рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Этапы развития физики поверхности

Работа сделанна в 2008 году

Этапы развития физики поверхности - Курсовая Работа, раздел Физика, - 2008 год - Физика поверхности и микроэлектроника Этапы Развития Физики Поверхности. В Развитии Физики Поверхности Можно Выдели...

Этапы развития физики поверхности. В развитии физики поверхности можно выделить три этапа. На ранней стадии изучалась поверхность твердого тела, покрытая различными адсорбированными фазами, осаждавшимися из окружающей газовой атмосферы, в результате химического травления или взаимодействия с другими фазами, в том числе в ходе хранения образ¬ца. Обычно такая поверх¬ность, называемая реальной, содержит не только адсор¬бированные компоненты.

Но также покрыта «одеждой» из сверхтонкой пленки гидроксилов, сложных окислов, а иногда специальными слоями химически стойких соединений типа фтористых соединений, оксинитридов, боридов и др. Как правило, такие поверхности включают довольно большое количе¬ство примесей инородных элементов, таких, как щелочно-галлоидные комплексы, содержащие Na, К, атомы переходных элементов, Fe, Cu, Au и др. Первые систематические исследования реальных по¬верхностей были проведены на металлах еще в начале века в связи с нуждами эмиссионной электроники.

Это, прежде всего классические работы Ленгмюра на воль¬фраме и молибдене, на цезиевых, оксид-цезиевых и дру¬гих горячих катодах.

Затем были начаты исследования диэлектриков и полупроводников — окислов металлов (CuO, Cu2O, ZnO), легко выращиваемых полупро¬водников группы II—VI, далее (начиная с 40-х годов) — германия, кремния, веществ А3Б5 (InSb, GaAs и др.). Дальнейшие экспериментальные исследования основыва¬лись уже на моделях, в которых центральную роль иг¬рали поверхностные уровни.

Главным итогом этой стадии исследования поверх¬ности было надежное доказательство существования особых (по сравнению с объемом) поверхностных электрон¬ных состояний (поверхностных уровней) для всех полу¬проводников, для которых удалось провести экспери¬мент. На основании концепции поверхностных уровней (и влиянии заряда, накапливаемого на них) были, по крайней мере, качественно, объяснены все ранее зага¬дочные поверхностные эффекты для реальной поверхно¬сти: сильная экранировка поля, приложенного к кон¬такту (с прижимным электродом), и ее релаксация, раз¬личные медленно релаксирующие эффекты, непрерыв¬ный спектр шумов, дополнительная длинноволновая эмиссия и появление фотоэдс и др. В дополнение к это¬му именно в ходе исследования реальной поверхности (контактных явлений) в системе с несколькими точеч¬ными контактами был открыт транзисторный эффект и впервые построен полупроводниковый триод — точеч¬ный транзистор.

Как известно, транзисторная логика до сих пор является определяющей в интегральной микро¬электронике.

Второй этап в развитии физики поверхности связан с исследованием атомарно-чистой поверхности. Эта стадия началась вслед за получением достаточно высокого вакуума в эмиссионной электронике, созданием таких мощных методов исследования поверхности, как ди¬фракция пучков монохроматических очень медленных (до нескольких десятков электрон-вольт) электронов (Лашкарев, Калашников, 1938 г.), появлением вакуум¬ной эмиссионной спектроскопии (Спайсер, 40-е годы), а также развитием методов очистки поверхности, прежде всего путем ионной бомбардировки (Аг+, Фарнсворс и Макрэй, 1950—1960 гг.). Среди наиболее важных результатов этого этапа от¬метим следующие: 1. Доказательство того, что атомарно-чистая поверх¬ность действительно представляет собой особую струк¬турную среду, т. е. характеризуется своей решеточной структурой. Для поверхностного монослоя были найде¬ны сверхрешетки различного типа, одни сверхрешетки (как правило, незначительно отличающиеся от основ¬ной решетки вещества) оказались более устойчивыми, другие перестраиваются уже при комнатной темпера¬туре. 2. Прецизионные поверхностные методы дали воз¬можность определить фундаментальные характеристики поверхности кристаллической решетки, такие, как эф¬фективные массы электронов ms; деформационный по¬тенциал Ξ, энергия фононов поверхности еф и ампли¬туда колебаний ∆xs атомов поверхностного слоя, дебаевская температура для поверхностной сверхрешетки и др. Наличие характерных полярных компонент хими¬ческой связи для атомарно-чистой поверхности, что обусловливает возможность появления чисто поверхно¬стных поляризованных мод, таких, как, например, по¬верхностные поляритоны в Ge, Si и др экситонного, плазмонного, фононного и других типов. 3. Наличие двумерных квантовых эффектов в обла¬сти поверхностного заряда, роль поверхностей резко воз¬растает. Такие экситоны впервые наблюдались на ско¬лотых поверхностях, где существуют сильные заряды на метастабильных поверхностных состояниях.

Впервые эффекты двумерного квантования на сколотых поверх¬ностях были описаны Коваджи (1964), Доброволь¬ским (1970), Корбутяком и Литовченко (1973). 4. Наличие характерных полярных компонент хими¬ческой связи для атомарно-чистой поверхности, что обусловливает возможность появления чисто поверхно¬стных поляризованных мод, таких, как, например, по¬верхностные поляритоны в Ge, Si и др экситонного, плазмонного, фононного и других типов.

Третья стадия развития физики поверхности связана с исследованием границ раздела хорошо детерминиро¬ванных фаз, как, например, «диэлектрик—полупровод¬ник», «металл—полупроводник», «диэлектрик—металл». Это так называемые слоистые структуры, среди ко¬торых первая образует технологическую базу большин¬ства типов интегральных схем. 1.2 Методы исследования поверхности Методы исследования поверхности весьма разнооб¬разны.

Общей их чертой является необходимость измерения параметров в очень тонком поверхностном слое, т. е. обеспечение возможности измерения в очень малом количестве вещества.

Это предопределяет высокую, в отдельных случаях предельную чувствительность исполь¬зуемых измерительных систем.

Наиболее распространены три типа методов иссле¬дования электрических характеристик поверхности: 1. Изменение проводимости слоя поверхностной области пространственного заряда под воздействием внешнего поля (эффект поля); 2. Метод вольтфарадных характе¬ристик, в котором вместо активной характеристики (про¬дольной проводимости) измеряется реактивная величи¬на - поперечная емкость, откуда рассчитываются пара¬метры емкости области пространственного заряда и со¬ответственно те же характеристики поверхности, что и в методе эффекта поля (изгиб зон уs, начальный заряд поверхности Qso и др.), но на более простых структу¬рах и более экспрессным способом; 3. Методы измере¬ния поверхностной рекомбинации, основанные на изме¬рении фотопроводимости, неравновесной проводимости неосновных носителей, генерированных электрическим нолем, а также, но характеристикам так называемого тока насыщения р-n перехода, локализованного вбли¬зи поверхности.

Поверхностная рекомбинация опреде¬ляет ряд параметров р-n переходов (генерационный ток в тонких образцах и др.), а также кинетические па¬раметры биполярных планарных транзисторов в режиме слабых токов.

Эффект поля есть изменение приповерхностной про¬водимости под воздействием электрического поля, при¬ложенного нормально к поверхности твердого тела. Обычно это явление реализуется для полупроводников, хотя возможно его проявление и для металлов и диэлек¬триков (особенно для их тонких пленок). Наведенный электрический заряд распределяется между областью пространственного заряда и локализованными поверх постными состояниями.

Концентрации свободных элек¬тронов (или дырок) в этой области определяются по¬верхностным потенциалом &#966;s (изгибом зон уs) и поло¬жением уровня Ферми в объеме полупроводника E&#966;. Внешнее поле задает три состояния области прост¬ранственного заряда: обогащение основными носителя¬ми (по отношению к объему; для полупроводника n-типа это соответствует образованию сильного изгиба зон вниз, т. е. ys<0); формирование вблизи поверхности слоя истощения, при этом зоны искривляются вверх (ys > 0). В этом случае проводимость уменьшается.

При последующем искривлении зон вверх, по мере увеличе¬ния вблизи поверхности концентрации неосновных (по отношению к объему) носителей (например, дырок) на¬ступает момент, когда число последних у поверхности превышает концентрацию электронов в объеме.

Создает¬ся так называемый инверсионный поверхностный слой. Когда изгиб зон ys становится столь большим, что ва¬лентная зона пересекает уровень Ферми EF, концентрация носителей в инверсионном слое становится столь большой, что возникает слой вырожденного газа носи¬телей (в определенных случаях с двумерным квантова¬нием зонного спектра свободных носителей). Формиро¬вание инверсионного слоя дает возрастание проводимо¬сти уже за счет неосновных носителей.

Таким образом, зависимость проводимости от внеш¬него поля имеет вид кривой с минимумом.

Анализ этой кривой позволяет получить данные о состоянии областей пространственного заряда, локализованных на поверх¬ности центров захвата (так называемых поверхностных уровней), и объема полупроводника. Так, минимум про¬водимости поверхностной области пространственного заряда соответствует потенциалу, задаваемому параметра¬ми объема: Начальный изгиб зон &#966;so задает плотность заполненных поверхностных уровней в условиях обычного состоя¬ния образца.

Измерение релаксации позволяет разделить поверхностные центры на быстрые (со временами релаксации <10-3 с) и медленные (&#8805;10-1 с). Медлен¬ная релаксация имеет неэкспоненциальный характер, что, как правило, обусловлено гетерогенностью поверх¬ности. Она может быть также вызвана ионными процес¬сами (диффузией), адсорбционно-десорбционными процессами, поверхностными химическими реакциями, сти¬мулированным полем.

Вольтфарадные (С—V) характеристики. Измеряемой величиной является высокочастотная (f > 1 мГц) или низкочастотная (f < 0,1 Гц) емкость тройной структуры и ее зависимость от приложенного постоянного (или медленно меняющегося) напряжения смещения, прикла¬дываемого между металлическим и полупроводниковым электродами. Исследуются также зависимости емкости структуры от температуры (С—Т-характеристики) и вре¬мени (С—t-характеристики). Рис. 1. Типичные C—V за¬висимости при измерениях на высоких (сплошная кривая) и низких (штриховая кривая) частотах Изменение емкости тройной структуры при варьиро¬вании напряжения связано с изменением емкости обла¬сти пространственного заряда и обусловлено измене¬нием в ней концентрации подвижных носителей.

Поскольку основные и неосновные носители заряда обла¬дают существенно различными временами генерации, то их вклад в емкость соизмерим только в низкочастотном (так называемом квазистатическом) режиме измерений.

В высокочастотном режиме неосновные носители почти не проявляются. Типичные С—V-зависимости изображе¬ны на рисунке 1. Видно, что при изменении приложенного напряжения высокочастотная емкость уменьшается от емкости, определяемой толщиной слоя диэлектрика, до некоторой величины, которая зависит от уровня леги¬рования материала. Сопоставляя полученные экспериментально С – V зависимости с теоретическими, рассчитанными в рамках адекватных физических моделей, удается получить боль¬шое количество параметров тройной структуры — тол¬щину диэлектрика, заряд, встроенный в диэлектрик, уро¬вень легирования объема полупроводника и его измене¬ние в приповерхностной области по координате, перпендикулярной поверхности, величину поверхностного изги¬ба зон и ее зависимость от приложенного смещения, плотность электронных состояний на границе раздела диэлектрик — полупроводник и их распределение по за¬прещенной зоне, фактор, характеризующий статистиче¬скую планарную микронеоднородность величины поверх¬ностного заряда по отношению к его среднему значе¬нию, и некоторые другие характеристики.

Если под действием электрического поля происходит изменение заряда в диэлектрике (этот процесс специ¬ально используется в элементах памяти, применяемых в ЭВМ, но в других случаях может быть и нежелатель¬ным), то С – V характеристика смещается по оси напря¬жений.

Это позволяет легко фиксировать данный про¬цесс и определять знак и величину изменения заряда в диэлектрике.

Метод электроотражения. Явление электроотраже¬ния заключается в изменении коэффициента отражения света от поверхности твердого тела (полупроводника, металла) под действием внешнего электрического поля и связано с эффектом фототуннелирования (эффект Франца—Келдыша) — туннельного перехода носителей между энергетическими зонами (что становится возмож¬ным благодаря их искривлению в сильном поле) при од¬новременном изменении энергии носителя вследствие по¬глощения фотона с данной энергией.

Вероятность про¬цесса фототуннелирования сильно зависит от соотноше¬ния энергии фотона (которую мы меняем в экспери¬менте) и энергетического спектра разрешенных зон (формы зоны Бриллюэна) твердого тела. Поэтому при изменении энергии фотонов величина сигнала электро¬отражения несет информацию о зонных характеристиках исследуемого материала. Важно подчеркнуть, что поскольку в процессе элек¬троотражения света с энергией квантов hv, превышаю¬щей энергию запрещенной зоны Eq, участвует только тонкий поверхностный слой материала (в металлах это доли нанометра, в кремнии — 15—20 нм), то рассмат¬риваемая методика особенно ценна именно для изуче¬ния поверхностных свойств.

Она применима как к моно¬кристаллическим, так и к поликристаллическим и аморф¬ным полупроводникам. С ее помощью могут быть получены спектры коэффициентов преломления и поглоще¬ния света в веществе, определены характерные энерге¬тические зазоры, степень дефектности поверхностного слоя, наличие и величина полей механических напряже¬ний, тип проводимости поверхностного слоя, параметры разупорядочения кристаллической структуры (измене¬ния длин и углов межатомных связей), размеры зерен в поликристаллических и микрокристаллических мате¬риалах.

Метод эллипсометрии. Данный метод (а точнее, це¬лый набор методов, объединенных общим принципом из¬мерений), также основан на измерении отражения света от исследуемой поверхности.

В отличие от метода элек¬троотражения, применимого для проводящих материа¬лов, методом эллипсометрии могут изучаться также и диэлектрики, и многослойные тонкопленочные структу¬ры. Измеряются параметры поляризации отраженного света, зависящие как от условий измерения (угол паде¬ния света, его исходная поляризация), так и от физиче¬ских характеристик исследуемой отражающей системы. К последним относятся оптические константы отражаю¬щих поверхностей и диэлектрических пленок (в свою очередь, чувствительные к длине волны, на которой про¬изводится измерение, в силу их зависимости от парамет¬ров зонной структуры материалов), толщины пленочных покрытий и переходных слоев на границах раздела.

Метод эллипсометрии отличается очень высокой чув¬ствительностью. Он позволяет обнаруживать на поверх¬ности даже моноатомиые пленки различных веществ и определять их характеристики. Эта особенность исполь¬зуется в современных технологических установках, пред¬назначенных для нанесения тонких пленок.

Эллипсометр, встроенный в такую установку и сопряженный с ЭВМ, позволяет получать характеристики пленки непо¬средственно в процессе ее синтеза. Еще одна возможность метода — определение пара¬метров многослойных систем (например, структура ди¬электрик — полупроводник с двумя и более диэлектри¬ками или с диэлектриком, параметры которого изменя¬ются по толщине). Такая задача может быть решена не¬сколькими путями и математически весьма сложна, но другими методами решить ее часто вообще невозможно. 1.3

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Физика поверхности и микроэлектроника

Высокотемпературная сверхпроводимость Заключение Список литературы Введение Микроэлектроника в своем сравнительно недолгом развитии прошла путь от… Основополагающей в развитии микроэлектроники явилась идея интеграции -… Такая технология получила название планарной (от латинского корня, обозначаю¬щего плоскость) и, как видно из…

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Этапы развития физики поверхности

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Геттерирование в микроэлектронике
Геттерирование в микроэлектронике. Геттерирование в твердом теле есть явление извле¬чения примеси или структурных дефектов из очищаемых (так называемых активных) участков твердого тела в контактиру

Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов
Влияние поверхности на работу полупроводниковых приборов. Состояние поверхности полупроводника и граница его раздела с другими веществами чрезвычайно важны как для самого процесса изготовления полу

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги