Oxidation von CoGa Oberflächen untersucht mit oberflächensensitiver Röntgenbeugung

Abstract

Ultra dünne Oxidschichten spielen z.B. bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen und der Realisierung von nichtflüchtigen Speichermedien (MRAM = magnetic random access memory) eine wichtige Rolle. In Speicherbausteinen findet man häufig Oxidschichten als Isolatoren.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Oxidation von Legierungseinkristallen und der Erzeugung ultra dünner Oxid- bzw. Isolatorschichten. Durch kontrollierte Oxidation einer CoGa(100) Oberfläche kann eine ultra dünne, geordnete Galliumoxidschicht erzeugt werden.

Die Struktur der ultra dünnen Galliumoxidschicht wurde durch Oberflächenröntgenbeugung mit atomarer Auflösung bestimmt. Mit einer Dicke von etwa 0,6 nm ist die Oxidschicht wesentlich dünner als die monokline Einheitszelle der beta-Galliumoxidvolumenstruktur (1,2 nm).

Struktur und Morphologie des Oxides hängen stark von den Parametern Temperatur und Sauerstoffpartialdruck ab. In situ Oxidationsuntersuchungen zeigen, dass die Oxidbildung stark von den gewählten Bedingungen abhängt und verschiedene Wachstumsmodi existieren. Bei Raumtemperatur entsteht eine ungeordnete Oxidschicht. Bei Temperaturen von 600 K bis 740 K beobachtet man die Bildung von Oxidinseln, die ein stark anisotropes Wachstumsverhalten zeigen und bevorzugt entlang den Kristallrichtungen des CoGa Substrates orientiert sind.

Die mittlere Inselgröße hängt dabei stark vom gewählten Sauerstoffpartialdruck ab. Die Stabilität der ultra dünnen Galliumoxidschichten wurde durch in situ Röntgendiffraktionsexperimente analysiert. Es zeigt sich, dass die Oxidschicht bei Temperaturen über 800 K vollständig von der CoGa Oberfläche desorbiert.

Ultra thin oxide films are important for all kinds of electronic devices and play a key role in the development of non volatile memory devices (MRAM = magnetic random access memory).

In this work the oxidation of alloy crystals and the creation of ultra thin oxide films are studied. Oxidation of a clean CoGa(100) surface using precisely controlled conditions leads to the formation of an ultra thin ordered gallium oxide. The structure of the ultra thin gallium oxide film was determined by surface x-ray diffraction with atomic resolution. The thickness of the gallium oxide thin film is about 0,6 nm an therefore much thinner than a monoclinic bulk oxide cell of beta - gallium oxide (1,2 nm).

Structure and morphology of the oxide depend crucially on temperature and oxygen partial pressure during the growth process. In situ oxidation experiments show different type of oxide growth modes for different parameters.

At room temperature the oxide has no long range order. At temperatures from 600 K to 740 K the growth of oxide islands is observed. They show strongly anisotropic growth behaviour with preferred orientation along the crystal orientation of the CoGa substrate.

The average island size depends crucially on the applied oxygen partial pressure. The stability of the ultra thin gallium oxide film was studied by in situ x-ray diffraction. At 800 K the gallium oxide completely desorbs from the CoGa surface.