Незвичні зрушення на рівні ядра, спричинені окисленням, на інтерфейсі HfO 2 InP Наукові звіти

Предмети

Анотація

Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (XPS) є одним із найбільш використовуваних методів у різноманітній галузі матеріалознавства та техніки. Елементи енергії зв’язку на рівні ядра (BE) та зсуви на рівні ядра (CLS) визначаються та інтерпретуються в XPS. Зазвичай окисненням вважається збільшення ВЕ електронів серцевини металу та напівпровідникових елементів (i.e., позитивний зсув BE через O-зв'язки), оскільки валентна електронна щільність заряду рухається до електронегативних атомів O в інтуїтивній моделі передачі заряду. Тут ми демонструємо, що ця гіпотеза BE загалом не є справедливою, представляючи спектри XPS та послідовну модель атомних процесів, що відбуваються на інтерфейсі HfO2/InP, включаючи негативні In CLS. Теоретично показано для різких структур моделей HfO2/InP, що немає взаємозв'язку між CLS In та кількістю сусідів кисню. Однак P CLS можна оцінити, використовуючи кількість близьких O сусідів. Представлені перші власні інтерфейси моделей оксидів для напівпровідників III-V. Результати, отримані від ab initio розрахунки та вимірювання синхротронних XPS підкреслюють важливість додаткового аналізу в різних академічних та промислових дослідженнях, де CLS є серцем просування знань.

Вступ

У цій роботі розраховано CLS на основі ab initio моделі для HfO2/InP були поєднані з вимірюваннями XPS синхротронного випромінювання переходів HfO2/InP, вирощених ALD. Ми зосереджуємося на CLS In 3d та Р 2р, які отримуються з достатньо високою роздільною здатністю та поверхневою чутливістю щодо проведеного тут аналізу, і дають добре помітні зміни як функцію енергії фотонів та різних обробок зразків.

Результати

Спочатку ми обговоримо відмінності в спектрах як функцію глибини зондування та обробки зразків, починаючи з P 2стор що демонструє найбільш систематичні відмінності, потім перейдіть до In 3d і подивіться, як змінюється зв'язок In щодо P. Інтерпретації також підтверджуються додатковою інформацією з Hf 4 f і S 2стор спектри (див. рис. S1). Потім ці ефекти пов’язують і компілюють послідовно з додатковими даними обчислювальних результатів.

Р 2стор вимірювання

З рис. 1 видно, що Р 2стор емісія навколо основного піку InP (близько 129 еВ, що використовується як еталон) дуже вузька і демонструє чітко визначені 2стор дублет, на відміну від широкого викиду оксиду при 134 еВ. Деконволюція P 2стор Однак спектри навколо об'ємного випромінювання InP ускладнюються тим фактом, що коефіцієнт розгалуження варіюється від 0,4 до 0,47 замість теоретично передбаченого 0,5, коли застосовується лише один компонент (i.e., обидва 2стор3/2 та 2стор1/2 піків) входить у пристосування випромінювання при 129 еВ. Таким чином, для забезпечення узгодженості вводяться додаткові компоненти, I1 та I2. Слід зазначити, що особливо I2 не надто надійний через лише незначну CLS, що призводить до значних змін коефіцієнтів інтенсивності, коли зсуви змінюються навіть на +/− 0,05 еВ.

спричинені

P 2р спектри з приталеними піками. Вертикальні лінії були розміщені, щоб проілюструвати чітке зміщення оболонки компонентів O, навіть незважаючи на те, що B на цих рисунках відкалібровано до 128,7 еВ. На лівій стороні показані вимірювання відповідних експериментів із природним оксидом, а на сульфіді - на правій. Енергетична мітка показує обраний hν фотонів.

Інший Р 2стор компоненти викидів: O1, O2, O3 та O4 необхідні для відтворення характеристик викидів близько 134 еВ. Загальноприйнято вважати, що природний оксид InP викликає особливості при 134 еВ завдяки Р, що містять оксиди при рівні окиснення P +5, такі як InPO4. Компоненти цього BE також були віднесені до In (PO3) 3 або могли бути пов’язані з видами InPHfO. Тут ми не спостерігали випромінювання типу P 0 близько +1 еВ, яке зазвичай асоціюється з чистими зв'язками P-P або кластерами P (e.g. 30,31).

Ефекти від сульфідної обробки спостерігаються як збільшення об'ємних викидів після відпалу, менше розкладання O1 на I1, орієнтовно віднесене до зв'язування PP на межі розділу, і чітке перетворення всіх рівнів окислення більш рівномірно в стан O3 (+4,97 еВ) замість O4 ( +5,30 еВ), особливо біля поверхні. Послідовна модель, що пояснює цей ефект, буде обговорена після обчислювального аналізу щодо CLS моделей міжфазних природних оксидів.

Через 3d вимірювання

На рис. 2 видно, що інтенсивність компонента B в In 3d3/2 спектри збільшуються по відношенню до інших компонентів, коли збільшується об'ємна чутливість вимірювань. Таким чином, B прямолінійно трактується як компонент, що виникає в результаті викиду основного хімічного стану кристала, і його інтенсивність повинна змінюватися так само, як для P 2стор B, як описано раніше. Подальше обґрунтування точного положення сипучого компонента отримано лише незначними варіаціями положення BE (Рисунок 2

Через 3d спектри з припасованими піками. З лівого боку показано зразки, оброблені сульфідом, з відповідними експериментами. Праворуч показано відповідні спектри зразка, обробленого сульфідом. Енергетична мітка показує обраний hν фотонів. Примітно, що викиди I2 спостерігаються для всіх вимірювань, проте різко зростають для нативного + відпалу зразка.

З рис. 1 і 2 ясно, що викиди In змінюються набагато більше, ніж викиди P через відпал. Це узгоджується з енергетикою формування зв’язків 32: конфігурації зв’язку P-O-P та In-O-P сильніші, ніж чисті In-O-In. Таким чином, InP, здається, є винятком серед різних кристалів III-V, оскільки часто відбувається окислення елементів III-групи (e.g., В) призводить до більш стабільної оксидної фази, ніж група-V (e.g., As) окислення 33 .

Інші компоненти, I1, I2, I3, I4 та O, були введені з урахуванням усіх спектральних особливостей, що спостерігаються як функція поверхневої чутливості та/або різної обробки. Ці самі компоненти пристосовані до всіх спектрів, хоча ми зазначаємо, що деякі компоненти можуть бути віднесені до абсолютно різних хімічних станів або сполук через різну обробку. Варіація не була застосована як окремі компоненти через обмежену роздільну здатність, а, скоріше, враховується як неоднорідне розширення (FWHM) хімічних станів (i.e., немає окремого піку для напр. In-S порівняно із зразком самородного оксиду через безпосередню близькість існуючих піків). Дуже заслуговує на увагу спостереження, що, незважаючи на те, що пік ВЕ ретельно розглядається і коригується, I2 з негативним CLS зберігається для кожного з результатів.

Для вивчення розподілу глибини кожного компонента викидів значення інтенсивності In 3d компоненти перераховані в таблиці 2, аналогічно P 2стор в таблиці 1.

Цікаво, що викиди на негативній стороні BE (тобто компонент I2) сильно зростають під час обробки відпалом. Негативні CLS у спектрах групи III ізоляторних/III-V переходів зазвичай інтерпретуються як металеві атоми групи III або кластери/краплі та/або заповнені звисаючі стани. Інтуїтивно зрозуміло, що глибина сигналу компонента I2 та його варіація внаслідок відпалу (табл. 2) свідчать про те, що походження I2 є атомами In, що від'єднуються від природного оксиду та дифузують у плівку HfO2 до поверхні. I3 та I4 здаються нативними оксидними компонентами, дещо розкладаються під час відпалу та, можливо, переконфігуруються на стани, що відповідають або I2, або O-компоненту, який, як інтерпретується, можна знайти на межі природного оксиду та HfO2 згідно з нашим прямим аналізом.