Введение к работе
Электрофизические свойства поверхности полупроводников активно исследуются в течение последних десятилетий. Актуальность данных исследований обусловлена как собственно фундаментальным интересом, так и широким практическим использованием полупроводников и структур на их основе. Новые возможности для изучения свойств поверхностей полупроводников предоставляет недавно разработанная методика сканирующей туннельной микроскопии, которая позволяет изучать структурные и электронные, свойства поверхности полупроводников на локальном, атомарном уровне. В данной работе методами сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и спектроскопии (СТС) исследуются локальные электронные свойства пассивированной водородом поверхности (111) кремния, а также атомарно чистой поверхности Si(lll) 7x7, в условиях адсорбции силана.
- Исследования поверхностей кремния, пассивированных водородом, являются актуальными, поскольку такие поверхности используются при получении мощных полупроводниковых приборов методом прямого сращивания. Кроме того, в случае невырожденного кремния низкая плотность электронных состояний на пассивированной поверхности кремния вместе с очень малым размером области туннельного контакта делают СТМ контакт модельным объектом для изучения свойств туннельных МОП поиборов нанометровых размеров.
Взаимодействие атомов поверхности кремния с чужеродными атомами и молекулами приводит к изменению как геометрической структуры поверхности, так и ее электронных свойств. Наличие на атомарно чистой поверхности Si(lll) 7x7 в элементарной ячейке атомов с разным характером связей оказывает существенное влияние на их химическую активность. В частности, это определяет атомное строение адсорбированных слоев силана на атомарно чистой поверхности кремния. Кроме того, диссоциативная адсорбция силана используется при эпитаксиальном росте кремния из газовой фазы, поэтому ее изучение методами СТМ и СТС может оказаться полезным для понимания механизмов эпитаксиального роста.
Использование СТМ для изучения свойств этих объектов предостааняет уникальную возможность проследить локальное изменение свойств поверхности полупроводника в результате адсорбции молекул водорода и силана и изучать химические реакции на атомарном уровне.
В свете сказанного настоящее исследование пассивированной водородом поверхности (111) кремния и поверхности Si(lll) 7x7, в условиях адсорбции силана, с помощью сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии является актуальным.
Цель данной работы состояла в экспериментальном изучении атомарно чистой и пассивированной водородом поверхностей (111) кремния. Для пассивированной водородом поверхности кремния в задачу работы входило изучение особенностей протекания тока через туннельный переход СТМ контакта, а также исследование специфических эффектов, определяющих работу СТМ с пассивированной водородом поверхностью кремния. Второй задачей работы являлось изучение модификации локальной плотности электронных состояний (ЛПЭС) на атомарно чистой поверхности Si(lЦ) 7x7 при адсорбции силана.
Для выполнения поставленной цели в работе предполагалось:
создание сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) для исследования поверхностей полупроводников и определение его предельного разрешения на модельных объектах;
опр .деление условий работы СТМ для неразрушаюшего контроля рельефа поверхности кремниевых шайб с предельным разрешением. Для решения этой задачи пассивированная поверхность кремниевых шайб исследуется в разных условиях (на воздухе, газообразном азоте и среднем вакууме);
. - получение и интерпретация локальных вольт-амперных характеристик (В АХ) пассивированной водородом поверхности кремния (11.1). Составными частями данной задачи являются: изучение влияния параметров полупроводника (степени и типа легирования), температуры и оптического возбуждения на В АХ СТМ контакта;
- исследование процесса адсорбции атомарного водорода и силана на
атомарно чистую поверхность Si(l-ll) 7x7 в высоковакуумных условиях.
Эта задача решается исследованием модификации локальной электронной
плотности состояний на поверхности кремния, вызываемой взаимодействием с адсорбатом при низких степенях покрытия. Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
-
Детально исследованы обратные ветви ВАХ СТМ контакта с пассивированной водородом поверхностью невырожденного кремния/Эти исследования показали существенную роль неосновных носителей заряда полупроводника, генерируемых вблизи острия СТМ.
-
Обнаружено, что низкая плотность электронных состояний на поверхности пассивированного кремния создает условия, когда электрическое поле острия СТМ проникает в объем полупроводника и существенно изменяются характеристики туннельного контакта. В случае п-типа кремния н основные носители (дырки) накапливаются вблизи поверхности кремния, что вызывает появление специфических для СТМ контакта эффектов - инжекцля горячих носителей в объем полупроводника и оже-генеращга носителей заряда в области СТМ контакта.
-
С помощью сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии исследована начальная стадия адсорбции силана на поверхности Si(lll) 7x7. Показано, что диссоциативная адсорбция молекул силана происходит вблизи угловой вакансии и продукт этой реакции - группа БіНз -адсорбируется внутри этой угловой вакансии, приводя к модификации локальной электронной плотности состояний.
Научная И практическая значимость работы заключается в том, что в ней:
-
определены условия и режимы работы СТМ, при которых возможно неразрушагащее изучение рельефа и электронных свойств пассивированной водородом поверхности кремния;
-
показано, что для невырожденных полупроводников с низкой плотностью поверхностных состояний поведение неосновных носителей в области СТМ контакта определяет протекание туннельного тока при обратном смещении;
-
.установлено, что при определенных условиях ВАХ СТМ контакт с пассивированной водородом поверхностью кремния обнаруживает гастерезис; оптическое возбуждение области туннельного контакта позволяет изменять режим работы СТМ от диодного к транзисторному, гго
дает основание рассматривать такой СТМ контакт как точечный оптически
управляемый транзистор с туннельным МДП эмиттером; ;
4) восстановлена на атомарном уровне картина адсорбции силана на поверхности Si(lll) 7x7 на начальной стадии при комнатной температуре. Основные положения, выносимые ш защиту
-
Пассивированная водородом поверхность кремния может изучаться с помощью СТМ в среднем вакууме (Ю-2 -Ю-3 Па), обеспечивающем многократное воспроизводимое сканирование поверхности с разрешением не хуже 1 нм.
-
Туннельный ток СТМ контакта с пассивированной водородом поверхностью кремния р-типа при обратном смещении обусловлен туннелированием неосновных носителей - электронов, генерируемых в области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника.
-
В материале u-типа накопление неосновных носителей вблизи поверхности в области СТМ контакта вызывает появление нелинейной зависимости сквозного туннельного тока от интенсивности оптического возбуждения и гистерезис ВАХ СТМ контакта при обратном смещении на полупроводнике.
-
В условиях оптического возбуждения СТМ контакт с пассивированной водородом поверхностью кремния п-типа становится аналогом точечного оптически управляемого транзистора, іде эмиттером являете, металлическое- СТМ-острие, коллектором ..-. объем полупроводника, а базой - тонкий приповерхностный слой с дырочным типом проводимости.
-
На начальной стадии адсорбции силана группа БШз связывается внутри угловой вакансии поверхностной элементарной ячейки 7x7 атомарно чистой поверхности Si(lll) 7x7.
Апробация работы. Основный результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах отделения химии поверхности и катализа университета г. Ульм (Германия) и ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, а также на I и II Российских конференциях по физике полупроводников в Н.Новгороде, 1993 т.,и в г.Зелекогорске, 1996 г., наТ-ой Международной конференции по физике низкоразмерных структур (PLDS-1) в г.Черноголовка, 1993 г., на XIV Европейской конференции по физике поверхности в гЛейпциг (Германия), 1994 г., на 42 Национальном
симпозиуме Американского Вакуумного Общества (AVS) в Г.Миннеаполис, 1995.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объём диссертации, Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 164 страницы машинописного текста, 52 рисунка на 53 страницах. Список цитируемой литературы содержит 128 наименований.
