2
Оглавление
Введение 4
Глава 1. Литературный обзор 16
§ 1.1 Основы сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии . 16 § 1.2 Исследование низкочастотной составляющей спектральной
плотности туннельного тока вида 1 //".......................19
§ 1.3 Изучение локальной плотности состояний в присутствии
примесных атомов и дефектов поверхности.....................28
§ 1.4 Атомарно-чистая поверхность скола (110) полупроводниковых
соединений типа Л3Д5........................................34
§ 1.5 Краткие выводы ............................................39
Глава 2. Исследование низкочастотной составляющей
спектральной плотности туннельного тока вида 1//° на поверхности скола кристалла In As (110) методом СТМ/СТС 40
§ 2.1 Экспериментальная установка................................40
§ 2.2 Методы получения чистой поверхности (110)..................42
§ 2.3 Система для скалывания образцов in situ....................43
§ 2.4 Результаты эксперимента....................................46
§ 2.5 Краткие выводы ............................................56
Глава 3. Теоретическое исследование низкочастотной
составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1 /fa при туннелировании через зарядовые локализованные состояния 58
§ 3.1 Формирование низкочастотных сингулярных особенностей в спектре туннельного тока при туннелировании через одно зарядовое локализованное состояние в области туннельного контакта.........................................................58
3
§ 3.2 Формирование низкочастотных сингулярных особенностей в спектре туннельного тока при туннелировании через два. зарядовых локализованных состояния в области туннельного
контакта........................................'..........69
§ 3.3 Сопоставление теоретических расчетов с результатами
эксперимента ..............................................88
§ 3.4 Краткие выводы............................................92
Глава 4. Теоретическое исследование спектральной плотности туннельного тока в широком диапазоне частот при туннелировании через два зарядовых локализованных состояния 93
§ 4.1 Формирование высокочастотных сингулярных особенностей в спектре туннельного тока при туннелировании через зарядовые
локализованные состояния...................................93
§ 4.2 Сдвиг низкочастотной сингулярной особенности в спектре туннельного тока в высокочастотную область при туннелировании через зарядовые локализованные состояния . . 100 § 4.3 Краткие выводы.............................................109
Глава 5. Исследование пространственного распределения локальной плотности на поверхности
полупроводниковых кристаллов в присутствии локализованных состояний 111
§ 5.1 Изменение локальной плотности поверхностных состояний под действием локализованного состояния, образованного
примесным атомом............................................111
§ 5.2 Туннельная спектроскопия в окрестности примесных атомов . . 123 § 5.3 Влияние потенциала доменной стенки, на локальную плотность
поверхностных состояний.....................................126
§ 5.4 Краткие выводы.............................................132
Заключение 133
Литература
136
4
Введение
Актуальность темы диссертации. В настоящее время одним из наиболее развивающихся и передовых разделов науки является исследование физических процессов, происходящих в микро- и наноструктурах и системах с пониженной размерностью, в том числе и процессов, происходящих на поверхности. Туннельные явления в полупроводниковых и металлических микро- и наноструктурах являются объектом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований в течение нескольких десятилетий [1|. Благодаря исследованиям, проводимым в этой области, был сделан большой вклад в развитие современной микро- и наиоэлектроники, основанной па использовании эффектов изменения локальной электронной структуры вблизи примесных атомов и дефектов.
В настоящее время в связи с постоянным уменьшением размеров базовых элементов в твердотельной ианоэлектронике, принципы работы которых основаны на эффектах изменения локальной плотности состояний вблизи поверхностей раздела или же связанных с наличием примесных атомов или дефектов, встает фундаментальная проблема влияния зарядовых локализованных состояний, образованных низкоразмериыми структурами на поверхности элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений, на туннельные процессы. С уменьшением размеров области туннельного контакта и понижением размерности исследуемых систем зарядовые) локализованные состояния, образованные примесными атомами или дефектами кристаллической решетки, значительно влияют на кинетические и статистические свойства туннельных характеристик системы, а также приводят к изменению ее спектра и плотности состояний.
Наличие локализованных состояний в области контакта и их взаимодействие с состояниями непрерывного спектра в берегах туннельного контакта может приводить к сильному искажению иевозмущенной плотности состояний исследуемой системы, так как радиус локализации примесных состояний становится сопоставимым как с
межатомными расстояниями, так и с размерами самого туннельного контакта. Это подтверждается экспериментами по исследованию различных твердотельных структур методом сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии (СТМ/СТС) (2-6].
В настоящее время СТМ/СТС является одним из наиболее распространенных и совершенных методов при исследовании кинетических и статистических характеристик структур с пониженной размерностью, свойств различных поверхностей, а также изолированных и взаимодействующих примесных состояний на поверхности [7]. Сканирующая туннельная микроскопия/спектроскопия дает возможность идентифицировать изолированные примеси но топографическому СТМ изображению и по виду характерных особенностей в спектрах туннельной проводимости 11,8,9].
В процессе исследований с применением методов СТМ/СТС в области туннельного контакта возникает неравновесное распределение туннелирующих частиц. Следовательно, рассмотрение процессов туннелирования с использованием равновесной функции распределения в туннельном контакте становится непригодным. В этом случае для теоретического описания туннельных процессов можно применять диаграммную технику для неравновесных процессов, которая позволяет учесть самосогласованным образом как перенормировку исходного спектра исследуемой системы, вызванное туннелированием через зарядовые локализованные состояния и межчастичным кулоповским взаимодействием, так и релаксацию неравновесных частиц [10]. Несмотря на значительный прогресс в области теоретических и экспериментальных исследований туннельных явлений, вопросы, связанные с изучением возмущений в плотности состояний в присутствии зарядовых локализованных состояний, образованных примесными атомами и дефектами па исследуемой поверхности, остаются актуальными и в настоящее время.
Необходимо отметить, что наряду с неоспоримыми достоинствами сканирующей туннельной хмикроскопии/спектроскопии, такими как высокое пространственное разрешение (достигающее 0,01 А по нормали к поверхности образца и 0,1А в плоскости поверхности) и возможность проводить измерения зависимости туннельного тока от расстояния и от напряжения на туннельном переходе, существует значительное
о
фундаментальное ограничение, влияющее на точность позиционирования зонда микроскопа и, следовательно, на качество результатов, полученных с помощью СТМ/СТС. Этим ограничением является фликкер шум [11,12]. Низкочастотный шум со спектром 1//'*, генерируемый переходом, доминирует над другими шумовыми источниками в СТМ и имеет определяющее значение для чувствительности и разрешающей способности сканирующего туннельного микроскопа в области низких частот. Точность позиционирования зонда с помощью пьезоэлектрического манипулятора сканирующего туннельного микроскопа составляет десятые доли ангстрема. Шум туннельного тока может ограничивать точность измерения смещения иглы на уровне нескольких ангстрем. В рабочей области частот СТМ фликкерные флуктуации туннельного тока намного превышают тепловой и дробовой шумы туннельного контакта.
В настоящий момент несмотря на значительное число экспериментальных [13-24] и теоретических работ [25-45], посвященных исследованию этого явления, природа шума со спектром 1//'* до конца не изучена. Учитывая современное состояние исследований процессов туннелирования при наличии в области контакта зарядовых локализованных состояний, можно сформулировать цель диссертационной работы.
Целыо диссертационной работы является: экспериментальное и теоретическое исследование влияния межчастичпого взаимодействия неравновесных электронов на статистические свойства и кинетику туннельных процессов в присутствии зарядовых локализованных состояний в области туннельного контакта сверхмалых размеров, образованных индивидуальными примесными атомами или дефектами на поверхности полупроводниковых микро- и наноструктур, а также в структурах с пониженной размерностью.
Для достижения поставленной цели были рассмотрены следующие локальные задачи:
1. Экспериментальное исследование низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1 //'* на чистой поверхности ІпАв (110), а также изучение шумовых характеристик над изолированными примесными атомами на сколотой поверхности монокристаллов іпАб с п- и р- типами объемной проводимости в
7
условиях сверхвысокого вакуума методом сканирующей туннельной микроскопии. Выявление зависимости низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока от зарядового состояния примесного атома.
2. Создание теоретической модели, позволяющей на микроскопическом уровне выявить влияние многочастичных эффектов при изменении зарядов локализованных состояний в области туннельного контакта на формирование сингулярных особенностей в спектральной плотности туннельного тока в широком диапазоне напряжений смещения на туннельном контакте. Изучение механизма возникновения низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1//а, с помощью предложенной модели.
3. Исследование особеиостей туннельных характеристик связанных с влияияием отдельных локализованных состояний, образованных примесными атомами, дефектами или низкоразмерными структурами, на локальную плотность состояний как в равновесном, так и в неравновесном случае.
Научная новизна:
• Предложена и развита экспериментальная методика измерений низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1//л на поверхности полупроводников методом сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии с отключенной обратной связью.
• Предложена и исследована теоретическая модель, позволяющая на микроскопическом уровне объяснить сингулярное поведение низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1//а. В рамках данной модели, с помощью диаграммной техники для неравновесных процессов, учтены многочастичные эффекты возникающие при резком включении кулоновского взаимодействия между зарядовыми локализованными состояниями
8
в туннельном контакте и электронами в состояниях непрерывного спектра. Предсказанное с помощью данной модели поведение спектральной плотности туннельного тока согласуется с экспериментальными данными, полученными методом сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии.
• В результате теоретических и экспериментальных исследований влияния одиночных примесных атомов и дефектов поверхности на невозмущенную плотность состояний непрерывного спектра выявлены новые особенности пространственного распределения локальной электронной плотности вблизи примесных атомов и дефектов поверхности и проанализирован характер изменения особенностей при удалении от примесных атомов.
Научная и практическая ценность В настоящей работе разработана и апробирована методика измерений низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1//и на поверхности полупроводников методом сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии.
Представленная методика измерений и теоретическая модель, описывающая формирование в области туннельного контакта низкочастотного шума со спектром 1//а, дают принципиальную возможность для идентификации типов различных примесных атомов и их зарядовых состояний но особенностям низкочастотной составляющей спектров туннельного тока.
Проведенное в работе исследование влияния изолированных примесных атомов и дефектов поверхности на локальную плотность состояний систем нанометровых размеров имеет принципиальное значение для определения и исследования свойств приборов в твердотельной электронике.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методом сканирующей туннельной микроскопии/спектроскопии исследована низкочастотная составляющая спектральной плотности туннельного тока вида 1//". Выявлена зависимость низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока от
9
зарядового состояния примесных атомов на поверхности (110) монокристалла ІпАз с п- и р- типами объемной проводимости.
2. Предложена и проанализирована теоретическая модель, описывающая на микроскопическом уровне сингулярное поведение низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1//а при туннелировании электронов через зарядовые локализованные состояния. Показано, что 1//а компонента спектральной плотности туннельного тока связана с изменением зарядов локализованных состояний при протекании туннельного тока, приводящим к резкому включению кулоновского потенциала, па котором происходит многократное рассеяние электронов непрерывного спектра.
3. Найдены области значений напряжений смещения на туннельном контакте, при которых происходит возникновение высокочастотных сингулярных особенностей в спектре туннельного тока и смещение низкочастотных сингулярных особенностей в высокочастотную область при туннелировании электронов через зарядовые локализованные состояния.
4. Выявлена определяющая роль локализованных состояний, образованных индивидуальными примесными атомами, в формировании туннельных характеристик в системах с пониженной размерностью и в структурах с характерными размерами сравнимыми с радиусом локализации одиночных примесей в широком диапазоне напряжений смещения на туннельном контакте.
5. Теоретически проанализировано влияние примесных атомов и дефектов на поверхности полупроводников на локальную плотность состояний непрерывного спектра при изменении расстояния от примеси. Обнаружен осциллирующий характер зависимости локальной плотности состояний непрерывного спектра от напряжения смещения на туннельном контакте в окрестности примесных атомов и дефектов поверхности.
Обоснованность и достоверность результатов
10
Результаты, представленные 15 диссертации, получены па основе многократно повторенных экспериментов, проведенных па современном научном оборудовании с использованием современных методов обработки экспериментальных данных. Экспериментальные данные подтверждены теоретическими расчетами, основанными на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, а также не противоречат результатам других групп исследователей. Результаты экспериментальных и теоретических исследований неоднократно обсуждались на семинарах и докладывались на специализированных конференциях но проблемам, связанным с тематикой диссертационной работы. Большая часть результатов опубликована в международных и российских научных журналах. Это позволяет считать полученные результаты обоснованными и достоверными, а также полностью отвечающими современному мировому уровню исследований. Большинство представленных результатов являются новыми и получены впервые.
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 147 страниц, включая 60 рисунков. Список литературы содержит 121 наименование.
Во введении дана общая характеристика диссертации: обоснована актуальность темы; сформулированы цели работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов; перечислены основные положения, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации результатов, основных публикациях, объеме и структуре работы.
В главе 1 проведен анализ литературных данных по экспериментальному и теоретическому исследованию туннельных характеристик в полупроводниковых микро- и наноструктурах. Проанализированы основные свойства поверхности скола (110) полупроводниковых кристаллов типа. А-дВ^. Приведены результаты исследований поверхности методами СТМ/СТС, ДМЭ и фотоэмисионной
11
спектроскопии, а также результат!,т теоретических расчетов. Продемонстрированы основные результаты исследования низкочастотного шума туннельного тока вида 1//а на поверхности полупроводников методом СТМ/СТС.
Литературный анализ позволил сделать вывод, что физическая природа и микроскопические причины такого вида функции распределения вероятностей до сих пор нс изучены, несмотря на интенсивные исследования. Единичные экспериментальные работы посвящены локальному исследованию низкочастотной составляющей спектра туннельного тока вида I//а в туннельном контакте нанометрового размера методом СТМ/СТС в окрестности зарядовых локализованных состояний. Большинство экспериментальных исследований низкочастотного шума в туннельном контакте выполнены при низких температурах в мезоскопических образцах при атмосферном давлении. В редких экспериментах, выполненных при комнатных температурах в условиях сверхзысокого вакуума, измерения проводились с отключенной системой обратной связи. Основная часть теоретических работ но исследованию низкочастотного шума со спектром 1//° выполнена для модельных мезоскопических систем со специальным образом подобранной геомерией. Спектральная плотность туннельного тока расчитывается на нулевой частоте, в малом числе работ проведены исследования спектральной плотности туннельного тока в широком диапазоне частот.
Проанализированы данные по исследованию локальной плотности состояний в присутствии примесных атомов, дефектов и низкоразмерных структур на поверхности. Показано, что при расчетах локальной плотности состояний обычно рассматривают вклад, обусловленный локализованными состояниями, и пренебрегают вкладом от плотности состояний непрерывного спектра, учет которого может приводить к значительным изменениям в локальной плотности состояний.
Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1//а над изолированными примесными атомами на поверхности скола (110) кристаллов ЬАэ и над чистой поверхностью кристаллов 1пАя в условиях сверхвысокого вакуума методом СТМ/СТС. Рассмотрены основные способы приготовления чистой поверхности, и объяснен выбор метода, скалывания кристалла вдоль одной из атомарных плоскостей для
12
приготовления чистой поверхности. Описана конструкция устройства, созданного для скалывания монокристаллов полупроводников in situ в условиях сверхвысокого вакуума.
Предложена и апробирована методика локальных измерений низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока. Экспериментально продемонстрирована зависимость н изкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока от зарядового состояния примесных атомов на поверхности (110) монокристаллов InAs с п- и р- типами объемной проводимости. Показано, что при удалении от локализованного состояния, образованного примесным атомом, значение показателя степени может как увеличиться, так и уменьшиться по сравнению со значением, измеренным над примесным атомом.
Глава 3 посвящена теоретическому исследованию низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока. Предложена теоретическая модель, учитывающая многочастичное взаимодействие электронов проводимости с включающимся кулоновским взаимодействием между локализованными состояниями в области туннельного контакта, которая позволяет объяснить сингулярное поведение низкочастотной составляющей спектральной плотности туннельного тока вида 1 //°.
Для объяснения результатов, полученных при экспериментальном измерении над чистой поверхностью, рассмотрены процессы туннелирования электронов через одно локализованное состояние, образованное ближайшим к поверхности атомом или группой атомов па острие зонда СТМ. Для случая, когда измерения проводятся над изолированным примесным атомом, теоретическая модель описывает процессы туннелирования электронов через два зарядовых локализованных состояния в области туннельного контакта. Одно из локализованных состояний образовано примесным атомом, а второе расположено на острие зонда СТМ.
Проведено сопоставление теоретических расчетов с экспериментальными результатами. Показано, что предложенная теоретическая модель позволяет описать экспериментальные результаты качественно и количественно.
Глава 4 посвящена анализу высокочастотных особенностей в спектральной плотности туннельного тока при туннелировании электронов через зарядовые локализованные состояния в области туннельного
- Київ+380960830922