Charakterisierung von ultradünnen Metallfilmen auf Siliziumoberflächen

Diplomarbeit von Thorsten Müller

Zusammenfassung:

Metall/Halbleiter-Kontakte sind sowohl von großer grundlagenphysikalischer als auch technologischer Bedeutung. Diese auch Schottky-Kontakte genannten Grenzflächen befinden sich in jedem modernen Halbleiterbauelement. Wie kürzlich gezeigt, können großflächige Schottky-Dioden auch als aktive Gassensoren eingesetzt werden.

Eine genaue Charakterisierung der morphologischen, strukturellen, elektronischen, chemischen, vibronischen und Transporteigenschaften des Systems Ag/Si(111) war Ziel dieser Arbeit. Es wurden sowohl Kontakte auf wasserstoffterminierten (1x1)- als auch auf (7x7)-rekonstruierten Si(111)-Oberflächen mittels der Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED), Strom/Spannungs-Messungen (I/V), Chemostrommessungen, Auger-Elektronenspektroskopie (AES), Photoelektronenspektroskopie mit ultraviolettem Licht (UPS), Elektronenenergieverlustspektroskopie mit langsamen Elektronen (LEELS), hochauflösender Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht.

Die Filme zeigen auf beiden Substraten, im untersuchten Temperaturbereich von 200 – 300 K, Stranski-Krastanov-Wachstum, d. h. nach der Ausbildung einer Benetzungsschicht (bei der (7x7)-Oberfläche: ca. 3,7 MLAG(111)) das Einsetzen von Inselwachstum. Die laterale Formanisotropie der Inseln nimmt mit abnehmender Temperatur ab. Eine Koaleszenz der Inseln tritt für bei Zimmertemperatur deponierte Filme im untersuchten Bedeckungsbereich zwischen 0 und 70 MLAG(111) nicht auf. Hingegen zeigen bei ca. 215 K deponierte und dann zu Zimmertemperatur angelassene Filme, bei einer Bedeckung von etwa 20 – 30 ML Ag(111) ein ”Zusammenlaufen“ der Inseln. Die Filme wachsen bei 215 K mit einer zum Substrat parallelen (111)-Orientierung auf, während für das Wachstum bei Zimmertemperatur eine amorphe Struktur beobachtet wird.

Aus den vibronischen und chemischen Eigenschaften kann geschlossen werden, dass die Substratkontaminationen entweder an der Grenzfläche ”vergraben“ werden oder während des Metallangebots desorbieren. Die I/V-Messungen liefern einen Hinweis auf eine stark inhomogene Grenzfläche zwischen Metallfilm und Substrat.

Es konnte eine kollektive Anregung des elektronischen Systems in den ultradünnen Filmen beobachtet werden, deren Energie sich für nominelle Bedeckungen zwischen 0 und ca. 4 ML Ag(111) aus dem Ultravioletten (ca. 3,8 eV) ins Infrarote (ca. 1 eV) verschiebt. Diese Anregung kann als Mie-artige Resonanz in den hemisphärischen Inseln gedeutet werden.

Angebote mit atomarem Wasserstoff liefern Hinweise darauf, dass an der Oberfläche der Metallfilme viele Defekte existieren, an denen sich der Wasserstoff auch bei Zimmertemperatur anlagern kann. Eine weitere Veränderung der Filmeigenschaften konnte nicht beobachtet werden. Zusätzlich werden auch ”Chemostrommessungen“ für die Adsorption von Wasserstoff auf Silberoberflächen von Ag/H:Si(111)-(1x1)-Schottky- Kontakten präsentiert, die erstmalig nicht in Lock-In-Technik durchgeführt wurden, sondern unmittelbar als Gleichstrommessung mittels eines Elektrometers.

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