрии: два на кольцевых опорах источника и детектора, один на приемной щели детектора. Двигатели также управляются промышленным контроллером, и детектор подключен к компьютеру через последовательный порт. Индукционные датчики угловых перемещений подключены к компьютеру с помощью аналого-цифрового преобразователя сигналов вращающихся трансформаторов. Управление экспериментом производится с помощью распределенной системы управления TANGO, использующейся на крупнейших синхротронах Европы [26], параметры эксперимента задаются языком программирования Python [24].

Эксперимент проходит практически те же этапы, что при рентгеновском рассеянии, но со своими особенностями:

Измерение профиля прямого пучка. Выполняется на низком режиме (около 20 kV 10 mA) с шириной приемной щели детектора 60 мкм и пропускающей интенсивностью 104 имп./с для задания нуля в системах отчета детектора и источника питания.

Установка и юстировка образца. Образец кладется на юстировочный столик, при этом отсутствует надобность в его фиксации. Юстировка так же происходит в два этапа, при которых проводится установка поверхности образца параллельно рентгеновскому пучку, и для большей точности выполняется юстировка в условиях ПВО. Главное отличие, обусловленное конструкцией прибора, состоит в том, что вместо вращения образца необходимо производить эквивалентные перемещения трубки и детектора.

Рис. 15. Пример измерения кривых отражение. 1 - Первый этап измерения тестового образца Si/HfO2(20нм), 2 - второй этап измерения, 3 - нормированная индикатриса рассеяния, 4 - уровень шума детектора.

Первый этап измерения кривой отражения. Как и в экспериментах рентгеновского рассеяния производится на низком режиме, но так как мы регистрируем коэффициент отражения приемная щель детектора открыта (1000 мкм). Измерение происходит до потери полезного сигнала, данные следующего этапа нормируются на эту кривую.

- Второй этап измерения кривой отражения. Проводится на максимальном режиме (50-60 kV 40 mA) до тех значений углов, при которых значение измеряемой интенсивности рентгеновского излучения соизмеримы с уровнем шума. Чем дальше измерена кривая отражения, тем достоверней результаты обработки данных.

4. Результаты исследования наноструктур

.1 Исследование туннельных барьеров MgO

Следующим шагом была отработка технологии получения и изучение туннельных барьеров MgO нанесенных на подложки GaAs (001). Подложки также были подготовлены с помощью установки молекулярно-лучевой эпитаксии с ультравысоким вакуумом, слои MgO были нанесены в отдельной камере осаждения методом электронно-лучевого испарения.

Группой в Гамбурге исследовалось влияние условий изготовления, определяющих качество пленок MgO, такие как температура подложки, скорости осаждения и отжига. Представленный на рисунке 16 снимок дифракции высокоэнергичных электронов на отражение (RHEED) характеризует степень совершенства кристаллической структуры получаемого слоя на двух этапах осаждения. Из сравнения RHEED снимков пленки MgO до (а) и после (б) стадии отжига наблюдается улучшение качества пленки: уменьшается интенсивность фона и дифракционные пики MgO становятся более интенсивными и более четко определены. Таким образом отжиг имеет важное значение в улучшении кристалличности пленок MgO, нанесенных на GaAs.

Рис. 16. Дифракция высокоэнергичных электронов, отраженных от образца с толстым слоем MgO 3,2 нм выращенным на GaAs, (а) без отжига, (б) отожженного при 400°С в течение 3 минут.

В Москву на исследования была направлена серия образцов с различными параметрами толщины барьерного слоя. При изучении образца с наименьшей толщиной слоя MgO методом рентгеновской рефлектометрии выявлена деградация поверхности, предположительно вызванная воздействием атмосферы.

Рис. 17. Кривые отражения от подложки GaAs c нанесенным слоем MgO толщиной 1,6 нм, подвергающейся воздействию воздуха.

На кривой отражения видно затухание осцилляций при повторных измерениях, что связанно с нарушением границы раздела GaAs/MgO.

Качественное изменение рельефа поверхности подтверждается атомно-силовой микроскопией. На Рис. 18. видно, что в течение 2х месяцев под действием атмосферы рельеф поверхности претерпевает изменения. Если спустя 3 месяца (а) с момента изготовления поверхность является относительно гладкой с едва заметными особенностями, наблюдаемыми в масштабе ниже одного микрометра, то спустя 5 месяцев (б) на поверхности проявляется множество плотно упакованных кольцевых структур.

Рис. 18. Атомно-силовые изображения поверхности слоя MgO толщиной 1,6 нм подвергающегося воздействию воздуха. Сканирование произведено через 3 месяца (а) и через 5 месяцев (б) после изготовления образца.

Для получения сведений о статистических параметрах нанорельефа поверхности образцов было проведено исследование методом рентгеновского рассеяния. На рис. 19. представлена индикатриса рассеяния для образцов с толщиной слоя оксида магния 3,8 и 4,5 нм. Сильные колебания на индикатрисе рассеяния для образца с более тонким слоем свидетельствуют о том, что рассеяние происходит не только на внешней поверхности, но и на границе раздела между подложкой и покрытием. Также возможно неравномерное покрытие подложки слоем MgO.

Рис. 19. Индикатриса рассеяния подложек GaAs с нанесенным слоем MgO толщиной 3,8 нм и 4,5 нм.

Рис. 20. PSD-функция подложки GaAs с нанесенным слоем MgO толщиной 4,5 нм, σ=0,47 нм.

Таким образом, рассчитать PSD-функцию внешней поверхности удалось достоверно определить лишь для образца с большей толщиной покрытия, которая представлена на рис. 20. Значение эффективной высоты шероховатости, посчитанное из функции образца с толщиной слоя 4,5 нм, составляет σ=0,47 нм.

Параллельно в Гамбурге изучались транспортные свойства туннельных барьеров. С помощью закрытого циклового криостата измерена температурная зависимость смещения нулевого сопротивления (ZBR) туннельного барьера MgO толщиной 2 нм, данные которого показаны на рисунке 21.

Рис. 21. Температурная зависимость нормированного нулевого сопротивления. На вставке изображены схема туннельного барьера и кривые проводимости: красная при температуре образца 15,5 К, черная при 51,2 К. Кривые, отмеченные серыми треугольниками и кругами, получали с использованием модели Бринкмана, Дина и Роуэлла.

нормируется в зависимости от температуры образца R(T) / R(128K). Выявлено почти линейное уменьшение сопротивления с температурой ниже 128К что подтверждает доминирование туннелирования при передаче тока и отсутствие пор и отверстий в тонком туннельном барьере. Здесь же представлены схема туннельного барьера и две кривых проводимости при температуре образца 15,5 K и 51,2 К, экспериментальные и теоретические данные, полученные из модели Бринкмана, Дина и Роуэлла для асимметричного барьера [27], совпадают на 98,1% и 99,7%, соответственно. При температуре 15,5 K средняя высота потенциального барьера составляет φ = 1,97 эВ, толщина барьера S = 1,69 нм и асимметрия Δφ = 0,18 эВ.

Выявленная на данном этапе работы нестабильность структур, обусловила необходимость изготовления новой серии образцов с дополнительным слоем железа (GaAs/MgO/Fe). При этом слой железа, помимо того, что он является ферромагнитным инжектором, выполняет также и защитную функцию.

.2 Исследование структур GaAs/MgO/Fe

Группой в Гамбурге произведена новая серия образцов, в которой так же все слои гетероструктур были подготовлены на подложках GaAs с помощью установки молекулярно-лучевой эпитаксии с ультравысоким вакуумом. Слои MgO наносились электронно-лучевым испарением в отдельной камерой осаждения. Слои железа и золота были термически нанесены в выделенной камере металлического осаждения. Образцы отличались различной толщиной слоя MgO. Данная серия была направлена для исследования в Институт кристаллографии, где были проведены измерения методом рентгеновской рефлектометрии, результаты которых представлены на рисунке 22. На кривых отражения можно наблюдать следующую зависимость:

Рис. 22. Кривые отражения образцов GaAs/MgO/Fe с различной толщиной слоя MgO, заявленной производителем.

Из полученных экспериментальных данных для образца с толщиной слоя MgO 2,5 нм было восстановлено распределение действительной части диэлектрической проницаемости по глубине, которое прямо пропорционально плотности. На вставке приведено изображение наноструктуры, полученное на просвечивающем электронном микроскопе в ИК РАН (Рис. 23).

Как можно видеть из этих данных, при напылении металлического покрытия, слой оксида магния сохраняется с течением времени (проведение просвечивающей электронной микроскопии проводилось спустя месяц после рентгеновской рефлектометрии).

Рис. 23. Распределение действительной части диэлектрической проницаемости по глубине, восстановленное из данных рентгеновской рефлектометрии образца с толщиной слоя MgO 2,5 нм. Пунктирными линиями указаны значения для GaAs и MgO. На вставке изображение наноструктуры, полученное на просвечивающем электронном микроскопе.

Так же толщина слоя MgO соответствует заявленной, но не было обнаружено слоя золота, что говорит о технологических проблемах при его осаждении.

Для образцов с более тонкими слоями оксида магния, восстановление профиля распределения диэлектрической проницаемости было неоднозначным, что, предположительно могло произойти из-за более высокой шероховатости, возникающей на начальных стадиях роста, имеющего островковый характер. В результате этого, при прекращении процесса на данных стадиях, покрытие подложки оксидом магния может оказаться не сплошным. Для проверки этого предположения были измерены индикатрисы рассеяния от соответствующих образцов. Полученные по этим данными PSD-функции приведены на Рис. 24.

Рис. 24. PSD-функция для образцов GaAs/MgO/Fe с толщиной слоя MgO 2,5 нм (MgO028) и 0,5 нм (MgO025).

Действительно, эффективная шероховатость поверхности образца с наиболее толстым слоем оксида магния в 2,5 нм (σ=7Е) оказывается почти в два раза ниже, чем у образца с более тонким слоем (σ=12Е). Такое различие в шероховатости, по всей видимости и вызвало неоднозначность в решении обратной задачи и сложность в восстановлении профиля диэлектрической проницаемости для образца с более тонким слоем.

Следующая серия образцов была подготовлена с учетом полученных данных. При этом была оптимизирована технология нанесения слоев MgO и Au. Для изучения структурных особенностей в Курчатовском институте проведена просвечивающая электронная микроскопия образцов с толщиной барьерного слоя 1 нм, 2 нм, 3 нм и 4 нм, результаты которой представлены крупным планом на рисунках 25-29. Как можно видеть при толщине слоя MgO 1 нм происходит смешивание со слоем железа, а при больших толщинах можно наблюдать его структуру, состоящую из слегка разориентированных нанокристаллитов. Фактические средние толщины слоя MgO по данным просвечивающей электронной микроскопии, составляют 1,38 нм, 2,28 нм, 3,06 нм, 4,17 нм. Так же наблюдается неравномерное покрытие защитным слоем золота, что подтверждается также данными атомно силовой микроскопии (рис. 30, табл. 3).

Рис. 25. Изображение образца GaAs/MgO/Fe с толщиной слоя MgO 2 нм, полученное на просвечивающем электронном микроскопе.

Рис. 26. Изображение образца GaAs/MgO/Fe с толщиной слоя MgO 1 нм, полученное на просвечивающем электронном микроскопе.

Рис. 27. Изображение образца GaAs/MgO/Fe с толщиной слоя MgO 2 нм, полученное на просвечивающем электронном микроскопе.

Рис. 28. Изображение образца GaAs/MgO/Fe с толщиной слоя MgO 3 нм, полученное на просвечивающем электронном микроскопе.

Рис. 29. Изображение образца GaAs/MgO/Fe с толщиной слоя MgO 4 нм, полученное на просвечивающем электронном микроскопе.

Рис. 30. Атомно-силовые изображения поверхностного слоя золота образцов GaAs/MgO/Fe с толщиной слоя MgO а) 1 нм, б) 2 нм, в) 3 нм, г) 4 нм.

Табл. 3. Параметры структур GaAs/MgO/Fe по данным TEM и AFM.

Группой в Гамбурге исследованы электрические свойства структур GaAs/MgO/Fe с барьерами MgO толщиной 2 нм, 4 нм и 6 нм. Для выявления ожидаемой зависимости от толщины барьера MgO были измерены вольтамперные кривые при температуре образца 10 К, приложенное напряжение между двумя круглыми железными контактами составляло от 2.5 В до 2,5 В, шаг 1 мВ, результаты представлены на рисунке 31 (а). Так же исследовано влияние отжига на электрические характеристики структур, иногда необходимого для достижения омического контакта. На рисунке 31 (б) представлена ВАХ после отжига при температуре 400 ° С в течении 3 мин.

Как можно видеть, чем тоньше барьер, тем больше плотность тока. Отжиг приводит к уменьшению плотности тока в 2,44, 1.06 и 5.83 раз для толщин 2 нм, 4 нм и 6 нм, соответственно.

Дополнительно с вольтамперными характеристиками, анализировались данные смещения нулевого сопротивления (ZBR) для температур от 10 К до 290 К с шагом 5 К (Рис. 32). Очевидно, что сопротивление возрастает с увеличением толщины пленки MgO. Все три кривые экспоненциально зависят от температуры при ее значениях выше 150 К. При более низких температурах кривая ZBR с толщиной пленки MgO 2 нм отличается от остальных, она имеет меньшую крутизну, в отличие от пленок MgO толщиной 4 нм и 6 нм, имеющих сильную температурную зависимость.

Рис. 31. Вольтамперные характеристики образцов GaAs/MgO/Fe с толщиной барьерного слоя 2 нм, 4 нм и 6 нм при температуре 10 К (а)-до и (б)-после отжига. На вставке представлена схема исследуемых структур.

Рис. 32. Температурная зависимость (а) ZBR и (б) нормированной ZBR до, (в) ZBR и (г) нормированной ZBR после завершения процесса отжига для различных толщин барьерных MgO, соответственно.

Это указывает на снижение вероятности туннелирования для более толстых образцов. Так же из полученных данных можно видеть, что отжиг сильно повлиял на температурную зависимость кривых ZBR. При температуре выше 150 K кривая с толщиной пленки MgO 4 нм сохранилась почти неизмененной, у кривой с толщиной пленки 6 нм уменьшилось сопротивление, а у пленки толщиной 2 нм сопротивление возросло. Можно заметить при температурах ниже 150 K пленки толщиной 4 нм и 6 нм имеют меньший наклон, чем до отжига.