Preparation and characterization of transition metal silicides (β-FeSi2)

Abstract

A buried layer of iron disilicide (β–FeSi2) is prepared by ion beam synthesis (IBS) in (1 1 1) Si P-type by implantation of 195 KeV Fe ions with a dose of 2x1017 Fe+/cm2 followed by annealing in nitrogen atmosphere between 850 and 1000˚C for different times. The investigation of the phase composition is carried out by Rutherford backscattering spectrometry (RBS), whereas the structural characterization is obtained by means of both X-ray diffraction (XRD) pole figure and cross-sectional transmission electron microscopy (XTEM). The precipitates favor epitaxial growth with respect to (1 1 1) Si planes with epitaxial relationships (2 2 0) β-FeSi2 || (1 1 1) Si and/or (2 0 2) β-FeSi2 || (1 1 1) Si. For optical properties, the thin β-FeSi2 layers have been characterized by means of infrared and Raman spectroscopies. The infrared (IR) transmittance spectra show the absorption at 310 cm-1 as an indication of the initial nucleation of β-FeSi2 precipitates during the implantation of iron into silicon substrate. The Raman signals for β-FeSi2 are slightly shifted toward lower energies. The main feature of the photoluminescence (PL) measurements at 12 K in the β-FeSi2/(1 1 1)Si samples is an intense peak localized at 0.811 eV. This peak is assigned to optical radiative transitions intrinsic to β-FeSi2. Une couche enterrée du disiliciure de fer semiconducteur β-FeSi2 est préparée à l'aide de faisceau d'ions (IBS) dans un substrat (111)Si de type P. La couche est obtenue par implantations d'ions de fer, avec une dose de 2x1017 Fe+/cm2 et une énergie égale à 195 KeV, suivie d'un recuit thermique effectué sous atmosphère de gaz inerte entre 850 et 1000°C pendant différents temps de maintien. L'analyse quantitative de la phase formée est réalisée à l'aide de la spectroscopie d'ions rétrodiffusés de Rutherford (RBS). La diffraction des rayons X en figures de pôle (XRD) et la microscopie électronique à transmission en coupes transversales (XTEM) sont utilisées pour les caractérisation structurales et microstructurales. L'étude montre que la croissance des précipités β-FeSi2 sur le substrat (111)Si est épitaxiale suivant la relation épitaxiale (220) β-FeSi2 //(111)Si et/ou (202) β-FeSi2 //(111)Si. Les spectroscopies infra-rouge (IR) et Raman sont mises en oeuvre pour la caractérisation optique des échantillons. Les spectres IR en transmission montrent une absorption à 310 cm-1, ce qui atteste de la nucléation initiale de précipités β-FeSi2 durant l'implantation Fe+ dans (111)Si. Les raies Raman relatives au composé β-FeSi2 sont légèrement décalées du côté des faibles énergies. La caractérisation principale des mesures de photoluminescence (PL), effectuées à 12 K, dans la structure β-FeSi2 /(111)Si est l'apparition d'un pic intense localisé à 0,811 eV. Ce pic est assigné aux transitions optiques radiatives intrinsèques à la phase semiconductrice β-FeSi2. الشريحة المواراة لسليسور الحديد (β-FeSi2) حضرت عن طريق الحزمة الايونية المصطنعة (الغرس الايوني) في مساند من السليكون ذات الاتجاه (111) من النوع P، بواسطة غرس ايونات الحديد ذات طاقة 195KeV و بجرعة 2*1017 Fe+/cm²، متبوعة بتحمية حرارية ما بين 850 و 1000C° تحت ضغط غاز النيتروجين. التقنيات المستعملة لدراسة بنية الطور هي: - مطيافية التشتت الخلفي لرذرفورد (RBS). - انعراج الاشعة السينية (XRD). - المجهر الالكتروني النافذ (TEM). نتائج هذه التحليلات وضحت بان نمو حبيبات الطور كانت موازية للمستويات البلورية بالعلاقة التالية: (220) (220) β-FeSi2//(111)Si and/or (202)β-FeSi2//(111)Si. لدراسة الخواص الضوئية لشرائح الطور (β-FeSi2) تم تحليلها بواسطة مطيافية الاشعة تحت الحمراء (IR) و رامان (Raman) و كانت النتائج كالاتي: اطياف الاشعة تحت الحمراء النافذة بينت الامتصاص عند 310cm-1 وهي مؤشر بداية نمو الطور خلال غرس ايونات الحديد داخل مساند السليكون. مطيافية رامان وضحت تزحزح خطوط الطيف نحو الاقل طاقة. التحليل بواسطة الاضاءة الفوتونية (PL) لدى الدرجة 12 كالفن بين انبعاث خط الضوء بطاقة 0.811eV، و هذا يعود الى الاشعاع الضوئي الناتج عن الانتقال الذاتي داخل الطور β-FeSi2.