Представленная на заседании диссертационного совета ИФП СО РАН работа младшего научного сотрудника лаборатории нанодиагностики и нанолитографии ИФП СО РАН Алексея Сергеевича Петрова посвящена исследованию особенностей эпитаксиального роста германия и кремния на чистой поверхности кремния в присутствии поверхностно-активного покрытия олова и установлению закономерностей формирования смачивающих металлических покрытий олова на поверхности кремния.

Алексей Петров

Тема диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук — «Кинетика массопереноса на поверхности Si(111) при субмонослойном эпитаксиальном росте Si, Ge и адсорбции Sn».

Научный руководитель Алексея Петрова — Дмитрий Игоревич Рогило, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории нанодиагностики и нанолитографии ИФП СО РАН.

Дмитрий Рогило

Полупроводниковые материалы на основе кремния, германия и олова применяются для создания электронных устройств благодаря совместимости таких материалов с кремниевой технологией. Наноструктуры, включающие соединения кремния, германия и олова, представляют собой многослойные композиции, где толщина слоев может составлять несколько атомов. Такие наноструктуры создаются методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Поэтому исследование процессов, происходящих во время роста, анализ поведения атомов при зарождении нового эпитаксиального слоя необходимо для совершенствования методов МЛЭ.

Выращивание наноструктур: с помощью уникального микроскопа можно увидеть «в прямом эфире», как меняется атомарно-гладкая поверхность кремния

При проведении исследования автор использовал специально подготовленные образцы кремния (111) с участками, содержащими широкие атомно-гладкие террасы и эшелоны ступеней. Осаждение на них атомов кремния, германия и олова проводилось в камере сверхвысоковакуумного отражательного электронного микроскопа (СВВ ОЭМ). Этот прибор позволяет в режиме реального времени регистрировать и контролировать изменения на ростовой поверхности. Такое оборудование — уникальная научная установка — есть только в ИФП СО РАН. Молекулярные источники кремния, германия, олова (испарительные ячейки), позволяющие осаждать полупроводниковые материалы в камере СВВ ОЭМ, были разработаны и сконструированы Алексеем Петровым.

В работе Алексея Петрова впервые визуализированы и изучены методом сверхвысоковакуумной отражательной микроскопии структурные и морфологические изменения на поверхности кремния (111) в условиях адсорбции, электромиграции и десорбции покрытий олова (до двух монослоев) при температурах от 200 до 860°C.

«Самым интересным результатом исследования стало обнаружение эффектов, связанных с осаждением олова на поверхность кремния. При планировании работы, ещё в начале аспирантуры, казалось, что про осаждение олова всё известно и опубликовано. Поэтому предполагалось, что сама процедура осаждения олова на кремний будет проходным методическим этапом для дальнейшего изучения роста германия и кремния на поверхности олово/кремний и сравнения с ростом на чистой поверхности кремния.

Однако с первых же экспериментов стало ясно, что формирование покрытий олова имеет ряд нетривиальных последствий, помимо формирования примесных реконструкций. А именно: происходит смещение атомных ступеней, наблюдается формирование разупорядоченного слоя при больших покрытиях олова, который ведёт себя как «жидкость», а под действием электрического поля ещё и смещается по поверхности к отрицательному потенциалу, регистрируется травление поверхности оловом и перемешивание олова с кремнием, а также некоторые другие эффекты.

Выяснилось, что с формированием покрытий олова вопросов не меньше, чем с гомо- и гетероэпитаксией, и исследованию осаждения олова можно было бы посвятить отдельную работу, так как было получено множество новых интересных результатов, о которых ранее не упоминалось в литературе. И всё это — благодаря методу отражательной электронной микроскопии, позволяющей визуализировать процессы на поверхности кремния, непосредственно при осаждении олова», — рассказывает Алексей Петров.

Сверхвысоковакуумный отражательный электронный микроскоп (СВВ ОЭМ)

Среди других результатов, которые получил молодой ученый, — в частности, подтверждение доминирующей роли вклада нанокластерной динамики в массоперенос на начальных стадиях роста кремния и германия на поверхности кремния (111) со сверхструктурной реконструкцией (7×7) при температуре выше 500°C. Реконструкция (7×7) означает, что период двумерной решетки поверхностной фазы в семь раз больше, чем период двумерной решетки плоскостей Si(111) в объёме кристалла. Кроме того, исследователь выяснил, что изломы на краях атомных ступеней определяют кинетику встраивания ростового материала в кристаллическую решётку подложки на начальных стадиях гомо- и гетероэпитаксии на поверхности подложки Si(111)-(7×7).

Новые результаты могут быть полезны при изготовлении многослойных гетероструктур на основе олова, кремния и германия, разработке технологии (при осаждении олова) получения ростовой поверхности кремния (111) с минимальным количеством дефектов.

Диссертация: как оптимизировать работу?

Алексей поделился подходом к выполнению диссертации, как целостного проекта: «Работа над диссертацией показала важность первоначального планирования всего процесса: адекватно поставленные задачи сэкономят много времени на подготовку экспериментов и обработку результатов.

Прописывать формулировки задач стоит так, чтобы можно было вовремя славировать в сторону более интересных, новых результатов. Важно помнить, что наиболее продуктивный период для получения результатов — первые годы аспирантуры. В это время минимальна посторонняя нагрузка, что позволяет сосредоточиться на изучении своей темы.

Затем время на непосредственную работу по теме сокращается, ввиду появления новых обязанностей и задач, по мере набора опыта. Не стоит затягивать с написанием текста, лучше с первого дня пробовать писать по чуть-чуть, чтобы на финальном этапе было с чем работать.

Например, можно составлять краткое письменное резюме прочитанных статей — потом на этой основе легко пишется литобзор.

Полезно заранее знакомиться со специалистами из других научных организаций, работающих по данной тематике, чтобы точно знать, кому впоследствии предложить стать оппонентом, рецензентом и т.д.

В конечном итоге, самое сложное — собраться и оформить гору формальных документов для выхода на защиту, с чем, без помощи опытных людей, мне было бы крайне сложно разобраться. Меня направляли и научный руководитель, и исполнительный секретарь диссертационного совета Наталья Владимировна Вандышева. Очень помогла научный сотрудник группы моделирования электронных и технологических процессов микроэлектроники к. ф.-м. н. Анна Александровна Спирина — она консультировала, как выполнить квест по сбору и сдаче документов, предоставила шаблоны для них».

С полным текстом диссертации, выводами и деталями исследования можно познакомиться на сайте ИФП СО РАН.

Пресс-служба ИФП СО РАН
Фото Владимира Трифутина,
Надежды Дмитриевой (СВВ ОЭМ)