Способ изучения плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел

 

«79%6

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Сома Севетвккх

Сацналксткческкх

Рескублкк (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 21.09.79 (21) 2820740/18-25 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.01.82. Бюллетень № 1 (45) Дата опубликования описания 07.01.82 (51) М.Кл.а б 01 N 23/225

4всудорственны кемнтау

СССР ° по делам наобретеннй н еткрмтнй (53) УДК 543.53 (088.8) (72) Авторы изобретения Н. П. Бажанова, В. В. Кораблев и Н. И. Кочетов (71) Заявитель Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им. М. И. Калинина (54) СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ

СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ В ЗОНЕ

П РОВОДИМОСТ И TB ЕРДЫХ ТЕЛ

Изобретение относится к области физических исследований электронной структуры твердых тел.

Известен способ исследования локальной плотности свободных состояний на по- 5 верхности образца путем обработки спектра мягкого рентгеновского излучения, возбужденного в поверхностном слое образца (1).

Данный способ не обладает высокой 10 чувствительностью и требует специальной обработки экспериментальных кривых для получения информации об особенностях обобщенной плотности свободных электронов в зоне проводимости. 15

Также известен способ исследования твердых тел, заключающийся в том, что образец облучают электронами с энергией до

1000 эВ при синусоидальном изменении интенсивности первичного пучка электронов и регистрируют с помощью анализатора ток вторичных электронов как зависимость от энергии первичных электронов, причем спектр выхода электронов позволяет получать информацию о составе и электронной структуре поверхности образца (2).

Наиболее близким техническим решением является способ изучения плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел, заключающийся в том, что исследуемое вещество облучают моноэнергетическим пучком электронов с энергией, не превышающей 100 эВ, и регистрируют энергетический спектр вторичных электронов с энергиями в диапазоне до 30 эВ, вышедших в определенных кристаллографических направлениях (3), Тонкая структура, остающаяся после вычета из экспериментально полученного спектра фона, несет информацию об особенностях плотности электронных состояний в зоне проводимости исследуемого вещества выше уровня максимума.

Недостатком данного способа являются относительно невысокая чувствительность, а также сложность конструктивной реализации, связанная с необходимостью высокой монохром атизации первичного пучка, использования анализатора с высоким энергетическим и угловым разрешением (малая светосила), учета фона, аналитическая зависимость которого не известна.

Цель изобретения заключается в том, чтобы повысить чувствительность и упростить средства реализации способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изучения плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел, заключающемся в том, что исследуемое вещество облучают моноэнер795163

65 гетическим пучком электронов с энергией, не превышающей 100 эВ, и регистрируют энергетический спектр вторичных электронов с энергиями в диапазоне до 30 эВ, производят нанесение на поверхность исследуемого вещества субмонослойных количеств электроноположительного вещества, по крайней мере для одной толщины нанесенного слоя измеряют снижение контак-.— ной разности потенциалов и регистрируют энергетические спектры вторичных электронов для нескольких энергий первичного пучка, по сравнению структур которых с исходной судят о плотности электронных состояний в зоне проводимости исследуемого вещества.

При этом, регистрацию энергетичес сих спектров вторичных электронов производят при приемном угле коллектора, близком

К Ч.

Способ реализуют следующим образом.

В отличие от известного способа, вкл:-очающего измерение распределения по энергиям вторичных электронов в узком телесном угле при энергии электронов первичного пучка Е (100 эВ, в данном способе и"дут регистрацию распределения вторичных электронов по энергиям при приемном угле коллектора около л в интервале от 0 до Е при Е„= 5 —;30 эВ или только его части от

0 до 30 эВ прп Ер — — 30 —: 100 эВ, а также измеряют контактную разность потенциалов V, р „между мишенью из исследуемого вещества и катодом электронной пушки сначала для чистого вещества образца, затем после осаждения на его поверхность субмонослойных покрытий электроположительного материала, снижающего граничный потенциальный барьер, но практически не участвующего в процессах рассеивания и возбуждения электронов, например, цезия в количестве менее 0,2 монослоя.

О начале вклада адсорбпрованного материала в неупругое рассеяние судят по изменению спектра характеристических потерь энергии, при этом определяют снижение граничного барьера по изменению

V,;ð „. Энергетические распределения вторичных электронов сравнивают при Е =

= const до и после адсорбции электроположительного материала, а также для нескольких Е„после адсорбции. Непосредственно по структуре в начальной части распределений судят об энергетическом положении особенностей обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел преимущественно вблизи и ниже уровня вакуума оез математической обработки экспериментальных кривых.

Использование начального участка распределения по энергиям вторичных элек.,тронов, 1а который приходится более 50% от общего количества вторичных электронов, при приемном угле коллектора около л, 10

50 т. е. при сборе вторичных электронов, вышедших в разных направлениях, обеспечивает высокую чувствительность, упрощение вакуумного прибора, измерительной схемы, позволяет уменьшить плотность тока в первичном пучке. Облучение электронами малых энергий при низкой плотности тока в пучке -. 10- А/см не вызывает изменения состояния поверхности в процессе исследования. Анализ упрощается благодаря тому, что в начальной части распределения при

Е, --5 —: 100 эВ после снижения граничного потенциального барьера появляется отчетливо выраженная структура, создаваем ая многократно рассеянными вторичными электронами, которая непосредственно отражает особенности обобщенной плотности свободных состояний в зоне проводимости вблизи и ниже уровня вакуума.

По сравнению с известным способом снижаются требования к монохроматичности первичного пучка — допускается разброс по.энергиям -0,6 эВ. При измерении не требуется менять азимутальный и полярный углы. Все это упрощает исследование, повышает чувствительность и точность.

Пример реализации.

Экспериментальная проверка осуществлялась в установке, построенной с использованием общеизвестных принципов и методик. Распределения вторичных электронов по энергиям записывались с применением анализатора П. И. Лукирского с отношением диаметров сферического коллектора и плоской мишени 10: 1, метода электрического дифференцирования кривых задержки вторичных электронов и синхронного детектирования. Контактная разность потенциалов между исследуемым образцом и катодом пушки измерялась методом электронного зонда, Давление остаточных газов в приборе при измерениях составляло 1 †: 5 .

° 10-- тор. Объектом исследования служил монокристалл кремния с гранью (100). Измерения выполнялись в следующей последовательности. Сначала для чистого кремния определили контактную разность потенциалов V,р.„образец — катод пушки и записали энергетические распределения вторичных электронов прп Е„==1 —: 250 эВ. Затем эти же операции привели после осаждения на кремний субмонослойных количеств цезия.

На фиг. 1 приведены энергетические распределения вторичных электронов Л s =

= f (Es) для V„= 6В и разных субмонослойных количеств цезия соответственно;

0 — чистый Si; 1 — Si + 0,6 м. с. Cs, V p

= 1,8 В; 2 — Si+ 0,13 м. с. Cs, V,. = 25B;

3 — Si+ 0,2 м. с. Сэ, Г = 2,9 В. В верхней части фигуры 1 кривая 4 изображает распределение обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости кремния, подтвержденное расчетами и экспепиментами. Энепгия пепвичных

795563 электронов Е,, отсчитываемая относительно уровня вакуума, складывается из внешней

V и контактной V. р „между образцом и катодом пушки разностей потенциалов. Снижение граничного потенциального барьера 5 после осаждения цезия равно изменению контактной разности потенциалов ЛУ.p. ——

t<,ðn V K,рп где V p. è,, „cooT ветственно контактные разности между образцом и катодом пушки до и после осаж- 16 дения цезия. Нуль на горизонтальных осях соответствует уровню вакуума для чистого кремния.

Сопоставление кривых на фиг, 1 подтверждает, что по структуре в начальной 15 части распределения вторичных электронов по энергиям, появляющейся после снижения граничного потенциального барьера, можно судить об энергетическом положении особенностей обобщенной плотности свобод- 20 ных электронных состояний в зоне проводимости вблизи и ниже уровня вакуума. Добавочное снижение граничного барьера, как и следовало ожидать при наличии такого соответствия, не сдвигает уже имеющиеся 25 особенности в распределении вторичных электронов, а добавляет новые в связи с появлением возможности выхода в вакуум для электронов из состояний, более удаленных от уровня вакуума чистого кремния.

На фиг. 2 приведены распределения по энергиям вторичных электронов (полные распределения для V = 2; 4; 8,2 и 10 В и начальные участки для V =50, 100 и 150 В) для разных энергий первичных электронов З5

Е„= e(Vp+ VKр „) от 4,9 эВ до 152,9 эВ после адсорбций на кремнии цезия в количестве, соответствующем 0,2 монослоя, и снижении барьера на 2,8 эВ. Изменение энергии первичных электронов в этом дна- 4О пазоне не меняет энергетическое положение структуры в начальной части распределений, что служит еще одним аргументом в пользу отмеченного соответствия. Однако, как видно из фиг, 2, при р)100 В структу- 45 ра в распределении сглаживания, при

Рр(5 В не видна структура вблизи уровня вакуума чистого образца. Поэтому энергию первичного пучка рекомендуется выбирать в интервале от 5 эВ до 100 эВ.

Данный способ определения энергетического положения особенностей обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел вблизи и ниже уровня вакуума является прос- 55 тым, надежным и дешевым. Его использование не требует применения специальной дорогостоящей аппаратуры (энергоанализаторов с высоким угловым и энергетическим разрешением и радиоаппаратуры высокого 60 класса), т. е. нетрудно организовать его широкое применение. Это позволяет быстро получить отсутствующую информацию и составить каталог «Особенности обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости вблизи и ниже уровня вакуума» не только для простых веществ, но также и для соединений, создаваемых на предприятиях цветной и черной металлургии и используемых на предприятиях МЭП и других министерств. Наличие такого каталога будет способствовать рациональному выбору материалов в каждом конкретном случае и повышению качества, в первую очередь многих электронных приборов, в особенности использующих гетеропереходы, а также других изделий микроэлектроники.

Формула изобретения

1. Способ изучения плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел, заключающийся в том, что исследуемое вещество облучают моноэнергетическим пучком электронов с энергией, не превышающей 100 эВ, и регистрируют энергетический спектр вторичных электронов с энергиями в диапазоне до 30 эВ, отл ич а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения средств реализации способа, производят нанесение на поверхность исследуемого вещества субмонослойных количеств электроположительного вещества, по крайней мере для одной толщины нанесенного слоя измеряют снижение контактной разности потенциалов и регистрируют энергетические спектры вторичных электронов для нескольких энергий первичного пучка, по сравнению структур которых с исходной судят о плотности электронных состояний в зоне проводимости исследуемого вещества.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию энергетических спектров вторичных электронов производят при приемном угле коллектора, близком к д.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Dose V, Scheidt Н, Deconvolution of

appearence potential spectra «Appl. Phys.>

1979, 19, № 1, 19 — 23.

2. Выложенная заявка ФРГ № 2546053, кл. G 01 N 23/225, опублик. 1976.

3. R. F. Willis, N. E. Christensen. Secondary — electron — emission spectroscopy of

1;:neaten: Angular dependance and phemeno1ogy, Phys. Rex. R., 1978, 18, № 10, 5140 †15 (прототип).

795!63

V =д,28

Составитель M. Кононов

Техред И. Заболотнова

Редактор Т. Морозова

Корректор И. Осиновская

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 26/28 Изд. № 109 Тираж 882 Подписное

НПО «Поиск> Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5