Содержание к диссертации
Введение
1 Поверхностные фазы и их электрофизические свойства 10
1.1 Поверхностные фазы на кремнии 10
1.1.1 Описание кристаллической структуры поверхностных фаз. 11
1.1.2 Состав и свойства поверхностных фаз на кремнии 13
1.1.3 Роль поверхностных фаз в процессах на поверхности кремния 15
1.2 Электропроводность полупроводников 17
1.2.1 Основные сведения о электропроводности 17
1.2.2 Поверхностная проводимость 26
1.2.3 Механизмы проводимости 28
1.3 Электрическая проводимость поверхностных фаз Si( 100)2х 1, Si(l 11)7x7 35
1.4 Электрическая проводимость поверхностных фаз кремний- адсорбат 39
2 Экспериментальная установка и методы исследований. 51
2.1 Экспериментальная установка 51
2.2 Метод дифракции медленных электронов 55
2.3 Четырехзондовый метод измерения проводимости 61
2.4 Двухзондовый метод измерения проводимости 65
2.5 Подготовка образцов. 67
3 Автоматизация измерений проводимости 70
3.1 Метрология 70
3.2 Принципы построения автоматизированных систем сбора данных. 71
3.3 Система автоматизации измерений проводимости 73
4 Исследование электрической проводимости поверхностных фаз на кремнии 79
4.1 Измерение электрической проводимости поверхностных фаз 79
4.2 Измерение электрической проводимости поверхностных фаз Al/Si(100) 81
4.3 Исследование адсорбции Na на поверхностную фазу Si(lll)4xl-In 87
4.4 Измерение электрической проводимости одно- и трехдоменной поверхностной фазы Si(lll)5x2-Au 92
Основные результаты работы Ю1
Литература ЮЗ
- Состав и свойства поверхностных фаз на кремнии
- Электрическая проводимость поверхностных фаз Si( 100)2х 1, Si(l 11)7x7
- Четырехзондовый метод измерения проводимости
- Система автоматизации измерений проводимости
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время кремний является базовым материалом в технологии современных интегральных микросхем. В связи с уменьшением размеров полупроводниковых приборов в современной микро- и наноэлектронике оказалось, что влияние поверхности (поверхностных фаз) на физические параметры является существенным.
Кроме научного интереса, изучение физических явлений на поверхности полупроводников имеет большое практическое значение, поскольку глубокое понимание причин, приводящих к изменению поверхностных свойств, может стимулировать разработку принципиально новых полупроводниковых приборов и приемов по эффективной стабилизации параметров существующих полупроводниковых устройств. Так, за последние 30 лет развитие технологии производства полупроводниковых приборов позволило уменьшить размер затвора более чем в 1000 раз и по современным прогнозам его размер к 2010 году достигнет значений несколько нанометров, что потребует использования поверхностных явлений в создании элементов наноэлектроники с использованием, например, многослойных структур. Столь стремительное увеличение степени интеграции современных полупроводниковых приборов привело к увеличению внимания к процессам, происходящим на поверхности полупроводников, изучением которых занимается такая область физики конденсированного состояния - как физика поверхности.
Исследования упорядоченных поверхностных фаз (ПФ), сформированных на атомарно-чистой поверхности полупроводников, проводятся уже более чем 40 лет. С использованием таких методов изучения поверхности, как дифракция медленных электронов (ДМЭ), ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) и др., в том числе и самый современный - сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), уже проведено значительное количество исследований и к настоящему времени представлено большое количество публикаций о кристаллической и электронной структуре поверхностных фаз. Однако электрическая проводимость поверхностных фаз изучена еще явно недостаточно. Одной из главных причин этого является недостаточная проработанность методик определения электрофизических параметров ПФ. Дело в том, что измерение электрических свойств поверхностных фаз требуется проводить только в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ), когда исследователь имеет дело с атомарно-чистой поверхностью подложки. Вынос таких образцов на воздух приводит к разрушению кристаллической и электронной структуры поверхностных фаз, и, следовательно, к изменению их электрофизических параметров. Кроме того, пока остается неясным сам механизм поверхностной проводимости. Отсутствует ясное понимание роли поверхностных фаз в проводимости приповерхностных слоев монокристаллических полупроводников (в том числе и кремния) с адсорбатами.
Цель диссертационной работы. Целью работы было исследование электрической проводимости поверхностных фаз Si-Al, одно- и трехдоменной ПФ Si(lll)5x2-Au; влияния адсорбции атомов натрия на поверхностную фазу Si(lll)4xl-In.
Основные задачи:
1. Сконструировать четырех- и двух зондовую измерительные приставки для проведения электрических измерений в условиях сверхвысокого вакуума in situ.
2. Разработать систему автоматизации измерений электрической проводимости поверхностных фаз.
-6 3. Предложить методику измерения электрической проводимости поверхностных фаз Si-Al.
4. Исследовать влияние адсорбции атомов натрия на поверхностную фазу Si(l 11)4x1-In при комнатной температуре.
5. Исследовать влияние формирования однодоменных ПФ Si(lll)5x2-Au на электрическую проводимость.
Научная новизна работы:
- предложены оригинальные методики исследования электропроводности поверхностных фаз на кремнии в условиях СВВ.
- исследована электрическая проводимость субмонослойной системы Al/Si(100) и ПФ Si(100)-Al при комнатной температуре.
- исследовано изменение электрической проводимости подложки при адсорбции натрия на поверхностную фазу Si(l 1 l)4xl-In при комнатной температуре.
- исследована электрическая проводимость однодоменной ПФ Si(l 11)5x2-Au.
Практическая ценность.
Получены данные о электрической проводимости поверхностных фаз Si(100)2x2-Al и Si(100)c(4xl2)-Al, а также влиянии осаждения алюминия на электрическую проводимость данных поверхностных фаз. Исследована электрическая проводимость подложки кремния со сформированной поверхностной фазой Si(lll)4xl-In при адсорбции атомов натрия. Показано, что вклад в электрическую проводимость подложки однодоменной ПФ Si(lll)5x2-Au выше, чем трехдоменной ПФ Si(l 11)5x2-Au.
Результаты могут быть использованы для получения необходимых электрофизических свойств двумерных структур в полупроводниковой наноэлектро-нике и, в целом, для расширения представлений о механизмах электрической проводимости поверхностных фаз. Аппаратура, разработанная в процессе исследований, может использоваться для изучения условий формирования и электри -7 ческой проводимости поверхностных фаз в условиях низких, высоких и комнатных температур.
На защиту выносятся основные результаты диссертационной работы:
1. Осаждение алюминия при комнатной температуре на поверхностную фазу Si( 100)2x1 приводит к ее разрушению и уменьшению вследствие этого электрической проводимости.
2. Электрическая проводимость ПФ Si(100)2x2-Al не отличается от проводимости ПФ чистого кремния (100). Поверхностная фаза Si(100)c(4xl2)-Al имеет более высокую электрическую проводимость, чем ПФ Si( 100)2x1.
3. При осаждении натрия на поверхностную фазу Si(l 11)4x1-In электрическая проводимость уменьшается, что вызвано образованием ПФ Si(lll)4x2-(In, Na), которая обладает диэлектрическими свойствами.
4. Вклад однодоменной ПФ Si(lll)5x2-Au в электрическую проводимость подложки выше, чем трех доменной ПФ Si(l 11)5x2-Au.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы были представлены на конференциях:
1. Россия, Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, (1999), III региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов;
2. Россия, Владивосток, ВГУЭС, (2000), Вторая международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Высокие интеллектуальные технологии развития профессионального образования и науки";
3. Россия, Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, (2000), IV региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов;
4. Россия, Владивосток, ДВГУ, (2000), Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике;
-8 5. Россия, Санкт-Петербург, (2000), Вторая всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлек-тронике;
6. Germany, Physikzentrum Bad Honnef, (2001), WE - Heraeus - Seminar 2D Conductivity in Surface States and Nanolayers;
7. Россия, Владивосток, ВГУЭС, (2001), Третья международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научный потенциал ВУЗов - на развитие производительных сил Приморского края";
8. Belarus, Minsk, (2001), International conference "Nanomeeting-2001";
9. Россия, Хабаровск, (2001), Вторая региональная научная конференция "Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование";
10. Россия, Благовещенск, АТУ, (2002), IV международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых исследователей;
11. Россия, Владивосток, ВГУЭС, (2002), Четвертая международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых;
12. Russia, Vladivostok, (2002), Fifth Russian-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces;
13. Russia, Vladivostok, (2002), Second Asia-Pacific conference "Fundamental problems of opto- and microelectronics";
14. Россия, Санкт-Петербург, (2002), Вторая всероссийская конференция "Химия поверхности и нанотехнология";
15. Россия, Хабаровск, (2002), Международный симпозиум (II Самсоновские чтения) "Принципы и процессы создания неорганических материалов";
16. Россия, Москва, (2002), IV Международная научно-техническая конференция МИЭТ "Электроника и информатика-2002";
17. Россия, Владивосток, ПАПУ ДВО РАН, (2002), VI региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов;
18. Россия, Владивосток, ДВГУ, (2002), Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике.
-9 Публикации.
По теме диссертации опубликованы 4 статьи в научных журналах и 15 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 116 страниц, включая 48 рисунков, 1 таблица и список литературы из 111 наименований.
Состав и свойства поверхностных фаз на кремнии
Присутствие атомов адсорбата на поверхности не является главным требованием формирования поверхностных фаз т.к. приповерхностный слой атомарно-чистой подложки может формировать свои собственные поверхностные фазы [6-10]. Они имеют атомную геометрию, значительно отличающуюся от структуры соответствующей плоскости в объеме. Например, поверхность Si(lll), находящаяся в термодинамическом равновесии, имеет очень сложную структуру с периодом в семь раз большим, чем плоскость (111) объемного кремния. Одно-компонентные фазы также могут формироваться после осаждения атомов адсорбата на подложку в случае, когда они создают свою собственную фазу, не разрушающую поверхностную фазу подложки, и формируют слой атомов в потенциальном рельефе поверхностной фазе подложки, например ПФ Si(l 11)57x7-Ме. С дальнейшим увеличением покрытия поведение атомов адсорбата определяется энергией взаимодействия их между собой и с поверхностью 5-фазы. Атомы металла могут собираться в островки или равномерно распределяться по поверхности. Когда кинетическая энергия осаждаемых атомов выше некоторого порогового значения, поверхностная фаза кремния Si(l 11)7x7 разрушается и атомы металла замыкают оборванные кремневые связи, заполняя поверхность. При этом возможен случай, когда атомы адсорбата образуют сплошной слой со структурой (1x1), который в дальнейшем растет как эпитаксиальная пленка. Если кинетическая энергия осаждаемых атомов еще выше, может происходить перемешивание атомов кремния и адсорбата с образованием силицида.
Например, при осаждении Sb на нагретую подложку Si(lll) поверхностная фаза Si(l 11)7x7 разрушается атомами адсорбата, которые при этом не перемешиваются с атомами Si. Сформированная таким образом поверхностная фаза Si(lll)V3xV3-Sb является однокомпонентной поверхностной фазой Sb на подложке Si. Рис. 1.1. Двухкомпонентная (а) и трехкомпонентная ПФ (б). S-атом подложки, А-атом адсорбата, Аі-А2 - различные типы атомов адсорбата. Двух- и трехкомпонентные поверхностные фазы. Двухкомпонентная поверхностная фаза состоит из атомов адсорбата А и атомов подложки S, рис. 1.1а. Различают атомы "в фазе" и атомы "на фазе". Первый тип атомов относительно сильно связан с атомами подложки, определяет поверхностную реконструкцию и изменяет валентную полосу. Атомы второго типа слабо связаны с атомами подложки и не участвуют в реконструкции поверхности. В качестве адсорбата могут быть представлены атомы двух видов, в этом случае поверхностная фаза является трехкомпонентной, рис. 1.16. Кристалло графическая структура таких поверхностных фаз определяется энергией взаимодействия между атомами адсорбата, атомами Ai и А2, атомами адсорбатов Аь А2 и подложки, атомами подложки. В зависимости от соотношения этих энергий возможно вытеснение одного адсорбата другим, образование двумерных сплавов, замещение одного адсорбата другим адсорбатом в химическом соединении и диссоциация соединений на поверхности. Поверхностные фазы оказывают влияние на такие процессы на поверхности кремния, как десорбция и поверхностная диффузия [11]. Ярким примером может служить десорбция индия и поверхностная диффузия полоски золота [11, 12]. На рис. 1.2 показано изменение концентрации In и картин ДМЭ в течение изотермического отжига пленки толщиной около 10 МС на Si(lll) при температуре 450С и 500С. В результате отжига поверхность подложки была покрыта ПФ Si(lll)V7xV3-In и островками, занимающих около 5 % площади поверхности. Видно, что в течение первых 6 мин. отжига концентрация индия остается постоянной на уровне (Qn = 0,5), который приблизительно соответствует концентрации In в ПФ Si(lll)V7xV3-In. При этом десорбция атомов из поверхностной фазы компенсируется диффузией индия из островков. После исчезновения островков концентрация In начинает уменьшаться, но картина ДМЭ остается (1x1). Когда покрытие In достигает критической точки - наблюдается четко выраженный переход в "менее плотную" ПФ, рис. 1.2. Этот переход сопровождается ступенчатым уменьшением концентрации In из-за десорбции адатомов, которые не были задействованы в формировании новой ПФ. Таким образом, кинетика десорбции определяется последовательным перемещением ПФ характеризу емым различными энергиями связи атомов и адатомов с ПФ.
На рис. 1.3 показаны профили концентрации Аи после отжига полоски золота шириной 1 мм и толщиной около 10 МС при температурах 660С в течение 40 мин. (1.3а) и 900С в течение 8 мин. (1.36). В начальный период отжига из полоски золота формируются не связанные между собой трехмерные островки, покрывающие около 5 % поверхности. Оставшаяся часть поверхности покрыта ПФ Si(lll)V3xV3-Au, при этом атомы "на фазе" находятся в равновесном состоянии с островками. В течение отжига атомы "на фазе" диффундируют по направлению к чистой поверхности Si и когда достигается критическая концентрация - формируется поверхностная фаза. Профили (рис. 1.3) состоят из областей с различным наклоном и, как обнаружено ДМЭ, связаны с формированием ПФ и их суперпозицией. На этих ПФ только атомы "на фазе"являются подвижными в отличие от атомов "в фазе", которые относительно неподвижны. Т.к. каждая ПФ характеризуется своим значением постоянной диффузии, поэтому наклон диффузионных кривых различен, рис. 1.3а-б. Исследования показывают, что поверхностная диффузия в Si-In, Si-Ag [2] и других системах, также как и в рассмотренном случае, протекает путем формирования поверхностных фаз и диффузией атомов "на фазе" по этим ПФ. Возникновение электрического тока в металле связано с дрейфом носителей заряда во внешнем электрическом поле [13, 14]. Согласно зонной теории твердых тел необходимым условием существования электропроводности кристаллов является наличие в их энергетической диаграмме частично заполненных электронами энергетических зон. При Т=0 К газ электронов в кристалле полно стью заполняет все состояния внутри изоэнергетической поверхности в к-пространстве, соответствующей энергии Ферми. Поверхность Ферми отделяет при Т=0 К область занятых электронных состояний в k-пространстве от области, в которой электронов нет. Для газа свободных носителей заряда поверхность Ферми представляет собой сферу, положение центра которой в начале системы координат, говорит о том, что направленный перенос заряда в этом состоянии, которое называют равновесным, отсутствует. Импульс электрона связан с его волновым вектором (к) соотношением:
Электрическая проводимость поверхностных фаз Si( 100)2х 1, Si(l 11)7x7
Henzler и др. одними из первых предприняли попытку изучения электрической проводимости поверхностных фаз чистого кремния с ориентацией (111) в условиях сверхвысокого вакуума [16]. Эксперименты проводились на образцах монокристаллического кремния j -типа с сопротивлением 10 000 Ом-см. Эксперимент состоял в измерении поверхностной проводимости при комнатной температуре оттоженного при различных температурах образца (рис. 1.7). Видно, что при температуре отжига 370С поверхностная проводимость достигает минимума. При этом картина ДМЭ показывала сильный уровень фона. Когда обра зец отжигался при температуре 400С, наблюдалось повышение проводимости и картина ДМЭ показывала структуру (7x7). В данной работе сделано заключение о том, что скачок поверхностной проводимости вызван изменением распределения поверхностных состояний. Что, в свою очередь, приписывается изменением в периодичности поверхности или изменению границ доменов сверхструктуры. Kwonjae и др. в работе [17] представили результаты исследований поверхностной проводимости подложек Si(100) л-типа, а также кремния (100) и (111) сформированного на изоляторе (SOI), рис. 1.8. Показано, что экспозиция в кислороде уменьшает проводимость ПФ Si(100)2xl, SOI(100)2xl (рис. 1.8) и SOI(l 11)7x7 (рис. 1.9). Уменьшение поверхностной проводимости объясняется авторами частичным разрушением зон поверхностных состояний как в случае Si(l 11)7x7, так и Si(100)2xl. Рис. 1.9. Изменение проводимости при экспозиции Si(l 11) в атмосфере кислорода [17]. Рис. 1.10. Изменение проводимости при экспозиции подложек Si(100) и Si(lll) в атмосфере кислорода [19]. Данное исследование подтверждает проведенные ранее измерения проводимости в течение экспозиции ПФ Si(l 11)7x7 в атмосфере кислорода, проведенные в работе [18]. Petersen и др. в работе [19] после исследования экспозиции ПФ Si( 100)2x1 и Si(l 11)7x7 в атмосфере кислорода (рис. 1.10) предположили, что изменения в проводимости для Si( 100)2x1 связаны с шероховатостью поверхности. В случае Si(l 11)7x7 резкое увеличение проводимости с максимумом при уровне экспозиции 77 Л соотносится с формированием "молекулярного прекурсора" к распаду кислорода.
Существование прекурсора связывается с необычно низкой работой выхода. Поэтому уровень Ферми расположен очень близко к максимуму валентной зоны и, таким образом, обедненный слой ниже поверхности (7x7) может изменяться на высоко проводящий обогащенный слой. Изучение электрической проводимости поверхностных фаз является важным направлением для нахождения корреляции между их электронной и кристаллической структурой, и позволяет, при использовании современных средств исследований, проследить динамику процессов на поверхности твердых тел. Первая попытка изучения электрофизических свойств ПФ, таких как слоевое- и магнитосопротивление ПФ Si(lll)lxl-In и Si(lll)V3xV3-Cr при температурах от 1,2 К до 300 К предпринята в работе Gasparov и др. [20]. Образцы были покрыты слоем аморфного кремния порядка 20 А. Установлено, что подвиж-ность носителей при 50 К составляла 3-10 см /Вс. Результаты измерений проводимости при напылении In на ПФ Si(l 11)7x7 и Si(lll)V3xV3 -In при различных температурах представлены в работе Takeda и др. [21]. Использовались подложкир-типа легированные В с сопротивлением 20 Ом -см. При осаждении In при комнатной температуре на ПФ Si(l 11)7x7 вплоть до уровня покрытия 40 МС, также как и при температуре подложки 100 К до покрытия 2 МС, не было зафиксировано изменений в проводимости и структуре поверхности. На рис. 1.11 показано изменение проводимости при осаждении In на ПФ Si(lll)V3xV3-In при КТ. ПФ Si(l 11)л/3хл/3-1п получена осаждением 1/3 МС In на поверхность Si(lll) при температуре 800 К. Изменения в ходе кривой (А и В) связываются с наблюдаемыми фазовыми переходами (V3xV3)-»(2x2) и (lxl)- (V7xV3), соответственно. Изменение проводимости Аа для ПФ составило (2x2) - (2,3±0,1)х10"5 См/П и (л/7х 3) - (3,8±0,2)х10"4 См/D, В тоже время изменение Aasc составило (2,3±0,3)х10"6 См/П и (1,2±0,4)х10 5 См/П, соответственно, относительно ПФ Si(lll)"v3xV3-In. Авторы работы делают вывод - основной вклад в проводимость вносит проводимость через атомные слои индия, не исключая вклад проводимости через слой пространственного заряда. Gasparov и др. [22] показали, что ПФ Si(lll)lxl-In имеет более высокую проводимость, чем ПФ чистого кремния (111). Из зависимостей проводимости от температуры ПФ Si(lll)lxl-In сделан вывод о полупроводниковых свойствах ПФ Si(lll)lxl-In при температурах ниже 50 К. Не было зафиксировано различий в электрической проводимости поверхностных фаз Si(lll) /3xV3-In, Si(l ll)4xl-In и nOSi(l 11)7x7. Заслонка закрыта Hasegawa и др. [23] установили, что при напылении Ag при КТ на ПФ Si(l 11)7x7 сопротивление вначале быстро увеличивается, но затем падает при покрытии около 3 МС, рис. 1.12. Изменения в сопротивлении объясняются авторами появлением сначала микрокристаллов, которые, перекрываясь, образуют перколяционные пути, формирующие канал проводимости. При осаждении при КТ атомов серебра на ПФ Si(lll)V3xV3-Ag [23] сопротивление изменяется скачком и затем медленно падает при покрытии до 4 МС, рис. 1.13.
Наблюдаемый процесс роста микрокристаллов, происходящий в данном случае, вызван большой подвижностью атомов серебра на ПФ Si(lll)V3xV3-Ag и их диффузией по поверхности, с образованием двумерного адатомного газа. С увеличением покрытия серебра эти адатомы собираются в островки, а оставшаяся часть поверхности покрыта ПФ Si(lll)V3xV3-Ag. Двумерный газ адатомов [15] представляет новый тип двумерной системы на поверхности, который, в отличие от ПФ, существует в термодинамически неравновесных условиях. Изменение электрической проводимости при напылении серебра на ПФ Si(l 1 l)V3xV3-Ag при 200 К показано на рис. 1.14 [24]. Как и в случае напыления Аи и Си на ПФ Si(lll)V3xV3-A g при КТ [23, 24] наблюдается формирование сверхструктуры (V21xV21) при покрытии 0,14 МС и связанное с этим увеличение проводимости. Если температура подложки составляет 158 К при покрытии более 0,14 МС, наблюдается появление структуры (6x6) и соответствующее повышение сопротивления, рис. 1.15 [28]. Исследования, проведенные Nakajima и др. [25] выявили существенное влияние типа пластин на электрическую проводимость сформированных на них ПФ кремний-адсорбат. Электрическая проводимость ПФ V3xV3-Ag на (115±5)х10"6 См/п дпяр-тиш пластин и на (38±8)х10"6 См/п для и-типа больше проводимости ПФ Si(l 11)7x7.
Четырехзондовый метод измерения проводимости
Применение четырехзондового метода обусловлено его высокими метрологическими показателями и простой конструкции измерительных средств. Сущность метода заключается в следующем [46-53]. На поверхности образца вдоль одной линии размещаются четыре зонда (рис 2.5). Через крайние зонды (1 и 4)(рис. 2.5) пропускается ток I, между средними зондами (2 и 3) измеряется падение напряжения U [46]. Для полубесконечного образца, когда d (TOnnniHa), Si,S2,S3, растекание тока в полупроводнике имеет сферическую симметрию закон Ома и выражение для плотности тока J: где А - постоянная интегрирования. Потенциалы в точках контактов 2 и 3 вычисляются сложением потенциалов от обоих токовых зондов 1 и 4 с учетом знака, определяемого направлением тока: таким образом, разность потенциалов между зондами 2 и 3: При измерениях могут применяться различные комбинации включения зондов, но наиболее предпочтительным является применение крайних зондов в качестве токовых и внутренних - потенциальных. Для образцов простой геометрической формы, когда линия зондов ориентирована вдоль осевой линии, парал лельной наибольшей стороне уравнение для удельной проводимости приобретает следующий вид: где G - размерный коэффициент, зависящий от формы образца, d - толщина образца [46]. При проведении измерений четырехзондовым методом возникают погрешности: связанные с отклонением реальной физической модели метода от положенной в основу расчета; измерения, входящих в расчетную формулу; случайные, зависящие от условий и режимов эксперимента. Наиболее существенные из них следующие: а) Напряжение.
Погрешность измерения напряжения связана с ответвлени ем тока через потенциальные зонды в измерительную цепь. Данная погрешность может быть значительно уменьшена применением измерительной аппаратуры с сопротивлением не менее 100 МОм. б) Ток. При проведении измерений образец может нагреваться, что приве дет к изменению проводимости. К тому же, неравномерное нагревание может привести к появлению градиента температуры, что вызовет на потенциальных зондах продольную термоЭДС. Чтобы исключить данный вид погрешности, ток через образец выбирают минимально возможным, обеспечивающим, однако, достаточную точность. в) Контактные площадки. Приведенные выше модели справедливы при ус ловии, что все зонды имеют точечный контакт с поверхностью образца. На прак тике данное условие не выполняется, и в результат измерения вносится погреш ность. Формулы (2.20) и (2.21), соответственно, описывают систематическую погрешность при возникновении контактной площадки под одним из потенци альных или токовых зондов. При условии, что все четыре контакта не являются точечными и образуют контактные площадки, результирующую погрешность оценивают как сумму составляющих (2.20) и (2.21). Наряду с четырехзондовым методом, для измерения удельной электрической проводимости широко применяется двухзондовый метод [46 ]. Схема измерений двухзондовым методом показана на рис. 2.6. Через торцевые грани образца с нанесенными на них омическими контактами пропускается электрический ток. Вдоль линии тока на поверхности образца размещаются два зонда, между которыми измеряется разность потенциалов.
Удельная проводимость образца: размерный коэффициент; I - ток через образец; U - разность потенциалов между зондами. В самом неблагоприятном случае, когда контакты на торцевых гранях образца точечные и растекание тока охватывает наибольший приконтактный объем образца, погрешность не превышает значения 0,5 % [46]. При этом должны соблюдаться условия L 3b, b/2 d b, s L/2, где L - длина образца; b - ширина образца; d - толщина образца. С учетом данных условий удельная проводимость образца простой геометрической формы, когда линия зондов ориентирована вдоль осевой линии параллельной наибольшей стороне, описывается выражением: В целом способы устранения погрешностей те же, что и в случае применения четырехзондового метода. Высокая чувствительность двух- и четырехзондового методов позволяет их использовать для измерения электрической проводимости очень тонких структур (порядка нескольких монослоев), в том числе и поверхностных фаз.
Система автоматизации измерений проводимости
Для того, чтобы успешно выполнить поставленные задачи была разработана и изготовлена система автоматизации измерений проводимости. Функциональная схема системы автоматизации измерений проводимости поверхностных фаз представлена на рис. 3.1. С выхода управляющего блока на токовые зонды подается ток -50...+50 мкА. С потенциальных зондов снимается возникающая разность потенциалов и подается на инструментальный усилитель. Инструментальный усилитель (рис. 3.2) предназначен для повышения входного сопротивления системы до нескольких ГОм (10 Ом) и приведения уровня сигнала до уровня чувствительности измерительного блока платы сбора данных. Построение схемы по дифференциальному типу [66] позволяет, при использовании прецизионных операционных усилителей, добиться подавления синфазного сигнала более чем на 100 дБ (10 раз) и обеспечить дрейф напряжения смещения менее ЮмкВ. Для упрощения конструкции R-2=R3 и R4=R.5=R6=R7- Коэффициент усиления определяется формулой:
Плата сбора данных обеспечивает преобразование аналогового сигнала, поступающего с инструментального усилителя, в цифровой код, передаваемый через интерфейс в программу управления и управление током, подаваемого на токовые зонды. Основные характеристики платы, определяющие показатели точности и быстродействия, следующие: 1) Аналогово-цифровой преобразователь. Масштабируемость системы автоматизации обеспечивается наличием на плате сбора данных: 8 цифровых входных ТТЛ (транзистор-транзисторная логика) линий и 8 выходных ТТЛ линий, при помощи которых можно управлять внешними устройствами, осуществлять цифровую синхронизацию ввода и т. п.; трех счетчиков-таймеров (интегральная микросхема 580ВИ53) с кварцевой стабилизацией 1 МГц, при помощи которых осуществляется программная синхронизация ввода и генерирование прерываний IRQ. Первый и второй счетчик являются 16 битными каскадно-соединенными счетчиками. Счетный вход третьего канала выведен на внешний разъём для возможности внешней синхронизации процессов ввода и вывода. Общий вид программы управления измерений проводимости изображен на рис. 3.3. Окно программы разделено на четыре области: I - вывода вольт-амперной характеристики последнего измерения, II - вывода данных о электрической проводимости и ошибке измерений, III - вывода данных о изменении электрической проводимости от времени, IV - вывода данных о изменении электрической проводимости от времени в крупном масштабе. В таблице 3.1 приведено описание символов, представленных на рис. 3.3, и функциональных клавиш. Программная часть системы автоматизации измерений работает следующим образом.
Программа управления (подпрограмма высокого уровня), после запуска и после каждого измерения, проверяет подвод зондов. Если зонды под ведены, программа управления запускает подпрограмму низкого уровня, которая проводит анализ вольт-амперной характеристики образца, сохраняя данные в промежуточный файл данных. Затем программа управления, используя данные промежуточного файла данных, выводит вольт-амперную характеристику, рассчитанные значения электрической проводимости, абсолютную и относительную ошибки измерений и некоторые другие данные, которые сохраняются в файл данных "время эксперимента.ёаг". В данной главе сформулированы цели автоматизации эксперимента и принципы построения автоматизированных систем сбора данных, описана аппаратная и программная части разработанной системы автоматизации измерений электрической проводимости. В данной главе приведена методика измерения электрической проводимости поверхностных фаз. Представлены результаты экспериментальных исследований: электрической проводимости субмонослойной системы Al/Si(100) и поверхностных фаз Si(100)-Al, влияния напыления натрия на ПФ Si(l 11)7x7 и Si(l 1 l)4xl-In, одно- и трехдоменной ПФ Si(l 11)5x2-Au. Известно, что поверхностные фазы имеют конечную толщину в зависимости от свойств, по отношению к которым дается оценка. Например, ПФ изменяет не только кристаллическую структуру поверхности подложки, но и электронную структуру приповерхностной области до некоторой глубины, которая может отличаться от геометрической толщины ПФ. Эту приповерхностную область также необходимо относить к области существования ПФ.
![Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1](/i/i/4447/279640.png "Электрические и магнитные свойства многослойных наноструктур (CO#45#1Fe#45#1Zr#310#1/[А]-Si:H)#3n#1 и (Co#345#1Fe#345#1Zr#310#1)#335#1(Al#32#1O#3m#1)#365#1/[А]-Si:H)#31n#1 Королев Константин Геннадьевич")
