Способ изучения плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел

Сома Севетвках Сацналк стев скв Рескублкк(43) Опубликовано 07,0 вт, свид-в С 01 Х 23/225 25 1) 2 4 всуддрственны кемнтВТ СССР по делам наобретеннй н еткрмтнй(53) УДК 543.5 45) Дата опубликования описания 07.01.82) Авторы зобретени ев и Н, И. Коче(54) СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОННЪХ СОСТОЯНИЙ В ЗО П РОВОДИМОСТ И ТВ ЕРДЫХ ТЕЛ 1 2Ленинградский ордена Лен им. М. ИИзобретение относится к области физических исследований электронной структуры твердых тел.Известен способ исследования локальной плотности свободных состояний на по верхности образца путем обработки спектра мягкого рентгеновского излучения, возбужденного в поверхностном слое образца 11.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.15Также 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 2 о регистрируют с помощью анализатора ток вторичных электронов как зависимость от энергии первичных электронов, причем спектр выхода электронов позволяет получать информацию о составе и электронной 25 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.Недостаткой данного способа являются относительно невысокая чувствительность, а также сложность конструктивной реализации, связанная с необходимостью высокой монохроматизации 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 моноэнер10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 энергетических 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 Ер (100 эВ, в данном способе в"- 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 У,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 р, Энергетические расйределения вторичных электронов сравнивают при Е .= = сопз 1 до и после адсорбции электроположительного материала, а также для нескольких Епосле 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, на который приходится более 50% от общего количества вторичных электронов, при приемном угле коллектора около л,т. е. при сборе вторичных электронов, выледших 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 Ер -5 в : 100 эВ после снижения граничного потенциального барьера появляется отчетливо выраженная структура, создаваемая многократно рассеянными вторичными электронами, которая непосредственно отражает особенности обобщенной плотности свобод. ных 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 осушествлялась 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 - :510- тор. Объектом исследования служил монокристалл кремния с гранью (100). Измерения выполнялись в следующей последовательности. Сначала для чистого кремния определили контактную разность потенциалов 11,р,образец - катод пушки и записали энергетические распределения вторичных электронов прп Е ==1 - : 250 эВ, Затемэти же операции привели после осажденияна кремний субмонослойных количеств цезия.На фиг. 1 приведены энергетические распределения вторичных электронов Лз = = (Ез) для Ъ= 6 В и разных субмонослойных количеств цезия соответственно;0 - чистый 51; 1 - 51+ 0,6 м. с. Сз, ,.р.п= = 1,8 В; 2 - Я + 0,13 м, с. Сз, У,. = 2,5 В;3 - 51+ 02 м. с. Сз, Г = 29 В. В верхней части фигуры 1 кривая 4 изображает распределение обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости кремния, подтвержденное расчетами и экспеоиментами. Энепгия пепвичныхэлектронов Е отсчитываемая относительно уровня вакуума, складывается из внешнейРр и контактной У.,рмежду образцом и катодом пушки разностей потенциалов. Снижение граничного потенциального барьера 5 после осаждения цезия равно изменению контактной разности потенциалов ЬУ,р., -- = Р - У,., где Рр,и Р соответственно контактные разности между образцом и катодом пушки до и после осаж б 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 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. З 0На фиг. 2 приведены распределения по энергиям вторичных электронов (полные распределения для 1 = 2; 4; 8,2 и 10 В и начальные участки для У =50, 100 и 150 В) для разных энергий первичных электронов З 5 Е= е(1 р+ Кр ) 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 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 1 р)100 В структу 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.60Данный способ определения энергетического положения особенностей обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел вблизи и ниже уровня вакуума является прос тым, надежным и дешевым. Его использование не требует применения специальной дорогостоящей аппаратуры (энергоанализаторов с высоким угловым и энергетическим разрешением и радиоаппаратуры высокого 50 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 гетеро- переходы, а также других изделий микроэлектроники.Формула изобретения1. 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, отлич а ю щ и й с я 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, отл ич а ю щи й ся тем, что регистрацию энергетических спектров вторичных электронов производят при приемном угле коллектора, близком к д.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Розе Ч, ЯсЬе 1 Й Н, Ресопчо 1 ц 11 оп о 1 арреагепсе ро 1 еп 11 а 1 зрес 1 га Арр 1. Роуз. 1979, 19,1, 19 - 23.2. Выложенная заявка ФРГ2546053, кл, 6 01 Х 23/225, опублик. 1976.3. К. Р. %1111 з, Х. Е. СЬг 1 з 1 епзеп. Яесопдагу - е 1 ес 1 гоп - еппзз 1 оп зрес 1 гозсору о 1 1;.дсеп: Апдц 1 аг с 1 ерепдапсе апс 1 р 11 еп 1 епо 1 ору, Р)туз. Кет. В., 1978, 18,10, 5140 в 15 (прототип),Составитель М. КононовТехред И. Заболотнова Корректор И. Осиновска едактор Т. Морозо Харьк фил пред Патент Заказ 26/28 Изд.109 НПО Поиск Государственного комит 113035, Москва, ЖТираж 882 ПодписноеСССР по делам изобретений и открытий Раушская наб., д. 4/5