Surface Analysis of the Interface Between E-beam Evaporated Boron and Si(111)

Jensen, Lukas Balderlou ; Laursen, Jesper Bonde

4. term (FYS10)

Physics, Master

2024

2024-05-31

67

Formålet er at forstå grænsefladen, der dannes, når et ultratyndt lag bor fordamperes på en siliciumoverflade med (111)-orientering (Si(111)). Vi bruger røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) ved ASTRID2-synkrotronen på Aarhus Universitet til at måle, hvilke grundstoffer der er til stede, og hvordan deres elektroner er bundet. En synkrotron er en særlig lyskilde, der leverer intense og justerbare røntgenstråler, som gør det muligt at undersøge de yderste nanometer af en overflade. Inden XPS-forsøgene lærer vi at styre den elektronstråle-fordamper, der afsætter bor, ved hjælp af en opsætning med lavenergi-elektrondiffraktion (LEED) og Auger-elektronspektroskopi (AES) på Aalborg Universitet. LEED giver information om overfladens orden, mens AES og XPS fortæller om sammensætning og kemiske bindinger. Afhandlingen gennemgår den nødvendige teori om LEED, AES, XPS, synkrotroner og halvledere og beskriver de anvendte eksperimentelle opstillinger. I XPS-delen undersøger vi overfladetilstande i valensbåndet og siliciums 2p-spektrum. Vi analyserer, hvordan B 1s-signalet ændrer sig med borlagets tykkelse, og vurderer effekten af uønsket kulstof- og iltforurening. Endelig bestemmer vi Fermi-niveauets placering for at estimere dopingniveauet i Si(111)-prøven. Samlet set sigter arbejdet mod at give et sammenhængende billede af den kemiske og elektroniske struktur ved bor/silicium-grænsefladen, som kan støtte mere kontrolleret fremstilling af dopede siliciumoverflader.

This project seeks to understand the interface formed when an ultrathin boron layer is evaporated onto a silicon surface with (111) orientation (Si(111)). We use X‑ray photoelectron spectroscopy (XPS) at the ASTRID2 synchrotron at Aarhus University to identify which elements are present and how their electrons are bound. A synchrotron provides intense, tunable X‑rays that allow us to probe only the outermost nanometers of a surface. Before the XPS experiments, we learn to control the electron‑beam evaporator that deposits boron using a setup with low‑energy electron diffraction (LEED) and Auger electron spectroscopy (AES) at Aalborg University. LEED reports on surface order, while AES and XPS reveal composition and chemical bonding. The thesis reviews essential theory for LEED, AES, XPS, synchrotrons, and semiconductors and describes the experimental setups used. In the XPS part, we study surface states in the valence band and the silicon 2p spectrum. We analyze how the B 1s signal changes with boron thickness and examine the impact of unintended carbon and oxygen contamination. Finally, we determine the position of the Fermi level to estimate the doping level in the Si(111) sample. Overall, the work aims to provide a coherent picture of the chemistry and electronic structure at the boron/silicon interface to support more controlled fabrication of doped silicon surfaces.

[This summary has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]

Surface Science ; Boron ; E-beam evaporation ; Silicon ; Si(111) ; Fermi Level ; Surface States ; XPS ; AES ; LEED ; Synchrotron ; ASTRID2

Download
View record in AAU Student Projects