Schimbări neobișnuite la nivel de nucleu induse de oxidare la interfața HfO 2 InP Rapoarte științifice
Subiecte
Abstract
Spectroscopia fotoelectronică cu raze X (XPS) este una dintre cele mai utilizate metode într-un domeniu divers al științei și ingineriei materialelor. Energiile elementare de legare la nivel central (BE) și deplasările la nivel central (CLS) sunt determinate și interpretate în XPS. Oxidarea este de obicei considerată a crește BE a electronii de bază ai elementelor metalice și semiconductoare (eu.e., schimbare BE pozitivă datorită legăturilor O), deoarece densitatea sarcinii electronice de valență se deplasează spre atomii O electronegativi în modelul intuitiv de transfer de sarcină. Aici demonstrăm că această ipoteză BE nu este în general valabilă prin prezentarea spectrelor XPS și a unui model consecvent al proceselor atomice care au loc la interfața HfO2/InP, inclusiv în CLS-urile negative. Se demonstrează teoretic pentru structurile abrupte ale modelului HfO2/InP că nu există nicio corelație între In CLS și numărul vecinilor de oxigen. Cu toate acestea, P CLS-urile pot fi estimate utilizând numărul de vecini O apropiați. Sunt introduse primele interfețe model de oxid nativ pentru semiconductorii III-V. Rezultatele obținute din ab initio calculele și măsurătorile sincronului XPS subliniază importanța analizelor complementare în diverse investigații academice și industriale în care CLS sunt în centrul progresului cunoașterii.
Introducere
În această lucrare, s-au calculat CLS pe baza ab initio modelele pentru HfO2/InP au fost combinate cu măsurători XPS cu radiație sincronă ale joncțiunilor HfO2/InP crescute de ALD. Ne concentrăm pe CLS-urile din In 3d și P 2p, care sunt obținute cu o rezoluție suficient de mare și o sensibilitate a suprafeței în ceea ce privește analiza făcută aici și produc modificări bine distincte în funcție de energia fotonică și diferite tratamente de probă.
Rezultate
Mai întâi discutăm diferențele în spectre în funcție de adâncimea de sondare și tratamente de probă, începând de la P 2 care prezintă cele mai sistematice diferențe, apoi treceți la In 3d și vedeți cum se schimbă In bonding față de P. Interpretările făcute sunt, de asemenea, susținute de informații suplimentare cu Hf 4 f și S 2 spectrelor (vezi Fig. S1). Aceste efecte sunt apoi legate și compilate în mod consecvent cu datele complementare din rezultatele de calcul.
P 2 măsurători
Din Fig. 1 se poate vedea că P 2 emisia în jurul vârfului masiv InP (aproximativ 129 eV, folosit ca referință) este foarte îngustă și prezintă 2 bine definit dublet, spre deosebire de o emisie largă legată de oxid la 134 eV. Deconvoluția P 2 spectrele din jurul emisiilor în vrac InP sunt totuși complicate de faptul că raportul de ramificare variază de la 0,4 la 0,47, în loc de 0,5 previzionat teoretic, atunci când numai o componentăeu.e., ambele 23/2 și 21/2 vârfuri) este inclus în ajustarea emisiei la 129 eV. Astfel, componentele suplimentare, I1 și I2, sunt introduse pentru consistență. Trebuie remarcat faptul că I2 în special nu este foarte fiabil datorită doar CLS ușoare, ceea ce duce la modificări mari ale raporturilor de intensitate atunci când schimbările variază chiar cu +/− 0,05 eV.
P 2p spectre cu vârfuri montate. Liniile verticale au fost plasate pentru a ilustra deplasarea clară a anvelopei componentelor O, chiar dacă B a fost calibrat la 128,7 eV în aceste figuri. În partea stângă sunt prezentate măsurătorile experimentelor corespunzătoare de oxid nativ, iar sulfura tratată pe partea dreaptă. Eticheta energetică arată hν-ul ales al fotonilor.
Celălalt P 2 componente de emisie: O1, O2, O3 și O4 sunt necesare pentru a reproduce caracteristicile emisiilor în jur de 134 eV. S-a considerat în mod obișnuit că oxidul nativ al InP cauzează caracteristici la 134 eV datorită oxizilor care conțin P la starea de oxidare P +5, cum ar fi InPO4. Componentele acestui BE au fost, de asemenea, atribuite In (PO3) 3 sau ar putea fi legate de speciile InPHfO. Aici nu am observat emisia de tip P 0 în jurul valorii de +1 eV, care a fost de obicei asociată cu legături P-P pure sau clustere P (e.g. 30,31).
Efectele tratamentului cu sulfuri sunt observate ca o creștere a emisiilor în vrac după recoacere, mai puțină descompunere a O1 în I1 provizoriu atribuită legăturii PP la interfață și o conversie distinctă a tuturor stărilor de oxidare mai uniform în stare O3 (+4,97 eV) în loc de O4 ( +5,30 eV), în special în apropierea suprafeței. Un model consecvent care explică acest efect va fi discutat după analiza computațională privind CLS-urile modelelor de oxid nativ interfațial.
În 3d măsurare
În Fig. 2 se poate observa că intensitatea componentei B în In 3dSpectrele 3/2 cresc în raport cu celelalte componente atunci când sensibilitatea masivă a măsurătorilor este crescută. Astfel, B este interpretat direct ca fiind componenta care rezultă din emisia stării chimice cristaline în vrac, iar intensitatea sa va varia în mod similar ca pentru P 2 B, așa cum a fost descris anterior. O justificare suplimentară pentru poziția exactă a componentei în vrac este obținută doar de la o ușoară variație a poziției BE (Figura 2
În 3d spectrele cu vârfurile montate. În partea stângă, sunt prezentate probe tratate cu sulfură și experimentele corespunzătoare. În partea dreaptă, sunt prezentate spectrele corespunzătoare ale probei tratate cu sulfură. Eticheta energetică arată hν-ul ales al fotonilor. Este de remarcat faptul că emisia de I2 este observată pentru toate măsurătorile, dar a crescut dramatic pentru eșantionul nativ + recoacere.
Din figurile 1 și 2 este clar că emisia In se modifică mult mai mult decât emisia P datorită recoacerii. Acest lucru este în concordanță cu energetica de formare a legăturilor 32: configurațiile de legătură P-O-P și In-O-P sunt mai puternice decât In-O-In pură. Astfel, InP pare a fi o excepție printre diferitele cristale III-V, deoarece adesea oxidarea elementelor grupului III (e.g., In) conduce la o fază de oxid mai stabilă decât grupa-V (e.g., Ca) oxidare 33 .
Celelalte componente, I1, I2, I3, I4 și O au fost introduse pentru a găzdui toate caracteristicile spectrale observate în funcție de sensibilitatea suprafeței și/sau tratamente diferite. Aceleași componente sunt montate pe toate spectrele, chiar dacă observăm că unele componente ar putea fi atribuite unor stări sau compuși chimici total diferiți datorită tratamentelor diferite. Variația nu a fost montată ca componente separate, datorită unei rezoluții finite, ci este mai degrabă luată în considerare ca lărgire neomogenă (FWHM) a stărilor chimice (eu.e., nu există un vârf separat de ex. In-S în comparație cu proba de oxid nativ datorită apropierii vârfurilor existente). O observație extrem de remarcabilă este că, deși vârful B BE este atent considerat și ajustat, I2 cu un CLS negativ persistă pentru fiecare dintre rezultate.
Pentru a studia distribuția adâncimii fiecărei componente de emisie, valorile de intensitate ale In 3d componentele sunt listate în tabelul 2, în mod similar cu P 2 în tabelul 1.
Este interesant faptul că emisia din partea BE negativă (adică componenta I2) crește foarte mult în timpul tratamentului de recoacere. CLS-urile negative din spectrul grupului III al joncțiunilor izolator/III-V sunt interpretate în mod tipic ca atomi sau grupuri metalice-grup III/picături și/sau stări de legătură suspendată umplute. Intuitiv, adâncimea semnalului componentei I2 și variația sa datorată recoacerii (Tabelul 2) sugerează că originea I2 se află în atomi detașați de oxidul nativ și difuzați în filmul HfO2 către suprafață. I3 și I4 par a fi componente de oxid nativ, descompunându-se oarecum în timpul recoacerii și eventual reconfigurându-se în stări corespunzătoare fie I2, fie componentului O care este interpretat a fi găsit la limita oxidului nativ și HfO2 conform analizei noastre directe.