автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Локальная диагностика объектов микро-, нано- и оптоэлектроники в вакууме, газе и жидкости методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии

V' ЧЧ--1 я

-••Л • / <-,/ г? .)

^РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ АНАЛИТИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

УДК 537.533.35+543.43:621.383.8+62!.382^81.48

ГОЛУБОК Александр Олегович

;' } ; \

Локальная диагностика объектов микро-, йацЬ-и оитоэлектроники в вакууме, газе и жидкости методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии

Специальность 05.27.01 — твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроиика Специальность 01.04.01— техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

х' о?

' на соискайпе ученой степенййУ '

доктора физико-математических наук в виде научного доклада

Санкт-Петербург 1999

Официальные оппоненты:

—д.ф.-м.н., профессор И.А. Аброяи, -—д.ф.-м.н., профессор В.К. Адамчук, — д.ф.-м.н., профессор Г.Н. Фу реей

Ведущая организация: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится 5 марта 1999г.в 16час.00 мин. вауд. 51 Химического корпуса на заседании диссертационного совета Д063.38.25 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29.

С материалами диссертации в виде научного доклада можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета

^ РОССИЙСКАЯ ГОСВДАРСТ&Ш.дя библиотека

( } <

Диссертация в виде научного доклада разослана февраля 1999 г,

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н., профессор

^ 3 -

Б.Е. Саморуков.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ_:____4

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ___ ' - _:-13

2.1. Инструиентальвые и методические основы СТМ__13

2.1.1.Диапюстнческие возможности СТМ-мегода_ -_;__

2.1.2.0бщие замечания о конструкции физического узла __М

2.1.3. Узел микросканирования_■ __ 1®

2.1.4. Узел сближения зонда и образца_:_

2.1.5. Аппаратные средства_____"

2.1.6. Программное обеспечение, режимы СТМ-эксперимента__20

2.1.7. Диагностика физического узла СТМ ___—-24

2.1.7.1.Калибровка узла микросканирования _;_1__24

2.1.7.2. Калибровка узла ближения____15

2.1.7.3.Измерение термодрейфа _ ' _;____—-26

2.1.7.4. Измерение собственной резонансной частоты физического узла __26

2.2. СТМ-экспернмент при атмосферном давлении_^_27

2.2.1.Общие замечания__!----27

2.2.2. Конструкции физических узлов__:-27

2.2.2.1.Активная компенсация термодрейфа__:_ 28

2.2.3. Исследование наноструктур, образующихся в процессе самоорганизации

на поверхности полупроводников при молехулярно-пучковой эпитаксии__31

2.2.4. Исследование алмазоподобных пленок, легированных медью_36

2.2.5. Визуализация пленок Лэнгмюра-Блоджегг, модифицированных

молекулами грамицидина-А___:_ 39

2.2.6. Визуализация полилептидиых комплексов в фотосинтетических мембранах^—41

23. СТМ-экспернмент в условиях сверхвысокого вакуума__—42

2.3.1. Особенности сверхвысоковакуумн&го эксперимента__42

23.2. Конструкция физического узла_ "___43

2.3.3. Визуализация поверхности кристалла СэАб '_;___43

23.4. Методика формирования и диагностики зонда в условиях

сверхвысокого вакуума__'_:___46

2.4. Объединение методов сканирующей туннельной и растровой электронной микроскопии__:-!-49

2.4.1. Преимущества и проблемы совмещения СТМ-РЭМ_____49

2.4.2. Конструкция СТМ-приставки к РЭМ__49

2.5. СТМ-экспернмент ври криогенных температурах___—50

2.5.1.Общие замечания________50

2.5.2. Комтрукцни физических узлов____51

2.5.3. Локальная туннельная спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников^! Ва 2Си 3О7.8)_:-53

2.5.4. Локальная туннельная спектроскопия узкозониых полупроводников (п-РЬТе)__54

2.5.5. Одноэлекгронные эффекты в низкотемпературных локальных

туннельных спектрах____——57

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ______57

4. ПУБЛИКАЦИИ ______60

L ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие микро-, нано- и оптоэлектроншси связано с физикой наномасштабов и с переходом к системам пониженной двух-, одно- и гаазинульмерной размерности. При этом, на одно из первых мест выходят эксперименты с моно- и субмонослойными атомными и молекулярными «аоями, атомными кластерами, одиночными молекулам и молекулярными структурами, а "одноэлектронные" явления рассматриваются в перспективе как «скова функционирования элементов наноэлектроншш. Принципиально шгаой становится информация о структуре и свойствах материалов и объектов шкро-, нано- и олтоэлеюроники, полученная с использованием даагаостических методов высокого пространственного разрешения. Существует несколько возможных путей развития диагностических методов. fe-первых, - это повышение пространственного разрешения и ^¡ветвительяости традиционных "пучковых" методов на основе «фокусированных пучков частиц и излучений. Во-вторых, - это использование 1равнительно новых "зондовых" методов, в основе которых лежит «иимодействие твердотельного нанозонда с объектом исследования при гаерхмалом расстоянии между ними. И, наконец, в-третьих, - это объединение преимуществ "пучковых" и "зондовьгх" методов в единой "комбинированной" ^агностической методике. Следует отметить, что история развития 'иучковых" методов диагностики достаточно богата, и на этом пути во многих яучаях уже найдены оптимальные инструментальные и методические явления. "Зондовые" и "комбинированные" методы прошли более короткий ejib развития, поэтому многие вопросы инструментального и методического »¡¡актера ждут своего решения. Актуальность данной работы обусловлена иумя причинами. Во-первых, в ней проведены исследования перспективных Tgex-, двух-, одно и квазинульмерных объектов микро-, нано- и дагаэлектроники, среди которых высокотемпературные сверхпроводники со структурой керамик, кристаллов и пленок, представляющие интерес в связи с жжрывающейся возможностью использовать явление сверхпроводимости в угройствах микроэлектроники при температуре выше температуры жидкого гзота, алмазоподобные пленки, перспекшвы использования которых, етюываюг с низким порогом электронной эмиссии и возможностью управления »широком диапазоне их электрофизическими свойствами за счет легирования эегаллами, узкозонные полупроводники, используемые в детекторах ИК-датазона, полупроводниковые наноструктуры в однослойных и многослойных шлемах, образующиеся в процессе самоорганизации при молекулярно-вржовой эпитаксии и являющиеся основой для создания твердотельных зверов нового поколения на ансамблях квантовых проволок и квантовых шчек, пленки Лэнгмюра-Блоджетт, модифицированные молекулами и звяекулярнымн комплексами, интерес к которым вызван возможностью шгегрнрования биокомпонентов и элементов микроэлектроники с целью давания новых сенсорных устройств и устройств оптической памяти. Во-иорых, в работе развита "зондовая" методика сканирующей туннельной икросхошш и спектросхопии (СТМ/С) и "комбинированная" методика, жжединяющая преимущества "пучковых" и "зондовых" методов для «следования объектов микро-, нано- и оптоэлектроншси в вакууме, газе и жидкости, в том числе криогенной.

Цель работы. Настоящая работа имела своей целью развитие инструментальных и методических аспектов сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии для исследования поверхности в вакууме, в газе и в жидкости (в том числе криогенной) с высоким пространственным разрешением и исследование с использованием СТМ-метода трех-, двух-, одно-и квазинульмерных объектов, перспективных для применения в микро-, нано- и оптоэлектронике.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи: разработать инструментальные принципы СТМ-эксперимента в вакууме, в газе и в жидкости (в том числе криогенной), обеспечив совмещение зондовых и пучковых методов исследования поверхности, развить методику тестирования физических узлов и методику формирования и диагностики острия-инжектора, разработать унифицированные для всех физических узлов аппаратно-программные средства, обеспечивающие управление, сбор данных, обработку и вывод СТМ-информации, развить общий алгоритм СТМ-эксперимента, обеспечивающий автоматический захват туннельного тока и различные режимы СТМ-измерений; создать на основе проведенных исследований приборно-методический комплекс для локальной диагностики поверхности; используя разработанный комплекс, провести исследования полупроводниковых наноструктур, образующихся на поверхности в процессе самоорганизации в системах ЫАьЮаАъ, ГпОаАвЛЗаАз, ЬАй/З!, алмазоподобных пленок, высокотемпературных сверхпроводников У^агСизО?^ со структурой керамик, пленок и кристаллов, узкозонных полупроводников РЬТе<РЬ>, РЬТе<1п>, пленок Лэнгмюра-Блоджет, модифицированных молекулами и молекулярными комплексами.

Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в том, что в ней получены новые результаты при исследовании объектов микро-, нано- и оптоэлектроники на основе разработки оригинального комплекса СТМ-методик и приборов, функционирующих в вакууме, газе и жидкости в диапазоне температур 4.2-300К, в том числе впервые:

-проведены систематические исследования наноструктур, образующихся в процессе самоорганизации при МПЭ в однослойных и многослойных системах ^АзЛЗаАв, ¡пОаАзЛЗаАз, ТпАз/Б! на сингулярных и вицинальных поверхностях, получены количественные характеристики ансамблей квантовых точек, образующихся в этих системах в процессе самоорганизации;

-визуализированы пленки Лэнгмюра-Блоджетт, модифицированные молекулами грамицидина-А, и пептидные комплексы в клеточных мембранах без предварительного декорирования поверхности металлической пленкой, получены прямые структурные данные об ионных каналах и фотосинтетических центрах;

-измерены локальные туннельные спектры на поверхности узкозонных полупроводников РЬТе<РЬ>, РЬТе<1п> при Т=4.2К, обнаружены эффекты связанные с долговременной релаксацией в системе примесь-зона;

-измерено пространственное распределение величины энергетической щели в плотности электронных состояний в высокотемпературных сверхпроводниках У^агСизСЬ.« со структурой керамик, пленок и кристаллов;

-обнаружены "одноэлектронные" осцилляции в локальных туннельных спектрах на образцах различной природы (металлы, высокотемпературные сверхпроводники, полупроводники, пленки Лэнгмюра-Бяоджетт) при Т=4.2К; •

-обнаружены "одноэлектронные" осцилляции в локальных туннельных спектрах .алмазоподобных пленок, легированных Си, при комнатной температуре;

-предложена методика формирования и диагностики нанозонда на основе совмещения СТМ с методом полевой электронной микроскопии;

-предложена методика усиления контраста на границах нанобъектов путем построения шумовых СТМ-изображений;

-предложен способ визуализации поверхности полупроводников в защитном слое жидкого диэлектрика; -

-предложен способ компенсации термодрейфа на основе теплового исполнительного элемента и дополнительной петли обратной связи;

-предложен рад инструментальных решений для узла сближения зовда с образцом с использованием механических, магнитных, пьезоэлектрических и тепловых систем, обеспечивающих надежный автоматический захват туннельного тока, и на их основе созданы физические узлы, обеспечивающие проведение СТМ-эксперимента в вакууме, газе и жидкости (в том числе криогенной) и оптимальное совмещение зондовых и пучковых методов.

Практическая значимость работы. Результаты работы используются в ИАнП РАН и ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН при создании технологии эпитаксиального выращивания полупроводниковых структур пониженной размерности (квантовые точки, квантовые проволоки). Разработанный диагностический комплекс используется в Отделении сканирующей зондовой микроскопии Санкт-Петербургского Объединенного Исследовательского Центра (ЦКП) в режиме коллективного пользования при проведении фундаментальных и прикладных исследований по проектам РФФИ и Миннауки и технологий РФ. Результаты исследований легли в основу разработанных и изготовленных в лаборатории СТМ ИАнП РАН различных типов СТМ (сверхвысоковакуумный, совмещенный с РЭМ, воздушный, низкотемпературный) для ИФТТ РАН (Черноголовка), ИАПУ ДВО РАН (Владивосток), ФТИНТ (Харьков), МГУ (Москва), Электронстандарт (С.Петербург), ИВМ МО РФ (С.Петербург), Центра молекулярной диагностики и лечения (Москва). Фирмы НТ-МДТ и КПД (Зеленоград) использовали результаты проведенных исследований при выпуске первых партий промышленных СЗМ приборов.

На защиту выносятся следующие положения:

I. приборный комплекс, включающий высоковакуумные, воздушные и криогенные физические узлы СТМ, разработанные на основе механических, пьезоэлектрических, магнитных и тепловых систем сближения зонда с образцом и универсальные аппаратно- программные средства, обеспечивает проведение СТМ-диашостики нанообъектов в вакууме, газе и жидкости в диапазоне температур 4,2-ЗООК;

II. комплекс СТМ-мегодик, включающий:

-общую методику СТМ-измерений, содержащую захват и стабилизацию туннельного тока, топографические и спектроскопические режимы измерений, сбор и обработку СТМ-данных,

методику активной компенсации термодрейфа и Диагностики основных параметров физического узла

-методику очистки, термополевого формирования поверхности и определения параметров СТМ-зонда в условиях сверхвысокого вакуума,

-методику СТМ-диагностики полупроводниковых наноструктур при атмосферном давлении,

-комбинированную методику,объединяющую пучковый и зондовый методы, обеспечивает измерение топографии и электрофизических характеристик в материалах и объектах микро-, нано- и опгоэлектроники в вакууме, газе и жидкости в диапазоне температур 4,2-ЗООК с атомным и нанометровым пространственным разрешением;

III. в результате СТМ-исследований трех-, двух- и квазинульмерных материалов и объектов микро-, нано- и опгоэлектроники в вакууме, газе и жидкости в диапазоне температур 4,2-ЗООК, проведенных на основе созданного диагностического комплекса, установлено:

1-форма, размер и плотность пространственного распределения полупроводниковых нанокристаллов, образующихся в процессе самоорганизации тонких InAs и InGaAs слоев при МПЭ в гетероструктурах InAs/GaAs, InGaAs/GaAs, InAs/Si, зависят от режимов роста и ориентации подложек,

-наблюдается упорядоченное относительное расположение соседних нанокристаллов, причем при увеличении числа слоев в многослойных гетероструктурах упорядочивание в ансамбле нанокристаллов увеличивается, -нанокристаллы имеют форму пирамид, минимальный латеральный размер которых составляет~15нм при высоте~5нм, и проявляют свойства квазинульмерных объектов (квантовых точек), отражающиеся в спектрах люминесценции,максимальная плотность пространственного распределения нанокристаллов имеет величину~2 10исм"2;

2-поверхность алмазоподобных пленок, образованных в результате магнетронного сораспыления графитовой и медной мишеней, имеет гранулированную структуру с характерным минимальным размером гранул~1нм и характеризуется низкой локальной работой выхода~0.05эВ;

3.-СТМ-изображения молекул грамицидина-А и фотосинтетических центров в клеточных мембранах хорошо согласуются с известными модельными представлениями, полученными из рентгеноструктурных данных, что указывает на перспективность применения СТМ-диагностики при создании и исследовании элементов микроэлектроники с включением биокомпонентов;

4.- гистерезис в локальных туннельных спектрах РЬТе<1п> при Т=4.2К, вызван локализацией заряда на примесных центрах и долговременной релаксацией в системе "примесь-зона", причем изменения дифференциальной проводимости, связанные с влиянием локализованных состояний, в несколько раз превышают, соответствующие изменения, имеющие место в пленарном МДП контакте, -положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в РЬТе<РЬ>, РЬТе<1п>, извлеченные из локальных туннельных спектров и усредненные по площади, хорошо согласуются с известными данными, полученными методом туннельной спектроскопии на основе планарных МДП контактов,

5.-при охлаждении до гелиевых температур на поверхности ВТСП материалов Y, Ва2Си307_б со структурой кристаллов, пленок и керамик образуется тонкий диэлектрический слой, обусловленный недостатком кислорода у поверхности,

-значения энергетической щели, измеренные на различных локальных участках поверхности образцов при Т=4.2К, лежат в диапазоне 25-50мэв для кристаллов и пленок и в диапазоне 1-120мэв- для керамических образцов и связаны с пространственной неоднородностью структуры и химического состава

приповерхностного слоя, усреднение, проведенное по большому числу локальных измерений, дает величинуД-40-50мэв, или 2Дср /кТс~(4.8-6); б.-на образцах различной природы (металлы, полупроводники, ВТСП, ЛБ-пленки, алмазоподобные пленки, легированные медью) наблюдаются осцилляции дифференциальной проводимости с периодом от 20 до 400мВ, -наблюдаемые осцилляции связаны с локализацией электронов в наномегровых областях между �