Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Введение в специальностьРис. 8.23Двухмерное (яркостное) изображение в туннельном микроскопеповерхности кремния (111)абРис. 8.24Двухмерное (а) и трехмерное (б)изображения в туннельноммикроскопе эпитаксиальнойпленки PbSeяркостные изображения. На рис. 8.23 представлено пер"вое изображение поверхности кремния с атомным разре"шением, полученное Биннингом и Рорером с помощьюсконструированного ими СТМ.При 3D"визуализации изображение поверхности z(x, y)строится в аксонометрической проекции.
В дополнение кэтому моделируются условия подсветки поверхности то"чечным источником, расположенным в некоторой точкепространства над поверхностью (рис. 8.24). Следователь"но, 3D"изображение — это некоторый условный образ,который, тем не менее, содержит количественную инфор"мацию о локальных особенностях поверхности.Характеристики СТМ. Разрешение по нормали к по"верхности составляет ~0,05 нм (при изменении z на 0,1 нмтуннельный ток изменяется на порядок). Разрешение вплоскости определяется качеством острия зонда, а такжезависит от вибраций и акустических шумов. Например,для острия из монокристалла вольфрама с осью [111] кон"чик имеет форму пирамиды, завершающейся 1–3 атома"ми. Если на конце находится 1 атом, СТМ дает чисто атом"Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ247ное разрешение, позволяющее «видеть» отдельные атомы.Согласно многим публикациям, изображения с атомнымразрешением получались и в не столь идеальных услови+ях.
Более широкое острие имеет микровыступы, и еслихотя бы один из них ближе к поверхности всего на 0,1 нм,то весь туннельный ток идет через него, атомное разреше+ние становится возможным. Следует отметить, что истин+но атомное разрешение получается при очень низких тем+пературах и в высоком вакууме. В обычных условиях дос+тигается разрешение порядка одного нанометра.Зонды СТМ должны быть проводящими. Как прави+ло, они металлические, с радиусом острия ~10 нм. ВыборРис.
8.25Микроскопическое изображение типичного металлического зонда (при двухразных увеличениях)материала зависит от задачи. Наиболее твердые зонды —из вольфрама и сплава иридия и платины. Для мягкихзондов используют золото. Типичный зонд показан нарис. 8.25.Вольфрамовые зонды получают методом электрохими+ческого травления. Другой способ — перерезывание нож+ницами проволоки из сплава PtIr под углом 45° с одно+временным натяжением на разрыв. При перерезании про+исходит пластическая деформация проволоки в местерезки и обрыв под действием растягивающего усилия.В результате на месте разреза формируется вытянутое ост+рие, имеющее рваный край с многочисленными выступа+ми, один из которых и служит рабочим элементом зонда.Недостаток СТМ.
С помощью СТМ можно исследоватьтолько электрически проводящие поверхности — металлы,полупроводники, сверхпроводники. Кроме того, СТМ фак+тически регистрирует не сами атомы, а распределение плот+ности электронных состояний на поверхности образца.Преимущества СТМ. В настоящее время сканирующиеэлектронные микроскопы (СЭМ) высокого разрешения248НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьтакже дают атомное разрешение.
Однако в СЭМ энергияэлектронов велика (~103–105 эВ), что создает дефекты наисследуемой поверхности. В СТМ энергия туннелирующихэлектронов не превышает нескольких электрон7вольт, т. е.меньше энергии химической связи; исследуемая поверх7ность не повреждается. Кроме того, в СТМ нет линз, вно7сящих искажения в изображение.Условия работы. Существуют СТМ, работающие в диа7пазоне температур от 0,2 К до 1000 К, сверхвысоковаку7умные СТМ и СТМ, работающие на воздухе, в жидких игазообразных средах. Условия работы СТМ выбираются взависимости от поставленной задачи.8.4.3.ПРИМЕНЕНИЕ СТМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙКак уже отмечалось, СТМ дает возможность проводитьизмерения и одновременную визуализацию проводящейповерхности с атомным разрешением.
Поэтому СТМ ис7пользуется во многих областях — от фундаментальных ис7следований в физике, химии и биологии до нанотехноло7гических применений. Например, СТМ — уникальный ин7струмент для исследования поверхностных дефектов ипримесей в полупроводниках, диагностики полупроводни7ковых эпитаксиальных пленок и структур. С помощью СТМпроводятся исследования магнитных материалов, в томчисле с использованием спин7поляризованных туннельныхтоков, что, например, открывает возможность изученияраспределения поляризации спинов электронов на поверх7ностях ферромагнетиков и антиферромагнетиков.Рассмотрим некоторые применения СТМ для исследо7вания полупроводниковых материалов и структур.Исследование поверхности полупроводников.
В объе7ме идеального кристалла все валентные связи насыщены.У атомов поверхностного слоя имеются оборванные (такназываемые ненасыщенные) связи, что увеличивает энер7гию поверхностного слоя. Для уменьшения этой энергииповерхностные атомы перестраиваются таким образом,чтобы число оборванных связей сократилось. В результа7те на поверхности изменяется структура кристаллической249Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИрешетки, происходит так называемая реконструкция по!верхности.
Существует оптимальное расположение атомовна поверхности, которому соответствует минимум поверх!ностной энергии.С помощью СТМ впервые было получено изображениес атомным разрешением поверхности кремния и исследо!ваны различные типы ее реконструкции. Установлены ус!ловия, при которых одни поверхностные структуры (менеестабильные) превращаются в другие (более стабильные),например при нагревании или под влиянием примесныхатомов.
Реконструкция поверхности была обнаружена наповерхности германия, арсенида галлия и других полу!проводниковых кристаллов.С помощью СТМ можно обнаруживать и исследоватьповерхностные дефекты. На рис. 8.26 приведены для при!мера СТМ!изображения вакансии атомов фосфора на по!верхности (100) кристалла фосфида индия п!типа (а) и гра!ница двойниковой прослойки на поверхности висмута (б).Диагностика полупроводниковых эпитаксиальныхпленок. С помощью СТМ можно проследить процесс рос!та тонких слоев от момента образования на подложке кри!сталлитов!зародышей до образования слоя необходимойтолщины. Это позволяет выяснить особенности роста приразличных технологических условиях, подобрать опти!мальные режимы получения как тонких пленок, так инаноразмерных слоистых структур.Большой практический интерес представляет гетеро!эпитаксия германия на кремнии.
Такие гетеропереходыдают возможность создавать новые приборы наноэлектро!ники и оптоэлектроники, используя хорошо развитуюаРис. 8.26Вакансии фосфорана поверхности(100) nInP (a);граница двойниковой прослойки наповерхностивисмута (б)б250НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 8.27СТМизображениеостровков германияна поверхностикремния с ориентацией, близкой к (111)абРис. 8.28СТМизображениескола по плоскости(110) кристаллаGaAs, легированногоцинком (а); распределение примесныхатомов цинка(отмечены светлымиточками) (б)кремниевую технологию. На начальных стадиях гетероэпи'таксии атомы германия накапливаются в ячейках поверх'ностной структуры в виде кластеров.
При достижении не'которого критического размера кластеры начинают сливать'ся в треугольные островки (рис. 8.27). Предпочтительнымицентрами встраивания атомов германия на поверхностикремния являются границы зерен и края ступеней. Нарис. 8.27 видны цепочки островков — горизонтальныевдоль границ зерен, вертикальные у краев ступеней.Исследование полупроводниковых материалов и структур. Для технологических и научных целей представляетинтерес информация о том, насколько равномерно распре'делены атомы легирующей примеси в кристалле в нано'метровом масштабе. Обычно принимают, что вследствиекулоновского отталкивания атомы примеси распределяют'ся приблизительно равномерно. На рис. 8.28 показано СТМ'изображение легирующих атомов цинка в кристалле арсе'нида галлия. Изображение получено на поперечном сколекристалла в глубоком вакууме.
Можно видеть, что атомы251Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИцинка распределены в GaAs неравномерно и группируютсяв кластеры размером ~10 нм. Это — первое наблюдение кла%стеризации примесных атомов в нанометровом масштабе.На рис. 8.29 показано поперечное сечение несколькихn% и p%слоев шириной ~30 нм в кристалле GaAs (легирую%щими являются атомы кремния, замещающие атомы гал%лия, а также атомы углерода, замещающие атомы мышья%ка). Бугорки (кружочки) — атомы легирующей примеси,темные участки — области, обедненные носителями тока.Как видно на рисунке, атом примеси вблизи границы слоявызывает искривление границы; обедненная область нанекоторых участках распространяется через весь p%слой.Описанные эффекты могут в значительной степени огра%ничивать миниатюризацию полупроводниковых устройств.На рис. 8.30 дано СТМ%изображение поверхности (се%чения) гетероструктуры GaAS–AlGaAs.
Видны простран%ственные положения атомов мышьяка. Поверхность слоятвердого раствора AlGaAs имеет локальные неоднород%ности рельефа (светлые пятна), что может быть связано слокальными флуктуациями состава и адсорбцией кисло%рода. Переход от одного материала к другому (гетерогра%ница) происходит на расстоянии одного–двух атомныхслоев (стрелки на рис. 8.30).Рис.
8.30Рис. 8.29СТМизображение поперечного сечения чередующихся n иpслоев в арсениде галлияСТМизображение гетероструктуры GaAs–AlGaAs,выращенной методоммолекулярнолучевойэпитаксии; граница разделаотмечена стрелками252НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальность8.4.4.НАНОТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ СТММанипуляция атомами и молекулами. Зонд СТМ, находясь в непосредственной близости от поверхности (0,5–1 нм), взаимодействует с ее атомами. Это позволяет манипулировать отдельными атомами и молекулами, находящимися на поверхности твердого тела.Взаимодействие между зондом и образцом или адсорбатом на его поверхности может осуществляться посредством одного из трех механизмов:1) за счет дальнодействующих сил ВандерВаальса(сил взаимодействия между молекулами) или за счет короткодействующих сил химической связи на близких расстояниях;2) за счет сил электрического поля (в туннельном зазоре в области острия создаются поля до 108 В/см, что достаточно для вырывания атомов электрическим полем — полевое испарение);3) за счет неупругого туннелирования электронов. Пристолкновениях с атомами поверхности или адсорбата туннелирующие электроны вызывают электронное или колебательное возбуждение молекул, что может сопровождаться десорбцией, диссоциацией или изменением конфигурации молекул и даже позволяет производить синтез двухотдельных молекул в одну.Горизонтальное перемещение атомов.
Используютсясилы взаимодействия зонда с атомами поверхности. Схема перемещения приведена на рис. 8.31а. Зонд помещается над выбранным атомом адсорбата (положение 1) иподводится к нему на такое расстояние (2), чтобы силапритяжения атома к зонду оказалась достаточной для следования атома за зондом. Далее зонд перемещается до заданного положения (3), атом следует за ним.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
