Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Размеры современных полупроводниковых приборов становятся соизмеримыми С 'ПОСТОЯННОЙ решетки кристалла, и поэтому свойства поверхностей приобретают решающее значение. В этой связи в последние годы активно разрабатываются методы химической инженерии электронных свойств поверхностей (спектра поверхностных состояний, электрофизических параметров). Химическая модификация электронных свойств поверхности происходит вследствие взаимодействия адсорбирующихся атомов, ионов или молекул с поверхностными атомами и состояниями полупроводника и переноса заряда между адсорбатом и полупроводником. Совершенствование методов приготовления поверхностей полупроводников с заданной электронной структурой является одной из основных задач физики поверхности и технологии изготовления полупроводниковых структур. В связи с этим, одним из направлений в инженерии поверхностных свойств полупроводников, является адсорбция органических и неорганических молекул.
Система Cs/GaAs, с научной точки зрения, является модельным объектом для исследования фундаментальных взаимодействий полупроводников с адсорбатами в силу того, что Cs имеет только один внешний 6s электрон. Из множества экспериментов известно, что адсорбция щелочных металлов на поверхности GaAs демонстрирует множество интересных особенностей, в частности, резкое уменьшение работы выхода и электронного сродства уже при незначительных степенях покрытия. Несмотря на большое количество работ по адсорбции цезия на гранях (110) и (100) арсенида галлия на данный момент остаются мало изученными полярные грани (111)А и (ТТТ)В. Более того, нет данных по модификации энергетического спектра валентной зоны при адсорбции цезия.
Актуальность исследования системы полупроводник/органические молекулы связана как с возможностью использования этих пленок для электронных и структурных модификаций поверхности в устройствах микроэлектроники, так и с теми явлениями, которые может вызвать адсорбция органических молекул в технологическом процессе производства электронных компонентов (например промывка образцов в различных спиртах). Впервые изучать адсорбцию органических молекул на разных материалах начал Ленгмюр еще в начале двадцатого столетия. Однако до последнего времени исследования подобного рода носили односторонний характер и рассматривали лишь механизм образования связи молекула-поверхность. Изучению изменений, которые вызывают адсорбированные молекулы на поверхностных свойствах полупроводника, уделялось мало внимания.
ЮС НАЦНоил.. БИБЛИОТЕКА*
1, оУЭДГ
"g— ^ , Jr.
Цель работы.
Целью работы является исследование электронных процессов, происходящих при адсорбции цезия и кислорода на полярных гранях арсенида галлия, а также определение влияния адсорбции органических молекул (этилового, бутилового, изоамилового спиртов и циклогексана) на электрофизические характеристики реальных поверхностей Ge, Si и GaAs.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
-
Исследование электронной структуры атомарно-чистых поверхностей полярных граней GaAs.
-
Исследование энергетического спектра поверхности полярных граней GaAs с пленками цезия и кислорода.
-
Определение особенностей электрофизических и химических свойств системы органическая пленка/Ge, Si и GaAs.
Методы исследования.
Основными методами исследования в диссертационной работе являлись: фотоэлектронная спектроскопия (рентгеновская ' и ультрафиолетовая), спектроскопия ионного рассеяния, методы Кельвина и электронного пучка Андерсона для определения термодинамической работы выхода, метод поверхностной фотопроводимости.
Научная новизна полученных результатов:
-
Установлено, что разница в сродстве к электрону полярных граней GaAs обусловлена атомной и электронной структурой этих граней.
-
Исследована природа связи адсорбированных атомов цезия и кислорода на полярных гранях GaAs.
-
Исследована энергетическая структура валентной и запрещенной зон полярных граней GaAs с пленками цезия и кислорода.
-
Показано, что обработка реальных поверхностей GaAs, Ge и Si в этиловом, бутиловом и изоамиловом спиртах приводит к физической адсорбции указанных молекул и снижению термодинамической работы выхода на 0,2-0,4 эВ.
Научная и практическая значимость работы.
Полученные результаты по исследованию систем GaAs/Cs,0 и органические молекулы/GaAs, Si, Ge могут быть использованы в химико-технологических процессах получения эмиттеров с отрицательным электронным сродством, а также в обработке полупроводниковых материалов. Результаты ориентированы на использование в различных исследовательских организациях и промышленных предприятиях, занимающихся полупроводниковой и вакуумной электроникой.
Результаты по исследованию систем GaAs/Cs,0 и органические молекулы/Ge, Si и GaAs могут быть также использованы для апробации различных теоретических моделей в физике твердого тела и поверхностных явлений.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Наблюдаемая разница в работе выхода на гранях GaAs(lll)A и GaAs(TTT)B может быть объяснена совместным влиянием различия в сродстве к электрону и энергетического спектра поверхностных состояний, обусловленного ионной составляющей связи.
-
Адсорбция цезия на полярных гранях GaAs вызывает снижение работы выхода на 2,75 эВ. Дополнительная активация цезированной поверхности GaAs кислородом уменьшает работу выхода дополнительно на 1,2 эВ, что создает явление отрицательного электронного сродства.
-
Факт образования поверхностного состояния, индуцированного адсорбцией цезия на полярных гранях арсенида галлия.
-
Адсорбция алифатических молекул приводит к возникновению положительного заряда на поверхности полупроводника, что влечет к снижению работы выхода. Наибольшее снижение работы выхода вызывают молекулы со значительными величинами дипольного момента, такие как молекулы бутилового и изоамилового спиртов.
Личный вклад автора.
Диссертационная работа представляет собой итог самостоятельной работы автора Выбор темы, планирование экспериментов и обсуждение полученных результатов выполнены автором совместно с научным руководителем профессором Блиевым А.П.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на I конференции «Современные проблемы науки и образования» (Москва, 2004г.), IX конференции по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (Владивосток, 2005г.), VII международной конференции «Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2005 г.), научной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологии и техники» (Москва, 2005г.), научной конференции с международным участием «Технологии 2005» (Анталия, 2005г.), научно-исследовательской конференции «Фундаментальные исследования» (Москва, 2005г.), а также на заседаниях кафедры физики твердого тела и электроники Северо-Осетинского Государственного университета им. К. Л. Хетагурова.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 112 страницах, включая 38 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 135 наименований.
