Новости науки14.05.02. Электронная микроскопия становится зорче

Одной из особенностей современной физики является наглядность в том смысле, что современные экспериментальные методы позволяют вживую увидеть то, что ранее можно было только"почувствовать" косвенным образом. Сейчас уже никого не удивишь способностью наблюдать, скажем, отдельные атомы, но арсенал методов, позволяющих видеть то и так, что и как раньше видеть было невозможно, непрерывно растет. Недавно американским ученым удалось с помощью электронной микроскопии с атомным разрешением получить изображения отдельных атомов примеси в легированном кремнии.

С помощью легирования полупроводника - введения материал атомов определенного сорта (примесей) - можно получать требуемый тип проводимости, а также в широких пределах изменять концентрацию электронов (дырок). Для получения полупроводников с электронной проводимостью (n- типа) используют примеси, образующие энергетические уровни вблизи дна зона проводимости, а для получения полупроводников с дырочной проводимостью (p-типа) используют примеси, образующие энергетические уровни вблизи потолка валентной зоны. Без легирования немыслимы полупроводниковые устройства, поэтому исследование особенностей легирования полупроводников различными примесями имеет первостепенное практическое значение. На самом деле получить требуемый тип проводимости возможно не для всех полупроводниковых соединений; например, для соединений атомов II и VI группы периодической таблицы элементов Менделеева (ZnSe, ZnTe, CdTe и др.) с помощью легирования удается получить только один тип проводимости (электронный или дырочный), а попытки легирования примесями другого типа оказываются практически безуспешными - увеличение количества вводимой примеси не приводит к увеличению плотности свободных электронов (дырок). Причина возникающей ситуации состоит в том, что атомы примеси"неправильного" типа совместно с дефектами образуют сложные комплексы, которые являются ловушками для носителей заряда, и в результате электроны (дырки)"живут" не в зоне проводимости (валентной зоне), а"сидят" на энергетических уровнях, образованных этими комплексами. Несмотря на то, что ученые уже более трех десятилетий работают над преодолением этой проблемы, успехи на сегодняшний момент достаточно скромны.

При очень высоких концентрациях примеси подобная проблема возникает и для кремния. А для создания нового поколения современных интегральных схем с малыми размерами транзисторов требуются очень высокие концентрации примеси - более 10²¹ см^-3. Соответственно, исследование того, каким образом примеси в кремнии становятся электрически неактивными, является важным для дальнейшего развития электроники. Конечно, существуют экспериментальные методы, в совокупности с теоретическими расчетами позволящие идентифицировать образующиеся комплексы с участием собственных дефектов (таких, как вакансии) и примесных атомов (либо только примесных атомов), присутствующие в материале. Но одно дело эти комплексы ⌠почувствовать", а другое -"увидеть вживую".

Рис.1. Модельные и экспериментальные изображения разных типов комплексов с участием атомов примеси. Атомы примеси (точнее, колонки атомов, содержащие примесь) показаны желтым.

Исследователям из Lucent Technologies с помощью просвечивающей электронной микроскопии высоко разрешения удалось наблюдать отдельные атомы примеси и примесные комплексы в сильно легированном кремнии [1]. Изюминкой работы является специальным образом приготовленные для электронно-микроскопических исследований образцы, в которых можно наблюдать отдельные атомы примеси. Концентрация примеси (сурьмы, которая для кремния является донором) в исследуемых образцах составляла 9.35 x 10²⁰ см^-3, а концентрация свободных электронов по данным холловских измерений составляла 6.5 x 10²⁰ см^-
3, т.е. порядка 30 % примесей являлись электрически неактивными. Для того, чтобы"увидеть" с помощью электронной микроскопии присутствие в"колонке" атомов кремния одного примесного атома, требовалось приготовить образцы с толщиной менее 3 нм. Кроме того, было необходимо, чтобы вариации толщины образца были малы, а структурное совершенство очень высоко (отсутствовал слой SiO₂ на поверхности и т.д.). Американским ученым удалось обеспечить требуемые условия и они были вознаграждены - впервые с помощью электронной микроскопии удалось наблюдать отдельные атомы примеси и примесные комплексы. На рис.1 показаны полученные с помощью моделирования и экспериментальные изображения разных типов комплексов с участием примеси.

1. P.M.Voyles, D.A.Muller, J.L.Grazul et al. Nature, v.416, 826 (2002).

перейти к началу страницы