Новости науки 18.06.02. Исследование полупроводниковых структур с помощью электронной голографии

Постоянное стремление к миниатюризации полупроводниковых устройств стимулирует развитие удобных высокочувствительных методов исследования, позволяющих проводить изучение объектов по возможности в ⌠приближенных к боевым" условиях. Английские ученые использовали электронную голографию для исследования пространственного распределения электрического поля в тонких кремниевых p-n переходах.

Одним из важнейших объектов исследования являются, конечно, кремниевые структуры. Недавно мы писали о том, что с помощью просвечивающей электронной микроскопии можно наблюдать в специально приготовленных образцах отдельные атомы примеси ; еще лучших результатов можно достичь, применяя одновременно дополнительные методики идентификации атомов (по энергетической структуре внутренних электронных оболочек). Однако исследовательские методики, обладающие столь высоким разрешением, предназначены скорее для решения относительно фундаментальных вопросов вроде идентификации различных типов сложных дефектов, являющихся ловушками для электронов (дырок), и ответственных за снижение эффективности легирования (см. новость по ссылке выше).

Рис.1. a - схематическое изображение геометрии образца, b - образец на вставке, позволяющей прикладывать к p-n переходу напряжение (в экспериментах на p-n переход подавалось обратное смещение).

С прикладной точки зрения больший интерес представляют методики, пусть и не обладающие столь высоким пространственным разрешением, зато позволяющие изучать цельные структуры, тем более - работающие устройства. Одной из таких электронно-микроскопических методик является электронная голография , которая позволяет визуализировать электрическое поле в области исследуемого образца с нанометровым разрешением. Мы уже писали об использовании электронной голографии для определения величины и пространственного распределения электрического поля вблизи отдельной многостенной углеродной нанотрубки в процессе полевой эмиссии.

Электронная голография применялась и для исследования полупроводниковых устройств, например, пространственного распределения примесей (и связанного с ним распределения потенциала электрического поля) в МОП-транзисторах субмикронного размера. Ученые из Кембриджского университета сделали еще один шаг вперед, сумев использовать электронную голографию для изучения пространственного распределения электрического поля в p-n переходах с толщиной в несколько сотен нанометров при приложении к исследуемой структуре напряжения [1]. Для этого им потребовалось изготовить образцы нестандартной формы.

Полученные с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии кремниевые p-n переходы (слой кремния, легированного бором, толщиной 2.5 мкм, выращенный на легированной сурьмой кремниевой подложке) подвергались ионному травлению для получения специальной тонкой"мембраны" толщиной до 200 нм на одном из углов образца (рис. 1a). Изготовленный таким способом образец помещался на специальную державку, позволяющую прикладывать напряжение к p-n переходу непосредствено в процессе эксперимента (внутри просвечивающего электронного микроскопа) - рис. 1b.

Рис.2. Схематическое изображение распределения электрического поля в"толстых" (a) и ⌠тонких" образцах (b).

С помощью электронной голографии английские ученые провели исследование мембран разной толщины при различных приложенных напряжениях, что позволило определить пространственное распределение потенциала электрического поля в исследуемых структурах. Схематически такое распределение показано на рис. 2 для ⌠толстой" (a) и"тонкой" (b) мембран. На рисунке хорошо видно, как по мере утоньшения мембраны уменьшается относительная толщина электрически активного слоя и растет ширина обедненного слоя (w). Как бы аккуратно не стремились исследователи проводить процедуру ионного травления, на поверхности мембраны все равно образуется поврежденный (аморфизованный) слой толщиной порядка 30 нм с каждой стороны мембраны, что приводит к ограничению минимальной толщины образцов, с которыми можно работать.

1. A.C.Twitchett, R.E.Dunin-Borkowski, and P.A.Midgley. Phys.Rev.Lett., v.88, 238302 (2002).

перейти к началу страницы