Неравновесная проводимость полупроводников и структур металл — полупроводник — металл

Актуальность проблемы. Последние достижения современной микроэлектроники основываются на результатах исследований физики твердого тела. Разнообразные процессы, протекающие на поверхности твердых тел, находятся в сфере внимания таких областей науки, как физика полупроводников, физика плазмы, оптика, физическая электроника, космические исследования, химия твердого тела, гетерогенный катализ. Эти процессы служат основой многих высокотехнологичных производств. Развитие современной микроэлектроники с ее стремлением к микроминиатюризации привело к такому положению вещей, когда информация о процессах, происходящих на границе полупроводника и газовой смеси, может иметь прямое отношение к физическим явлениям, лежащим в основе работы прибора. В связи с чем многие проблемы, имеющие отношение к системе газ — твердое тело, обусловлены также нуждами полупроводникового приборостроения и микроэлектронной промышленности.

Явления, возникающие на границе твердого тела и атомно-молекулярной газовой смеси, сложны и многообразны. Взаимодействие атомов и молекул с твердыми телами сопровождается перераспределением поверхностных химических связей, изменением спектра поверхностных электронных состояний, структурными перестройками. Возникающие при протекании гетерогенных реакций люминесценция, распыление поверхности, эмиссия электронов несут информацию о химическом составе, структуре и электронном спектре поверхности, о кинетике и механизме химических превращений и об активной газовой атмосфере. Регистрация эффектов, сопровождающих поверхностные реакции, дает чувствительный инструмент для изучения процессов на границе газа с твердым телом, для решения научных и технологических задач катализа, плаз-мохимии, микроэлектроники, выращивания тонких пленок, космического материаловедения.

При протекании гетерогенных химических реакций на границе твердых тел и газов стабилизация молекул промежуточных веществ и продукта обусловлена энергообменом между реагирующими частицами и поверхностью. В нем участвуют кристаллическая решетка (фононы), электроны твердого тела и хемосорбированные молекулы реагирующих веществ. Высокая каталитическая активность металлов по сравнению с неметаллами по отношению к большинству химических реакций, возможно, обусловлена тем, что аккомодация энергии электронами проводимости — это наиболее эффективный способ отвода энергии, выделяющейся в актах химических превращений на поверхности твердых тел (любая гетерогенная химическая реакция содержит хотя бы одну экзотермическую стадию — адсорбцию). Известно, что на поверхности металлов колебательная релаксация химических связей адсорбированных молекул происходит преимущественно посредством генерации электронно-дырочных пар, а не фононов. О возникновении возбужденных электронов с энергией Е > А + F, где, А — работа выхода поверхности, F — энергия Ферми, свидетельствует эмиссия электронов при протекании гетерогенных химических реакций на поверхности некоторых металлов (с малой работой выхода).

Малоизучены аккомодация энергии электронами проводимости при столкновении атомных частиц с поверхностью твердых тел и ее роль в каталитическом ускорении гетерогенных химических превращений на границе твердых тел и газов. Соответствующие методы исследований вследствие технических сложностей (доля возбужденных электронов от общего числа электронов проводимости ничтожно мала) недостаточно развиты.

Цель работа — разработка метода изучения электронной аккомодации с участием электронов проводимости при протекании гетерогенных химических реакцийобнаружение эффекта эмиссии возбужденных в ходе гетерогенной химической реакции электронов из металла в полупроводникэкспериментальное изучение неравновесной хемопроводимости тонких пленок полупроводников, полученных осаждением в среде атомарного водорода.

Для достижения поставленной цели выбраны следующие направления исследований: изучение эффекта возникновения разности потенциалов (хемо-ЭДС) между металлом и полупроводником, при протекании экзотермической реакции.

Н + Н —" Н2 на поверхности металлической пленки, нанесенной на полупроводникобнаружение и изучение эффекта хемоэмиссии электронов из металла в полупроводниквыяснение влияния окисной пленки на поверхности полупроводника на процесс прохождения возбужденных электронов через границу между металлом и полупроводникомизучение влияния температуры на процесс проникновения горячих электронов, возникших в ходе реакции, из металла в полупроводникустановление влияния типа проводимости полупроводника, на который нанесена тонкая металлическая пленка, на хемоэмиссию электронов из металла в полупроводникполучение тонких пленок германия посредством осаждения атомов германия в среде атомарного водорода, изучение структуры пленок и их неравновесной хемопроводности.

Научная новизна. Разработан метод изучения процессов энергообмена между реагирующими на поверхности молекулами газа и электронами проводимости металла или вырожденного полупроводника. Он предназначен для изучения механизмов стабилизации молекул, образующихся в ходе реакции, и заключается в регистрации тока возбужденных электронов, проникающих из катализатора в полупроводник через межфазную границу.

Обнаружено явление эмиссии электронов из металла в полупроводник. На примере химической реакции Н + Н —> П2 обнаружен эффект преобразования энергии, выделяющейся в ходе гетерогенной реакции на поверхности тонкой пленки металлического катализатора, нанесенного на полупроводник, в энергию электрического тока. Обнаружено возникновение разности потенциалов (хемо-ЭДС) между металлом и полупроводником при протекании гетерогенной реакции на поверхности тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность полупроводника. Установлено, что окисная пленка на поверхности полупроводника препятствует прохождению возбужденных электронов через границу между металлом и полупроводником, не влияя при этом существенным образом на сопротивление контакта полупроводника с металлической пленкой. Установлено, что при протекании реакции гетерогенной рекомбинации атомов водорода на поверхности золота или никеля в актах химических превращений с вероятностью 10″ 2 < r|g < 1 в металле возникают электронно-возбужденные состояния.

Установлено, что при осаждении на подложки в среде атомарного водорода пленок германия, благодаря процессам самоорганизации образуются наноструктуры с характерным размером 30−40 нм.

Получены данные по фотопроводимости и неравновесной хемопроводи-мости тонких пленок германия и кремния, осажденных на подложки в среде атомарного водорода.

Достоверность полученных результатов. В опытах использовался водород чистотой 99,995%. Особое внимание было уделено защите используемых приборов (средств измерения) электрическими экранами от воздействия электромагнитных полей. Проводились «холостые» опыты, для этого в реактор помещали точечный полупроводниковый диод. При этом в измерениях тока уровень электромагнитной помехи (наводки) высокочастотного разряда составлял не.

11 -у более 10 А, а при измерении хемо-ЭДС — 10 В. Подтверждением достаточно глубокой очистки поверхности образцов от адсорбционных загрязнений в условиях опытов и достоверности результатов служит получение воспроизводимых экспериментальных кривых. С целью проверки воспроизводимости экспериментальных данных неоднократно производилась повторная замена образцов в различной последовательности. Были получены идентичные результаты для одних и тех же образцов. Полученные экспериментальные результаты допускают непротиворечивую теоретическую интерпретацию.

Практическая значимость. Предложен метод создания потока горячих электронов в металле для изучения эмиссии горячих электронов через межфазную границу металл-полупроводник. На основе полученных данных могут быть разработаны датчики контроля за изменением скорости гетерогенных химических реакций. Структуры металл-полупроводник-металл могут быть применены для изучения механизмов неупругих столкновений атомных частиц тепловых энергий с поверхностью металлов. Применение метода контроля за образованием возбужденных электронов в актах химических превращений на поверхности металлов позволило получить новую информацию о механизмах электронных процессов, протекающих на межфазных границах между металлом и активным газом и между металлом и полупроводником.

Защищаемые положения.

1. При протекании экзотермической химической реакции Н + Н —* Нг на у поверхности тонкой металлической пленки золота толщиной d ~ 10″, нанесенной на кристалл кремния n-типа, возникает разность потенциалов (хемо-ЭДС) между металлом и полупроводником, обусловленная проникновением возбужденных электронов, возникших в ходе реакции, из металла в полупроводник (пленка приобретает положительный заряд, а кремний заряжается отрицательно).

2. Взаимодействие атомарного водорода с тонкой пленкой золота или никеля, нанесенной на кристалл полупроводника (кремния, германия) или плоский р-n переход на основе кремния сопровождается изменением сопротивления полупроводника или р-п-перехода вследствие проникновения возбужденных электронов, возникших в ходе реакции, из металла в полупроводник.

3. Окисная пленка на поверхности кремния или германия препятствует проникновению возбужденных электронов через межфазную границу из металла в полупроводник.

4. Осажденные в среде атомарного водорода на подложки тонкие пленки германия содержат наноструктуры с характерным размером 30−40 нм, возникшие благодаря процессам самоорганизации на поверхности. Под действием атомарного водорода возникает неравновесная электропроводность этих пленок.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 113 страницах, иллюстрируется 34 рисунками и состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемой литературы, включающего 94 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложен метод создания потока горячих электронов в металле для изучения эмиссии горячих электронов через межфазную границу металл-полупроводник.

2. Разработан метод изучения процессов энергообмена между реагирующими на поверхности молекулами газа и электронами проводимости металла, заключающийся в регистрации тока возбужденных электронов, проникающих из металла — катализатора реакции в полупроводник через потенциальный барьер на межфазной границе.

3. При протекании реакции Н + Н —> Н2 на поверхности тонкой пленки золота, нанесенной на поверхность кремния n-типа, между металлом и полупроводником возникает разность потенциалов (хемо-ЭДС). При этом пленка приобретает положительный заряд, а кремний заряжается отрицательно. Эффект обусловлен проникновением горячих электронов, возникших в ходе реакции, из металла в полупроводник.

4. После включения и выключения источника атомов водорода наблюдается изменение сопротивления помещенных в среду водорода структур МПМ, изготовленных на основе кремния n-типа или кремниевого р-п-перехода, если пленка металла, нанесенная на полупроводник, присоединена к минусу источника тока, а полупроводник присоединен к его плюсу. Эффект обусловлен проникновением горячих электронов, возникших в ходе экзотермической реакции Н + Н —> Н2, из металла в полупроводник, поскольку он исчезает при изменении полярности приложенного напряжения.

5. При протекании реакции гетерогенной рекомбинации атомов водорода Н+Н—"Н2 на поверхности золота или никеля в актах химических превращений с вероятностью 10 < rjg < 1 в металле возникают электронно-возбужденные состояния.

6. Окисная пленка на поверхности кремния или германия препятствует проникновению возбужденных электронов через межфазную границу из металла в полупроводник.

7. Осаждение германиевых пленок на медные подложки в среде атомарного водорода приводит к появлению наноструктур с характерным размером 30−40 нм, возникших благодаря процессам самоорганизации на поверхности подложки, находящейся в активной газовой среде.

8. Наблюдалась неравновесная хемопроводность германиевых пленок, обусловленная возникновением электронно-дырочных пар на поверхности при протекании экзотермической гетерогенной реакции Н + Н —"• Н2.