Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах как между собой, так и с неоднородностями в них может сопровождаться интерференцией аналогичной той, которая наблюдается для световых волн. Отличительная особенность такой интерференции состоит в том, что благодаря наличию у электронов заряда имеется возможность управлять ими с помощью локального электростатического или электромагнитного поля и таким образом влиять на распространение электронных волн.

Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов, является их способность проникать через преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Это было названо туннелированием. Схематически оно представлено на рис.6. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду. требующую для преодоления большей энергии U, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако как волна он хотя и с потерей энергии, но проходит через эту преграду. Соответствующая волновая функция, а через нее и вероятность туннелирования рассчитываются из уравнения Шрёдингера

Рис. 6. Туннелирование электрона с энергией E через потенциальный барьер высотой U, U>E

Эта вероятность тем выше, чем геометрически тоньше барьер и меньше ратина между энергией падающего электрона и высотой барьера.

Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Другим специфическим проявлением квантово - го ограничения является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады (рис. 7). Чтобы объяснить этот термин, рассмотрим иллюстрируемый рис. 7 пример прохождения электроном структуры металл-диэлектрик-металл. В качестве наглядной иллюстрации параллельно проводится аналогия с каплей, отрывающейся от края трубки. Первоначально граница раздела между металлом и диэлектриком электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Таким образом, перенос заряда в такой структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона. Процесс же накопления заряда и отрыва электрона от границы металла с диэлектриком определяется балансом сил кулоновского взаимодействия этого электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в металле.

Рассмотренные квантовые явления уже используются в разработанных к настоящему времени наноэлектронных элементах для информационных систем. Однако следует подчеркнуть, что ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона. Активные поисковые исследования в этом направлении продолжаются и сегодня.

2.3 Методы и средства изучения свойств наноструктур

Появление наноструктур потребовало новых методов и средств, позволяющих изучать их свойства. С момента изобретения Г. Биннингом и Г. Рорером первого варианта сканирующего туннельного зондового микроскопа в 1982 г. прошло всего 20 лет, но за это время из остроумной игрушки он превратился в один из мощнейших инструментов нанотехнологии. Сейчас известны десятки различных вариантов зондовой сканирующей микроскопии (SPM - scanning probe microscopy).

Как видно из названия, общее у этих методов - наличие зонда (чаще всего это хорошо заостренная игла с радиусом при вершине ~10 нм) и сканирующего механизма, способного перемещать его над поверхностью образца в трех измерениях. Грубое позиционирование осуществляют трехкоординатными моторизированными столами. Тонкое сканирование реализуют с помощью трехкоординатных пьезоактюаторов, позволяющих перемещать иглу или образец с точностью в доли ангстрема на десятки микрометров по х и y и на единицы микрометров - по z. Все известные в настоящее время методы SPM можно условно разбить на три основные группы:

сканирующая туннельная микроскопия; в ней между электропроводящим острием и образцом приложено небольшое напряжение (~0.01-10 В) и регистрируется туннельный ток в зазоре, зависящий от свойств и расположения атомов на исследуемой поверхности образца;

атомно-силовая микроскопия; в ней регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и способной изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом кантилевере при изгибе;

ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка "вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности.

В лучших модификациях туннельной и атомно-силовой микроскопии удается обеспечить атомное разрешение, за которое пучковая электронная микроскопия боролась более полувека и сейчас достигает ее в крайне редких случаях. Размеры и стоимость зондовых микроскопов значительно ниже, чем у традиционных электронных, а возможностей даже больше: они могут работать при комнатной, повышенной и криогенной температуре, на воздухе, в вакууме и в жидкости, в условиях действия сильных магнитных и электрических полей, СВЧ - и оптического облучения и т.п. Зондовыми методами можно исследовать самые разнообразные материалы: проводящие, диэлектрические, биологические и другие - без трудоемкой подготовки образцов. Они могут использоваться для локального определения атомных конфигураций, магнитных, электрических, тепловых, химических и других свойств поверхности. Особенно интересны попытки зарегистрировать спин-зависимые явления, определяющие величину туннельного тока в зависимости от поляризации одного-единственного электрона в атоме на исследуемой поверхности. Это прямой путь к решению задач одноэлектроники и спинтроники.

Очень важно, что помимо исследовательских функций сканирующая туннельная микроскопия может выполнять еще и активные - обеспечивать захват отдельных атомов, перенос их в новую позицию, атомарную сборку проводников шириной в один атом, локальные химические реакции, манипулирование отдельными молекулами.

Типовая схема осуществления сканирующих зондовых методов исследования и модификации поверхности в нанотехнологии (а) и три основных типа приборов: б - туннельный микроскоп, в - атомно-силовой микроскоп и г - ближнепольный оптический микроскоп.

Обычно используют два основных способа манипуляции атомами с помощью иглы - горизонтальный и вертикальный. Процесс вертикальной манипуляции отличается от горизонтальной тем, что после захвата нужный атом отрывают от поверхности, поднимая зонд на несколько ангстрем. Это, разумеется, требует больших усилий, чем "перекатывание" атома по поверхности, но зато потом процесс переноса не зависит от встречающихся на ней препятствий (ступеней, ям, адсорбированных атомов). Процесс отрыва атома от поверхности контролируют по скачку тока. После перемещения в необходимое место его "сбрасывают”, приближая острие к поверхности и переключая напряжение на игле. В сущности это пока лишь демонстрация возможности достижения теоретического предела в оперировании веществом при конструировании полезных человеку устройств. Осуществление атомных манипуляций в массовом масштабе, пригодном для производства, требует преодоления многих сложностей: необходимости криогенных температур и сверхвысокого вакуума, низкой производительности и надежности и т.д.

Гораздо больших успехов зондовые методы достигли в нанолитографии - "рисовании" на поверхности различных наноструктур с характерными размерами в десятки нм. Ближе всего к практическим приложениям подошли процессы трех типов: химического окисления поверхности, индуцируемого движущимся острием; осаждения с острия наноостровков металла на поверхность за счет скачка напряжения; контролируемого наноиндентирования и наноцарапания. Минимальные размеры элементов, создаваемых этими способами, составляют около 10 нм, что позволяет в принципе осуществлять очень плотную запись, но производительность и надежность оставляют желать много лучшего. Диапазон от 1 до 10 нм пока не освоен для литографии даже в лабораторных условиях.

Развитие зондовых методов в направлении силового нанотестинга поверхности дает возможность исследовать механические свойства тонких приповерхностных слоев в нанообъемах, атомные механизмы наноконтактной деформации при сухом трении, абразивном износе, механическом сплавлении и др.

Усовершенствование зондов для сканирующей микроскопии вызвало к жизни поток публикаций о разработке и применении миниатюрных механических, химических, тепловых, оптических и других сенсоров для различных задач.

Кантилеверы, создававшиеся первоначально для нужд атомно-силовой микроскопии, демонстрируют высокую чувствительность не только к приложенным силам, но и к химическим реакциям на поверхности, магнитному полю, теплу, свету. Массивы кантилеверов из кремния, получаемые хорошо разработанными в полупроводниковой промышленности технологиями и содержащие несколько десятков (а иногда и сотен) отдельных датчиков, позволяют реализовать на одном чипе функции "электронного носа” или "электронного языка" для химического анализа газов и жидкостей, воздуха, продуктов питания. Так, разработан сенсор, представляющий собой кантилевер с "пришитой” химически биомолекулой на кончике острия. Эта молекула (например, антитело или энзим) может селективно вступать в химическое взаимодействие только с избранными веществами, которые могут находиться в многокомпонентном растворе. Захват определенной молекулы из раствора и связывание ее на кончике острия приводит к изменению резонансной частоты кантилевера на известную величину, что расценивается как доказательство присутствия детектируемых молекул в пробе. Легко понять, что чувствительность и избирательность таких сенсоров позволяет обнаруживать и регистрировать отдельные молекулы в растворе!

Отметилась зондовая техника и среди претендентов, обещающих повысить плотность записи информации. В частности, компания IBM финансирует проект "Millipede" (от лат. - тысяченожка), возглавляемый одним из нобелевских лауреатов 1986 г. Биннингом. Первоначально в качестве прототипа использовали модифицированный атомно-силовой микроскоп, который наносил на поверхность пластика отпечатки путем наноиндентирования. Однако для этого нужен весьма жесткий и массивный кантилевер, что делает процесс записи и считывания малопроизводительным. В проекте для увеличения производительности предлагается использовать одновременно несколько тысяч кантилеверов, собранных в матрицу (опытный образец имеет 1024 острия, размещенных на площади 3ґ3 мм²). Каждый кантилевер имеет длину 70 мкм, ширину 10 мкм и толщину 0.5 мкм. На его свободном конце сформировано острие высотой 1.7 мкм и радиусом в вершине менее 20 нм. Для уменьшения требуемых при наноиндентировании усилий, снижения массы кантилевера и увеличения стойкости острия последнее нагревают короткими импульсами тока до 300-400°С, что локально размягчает пластиковую пленку, на которую записывается информация. В процессе доводки - матрица 64ґ64 острия на площади около 7 мм². Она имеет общую производительность несколько сотен Мбайт/с как при записи, так и при считывании.

Биннинг с оптимизмом заявляет, что за несколько лет группа надеется преодолеть терабитный барьер (имеется в виду ~Тбайт/дюйм²) и приблизиться к атомной плотности записи (~103 Тбайт/см²), что в принципе достижимо методами атомно-силовой микроскопии. Заметим, что помимо IBM и другие компании ("Hewlett-Packard”, "Hitachi”, "Philips”, "Nanochip”) ведут интенсивные разработки устройств со сверхвысокой плотностью записи. Так что сейчас трудно сказать, какие из этих продуктов ждет коммерческий успех. Но интуиции нобелевских лауреатов, видимо, стоит доверять, как это делают такие гиганты, как IBM.

Итак, зондовые методы стали универсальным средством исследования, атомарного дизайна, проведения химических реакций между двумя выбранными атомами (молекулами), записи и хранения информации с предельно возможным в природе разрешением ~10^-10 м (для атомарных структур), а также последующего ее считывания.

2.5 Применение наноструктур

Физические процессы в устройствах на основе квантовых точек можно проиллюстрировать с помощью схемы работы одноэлектронного транзистора. Возьмем для определенности сферический нанокристалл и поместим его в среду с диэлектрической проницаемостью е. Его емкость будет С = eR, а потенциал U = q/C, где q - электрический заряд. Для нанокристалла диаметром R в несколько нанометров величина емкости составляет примерно 10^-18 Ф. Если поместить в него электрон (с зарядом 1,6*10^-19 Кл), то его потенциал изменится примерно на 0,1 В и будет увеличиваться пропорционально 1/R.

Этого потенциала вполне достаточно, чтобы воспрепятствовать движению других электронов. Схематическое изображение транзистора с нанокристаллом CdSc в качестве активного элемента приведено на рис. 7.

Рис. 7. Схема транзистора с нанокристалом CdSe в качестве активного элемента.

Прибор изготовляется на кремниевой подложке, на которую можно подать напряжение V_g для изменения положения уровня энергии в нанокристалле. Подложка отделена слоем окиси кремния Si0₂ от золотых электродов, на которые высажены нанокристаллы. Один из нанокристаллов замыкает электроды. Если приложить небольшое (несколько милливольт) напряжение V между электродами, то при определенном напряжении V_g электрон попадает в нанокристалл на соответствующий энергетический уровень. При этом наблюдается всплеск тока, составляющий 10^-12 А. Очередное изменение V_g вновь приведет к всплеску тока. Количество таких всплесков зависит от числа уровней размерного квантования и, в принцип, определяется размерами нанокристалла. Сопротивление прибора, схема которого представлена на рис.7, обычно составляет около 10 МОм. Появились уже сообщения о создании одноэлектронной памяти, работающей при комнатной температуре. Прибор основан на транзисторе, в котором один электрон, захватываемый в нанокристалл, приводит к запиранию одного из каналов транзистора.

Наиболее успешно квантовые структуры используются дня создания лазеров. Схема такого лазера представлена на рис. 8.

Рис. 8. Энергетическая схема лазера на квантовой яме.

Предварительно уместно будет напомнить, что для работы лазера необходимо создать инверсную заселенность энергетических уровней. Другими словами, на более высоком уровне должно находиться больше электронов, чем на низком, в то время как в состоянии теплового равновесия ситуация обратная. Далее, каждому лазеру необходим оптический резонатор, или система зеркал, которая задерживает электромагнитное излучение в рабочем объеме.

Для того чтобы квантовую яму превратить в лазер, нужно ее подсоединить к двум контактам, через которые электроны могут непрерывно поступать в рабочую область. Пусть через один контакт электроны поступают в зону проводимости. Далее, совершая скачки из зоны проводимости в валентную зону, они будут излучать кванты энергии (рис.8). Затем через валентную зону носители тока должны уходить на другой контакт.

В соответствии с теорией частота излучения и определяется условием

где Е^с₁ и Е^в₁ - энергии первых энергетических уровней в зоне проводимости и валентной зоне, Е₃ - ширина запрещенной зоны.

Электромагнитное излучение, генерируемое лазером, нужно сконцентрировать в центральной, рабочей области прибора. Для этого показатель преломления внутренних слоев должен быть больше, чем внешних. Можно сказать, что внутренняя область играет роль волновода. На границе этого волновода нанесены зеркала, которые образуют резонатор.

Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. В частности, эти приборы можно перестраивать, управляя параметрами энергетического спектра. Действительно, меняя размеры квантовой ямы, можно изменять, согласно выражению (), частоту излучения. Далее, подбирая толщину квантовой ямы, можно добиться, чтобы затухание волны в оптической линии связи, в которую поступает излучение, было минимальным. Кроме того, в двумерном электронном газе легче создать инверсную заселенность. Поэтому лазеры на квантовых структурах достаточно экономны, дают больше света на единицу потребляемой энергии - до 60% электрической мощности преобразуется в свет.

Полупроводниковые квантовые точки также перспективны для создания полупроводниковых лазеров. Электрон в квантовой точке переходит с одного уровня в зоне проводимости на другой в валентной зоне с испусканием фотона с энергией ћн, равной разности уровней размерного квантования. Если в структуре с множеством одинаковых квантовых точек инициировать согласованные переходы электронов, то возникает лазерное излучение, генерация которого обычно является следствием пропускания тока через структуру. Такая генерация уже получена. Перед учеными сейчас стоит задача технологического характера - уменьшать разброс размеров квантовых точек при росте структур.

Практическая важность лазеров общеизвестна. Отсюда огромная потребность в них, и следовательно, стремление улучшать технико-экономические показатели названных устройств. Проводимые последние примерно тридцать лет исследования квантовых эффектов в полупроводниковых структурах позволяют уже сейчас считать, что наноструктуры станут основными элементами больших интегральных схем, способных с высокой скоростью перерабатывать и хранить огромные объемы информации. Возможно, что уже в недалеком будущем наступит эра квантовой полупроводниковой электроники. Данное обстоятельство можно проиллюстрировать на примере полупроводниковых лазеров инфракрасного (ИК) диапазона (2-5 мкм). Интерес к ним связан с широкими возможностями их научного и практического применения в различных областях науки и техники. С помощью ИК-лазеров как элементов полупроводниковых газоанализаторов осуществляют химический контроль выбросов в атмосферу, так как в диапазоне длин волн 2-5 мкм лежат полосы поглощения многих вредных (токсичных) промышленных газов. Длины волн излучения современных ИК-лазеров попадают в окна прозрачности атмосферы 3,5-5 и 8-13 мкм. Это означает, что они могут находить широкое применение в области телекоммуникации и локации. Широкое применение находят длинноволновые лазеры в ИК-спектроскопии и медицине. Известно, что высокоэнергетические лазеры используют в качестве хирургического инструмента - это так называемый световой скальпель. Низкоэнергетические лазеры используются для

· избирательного разрушения клеток раковой опухоли - фотодинамическая терапия,

· облучения плохо заживающих ран или крови человека - лазеротерапия.

Однако создание ИК-лазеров, эффективно работающих при комнатной температуре в непрерывном режиме, затруднено на сегодня, главным образом, из-за заметного преобладания процессов безизлучательной рекомбинации неравновесных носителей над процессом излучательной рекомбинации. Кроме того, в ИК-лазерах заметно усилены потери, связанные с внутризонным поглощением излучения. И наконец, у длинноволновых лазеров усилены процессы разогрева носителей и решетки, что приводит к срыву генерации. Выполненные к настоящему времени исследования показали, что для решения указанных проблем с целью создания эффективных ИК-лазеров следует использовать полупроводниковые гетероструктуры с глубокими квантовыми ямами.

Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства. Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.

Наиболее крупнотоннажным (после строительных) является производство высокопрочных конструкционных материалов, главным образом металлов и сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделий из них зависят от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др. Известно, что прочность материалов определяется химическим составом и реальной атомарной структурой (т.е. наличием определенной кристаллической решетки - или ее отсутствием - и всем спектром ее несовершенств). Высоких прочностных показателей можно добиваться двумя прямо противоположными способами: снижая концентрацию дефектов структуры (в пределе приближаясь к идеальному монокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличивая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути широко используют в современном физическом материаловедении и производстве.

Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только алмазу. При этом резко увеличивается износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозионная стойкость изделия, сделанного из сравнительно дешевого материала. По пленочной технологии можно создавать не только сплошные или островковые покрытия, но и щетинообразные, с упорядоченным расположением нановорсинок одинаковой толщины и высоты. Они могут работать как сенсоры, элементы экранов высокого разрешения и в других приложениях.

Способность углерода образовывать цепочки - С-С-С - используется Природой для создания биополимеров, а человеком - синтетических полимеров и разнообразных пластмасс. В 1985 г.Х. Крото с сотрудниками обнаружили в парах графита, полученных его испарением под лазерным пучком, кластеры (или многоатомные молекулы) углерода. Наиболее стабильными из них оказались С₆₀ и С₇₀. Как выяснилось в результате структурного анализа, первый из них имел форму футбольного, а второй - регбийного мяча. Позднее их стали называть фуллеренами в честь американского архитектора Р. Фуллера, получившего в 1954 г. патент на строительные конструкции в виде многогранных сфероидов для перекрытия больших помещений. Шарообразные (или дынеобразные) молекулы имеют необычную симметрию и уникальные свойства. Все ковалентные связи в них насыщены, и между собой они могут взаимодействовать только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам. При этом последних хватает, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры (фуллериты). К каждой такой молекуле можно "привить" другие атомы и молекулы, можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы, как в суперпрочный контейнер, или полимеризовать их, раскрыв внутренние связи, и т.д.

Впоследствии научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки. Крайне важно, что свойствами нанотрубок удается управлять, изменяя их хиральность - скрученность решетки относительно продольной оси. При этом легко можно получить проволоку нанометрового диаметра как с металлическим типом проводимости, так и с запрещенной зоной заданной ширины. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, - канал полевого транзистора. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и показали свою работоспособность. Нанотрубки с регулируемым внутренним диаметром служат основой идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов. Кроме того, нанотрубки могут использоваться как сенсоры, атомарно острые иголки, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения.

Основные методы создания тонкопленочных структур можно разбить на два больших класса, базирующихся на физическом (в первую очередь, молекулярно-лучевой эпитаксии) и химическом осаждении. При малой толщине (до нескольких атомных слоев) двумерная подвижность осаждаемых на подложку атомов может быть очень высокой. В результате быстрой диффузии по поверхности происходит самосборка нанообъектов, обладающих ярко выраженными квантовыми свойствами: образуются квантовые точки, квантовые ямы, квантовые проволоки, кольца и др. Если систему квантовых точек покрыть слоем инертного материала, а затем снова напылить активный материал, то опять образуются островки, самоупорядочивающиеся на поверхности и даже скоррелированные с положением их предшественников. Повторяя такие процедуры множество раз, можно получить объемно упорядоченные структуры (квазирешетки) из квантовых ям или точек, называемые гетероструктурами, и сделать на их основе лазерные источники света, фотоприемники (в том числе инфракрасного излучения в области длин волн 8-14 мкм, соответствующей максимуму теплового излучения человеческого тела), накопители информации. Вся современная микроэлектроника базируется на планарных полупроводниковых технологиях, которые дают возможность создавать самые разнообразные многослойные тонкопленочные структуры с функциями сенсоров, логической и арифметической обработки сигнала, его хранения и передачи по электронным или оптическим линиям связи.

3. Экспериментальное исследование электрофизических параметров полупроводниковых материалов

Данная глава посвящена исследованию электрофизических параметров полупроводниковых материалов. В ходе экспериментов определялись удельное сопротивление с использованием четырехзондовой методики, тип электропроводности, температурная зависимость электрического сопротивления полупроводников, вольт-амперные характеристики фоторезисторов, определение толщины диффузионного слоя методом косого шлифа, определение толщины окисного слоя методом наблюдения цвета пленки.

3.1 Измерение удельного сопротивления четырехзондовым методом и определение типа электропроводности

Цель работы:

Определить удельное сопротивление полупроводникового образца с использованием четырехзондовой методики, а также определить тип электропроводности полупроводникового образца с использованием термозонда.

Оборудование: потенциометр, мультиметр MY-64, магазин сопротивлений, универсальный мост, реостат 5000 Ом, держатель образца, полупроводниковые образцы произвольной формы, источники постоянного тока, ключи и переключатели.

Схема экспериментальной установки:

Для определения удельного сопротивления образцов:

Для определения типа проводимости образцов:

Экспериментальные данные:

1. Определение типа проводимости:

№ образца	1	2	3	4
Тип проводимости	электронный	электронный	электронный	дырочный

2. Определение удельного сопротивления:

n=5 б=0,9 t=2,1
Образец №1
№	I, мА	U, В	U/I	?, Ом*м	??, Ом*м	???, (Ом*м) 2	S, Ом*м	??, Ом*м	????
1	2	0,06	0,03	2,4492	-0,073476	0,005398723	0,013	0,0281711	1, 19
2	2	0,06	0,0295	2,40838	-0,032656	0,001066414
3	2	0,06	0,0285	2,32674	0,048984	0,002399432
4	2	0,06	0,0295	2,40838	-0,032656	0,001066414
5	2	0,06	0,028	2,28592	0,089804	0,008064758
ср. знач				2,37572	-3,553E-16	0,003599148
Образец №2
№	I, мА	U, В	U/I	?, Ом*м	??, Ом*м	???, (Ом*м) 2	S, Ом*м	??, Ом*м	????
1	2	0,06	0,0295	2,40838	-0,032656	0,001066414	0,083	0,1745869	6,46
2	2	0,07	0,0355	2,89822	-0,522496	0,27300207
3	2	0,06	0,032	2,61248	-0,236756	0,056053404
4	2	0,07	0,0335	2,73494	-0,359216	0,129036135
5	2	0,07	0,035	2,8574	-0,481676	0,232011769
ср. знач				2,70228	-0,32656	0,138233958
Образец №3
№	I, мА	U, В	U/I	?, Ом*м	??, Ом*м	???, (Ом*м) 2	S, Ом*м	??, Ом*м	????
1	2	7,86	3,93	320,845	-318,46948	101422,8071	49,98	104,95215	47,8
2	2	5,33	2,665	217,571	-215, 19488	46308,83466
3	2	4,32	2,16	176,342	-173,96668	30264,40436
4	2	4,5	2,25	183,69	-181,31428	32874,86668
5	2	4,89	2,445	199,61	-197,23408	38901,28074
ср. знач				219,612	-217,23588	49954,43872
Образец №4
№	I, мА	U, В	U/I	?, Ом*м	??, Ом*м	???, (Ом*м) 2	S, Ом*м	??, Ом*м	????
1	2	6,7	3,35	273,494	-271,11828	73505,11958	82,98	174,25773	47,3
2	2	10,8	5,4	440,856	-438,48028	192264,9524
3	2	10,6	5,3	432,692	-430,31628	185172,0974
4	2	8,7	4,35	355,134	-352,75828	124438,4013
5	2	8,3	4,15	338,806	-336,43028	113185,3306
ср. знач				368, 196	-365,82068	137713,1803

Вывод:

В ходе выполнения данной работы были определены тип электропроводности и удельное сопротивление для четырех полупроводниковых образцов. В результате установлено, что для каждого образца эти величины имеют следующие значения:

Образец	Тип проводимости	с, Ом•см
1	Электронный	0,024
2	Электронный	0,027
3	Электронный	2, 19
4	Дырочный	3,68

Сопоставляя полученные значения удельного сопротивления с табличными, с учетом определенного типа проводимости можно сделать вывод, что исследованные образцы под номерами 1,2 принадлежат к марке монокристаллического кремния КЭФ 3В, образец №3 к марке КЭФ 1А, а образец №4 к марке КДБ 1А.

В ходе исследования была снята температурная зависимость удельного сопротивления при комнатной температуре t=23°C и при температуре t=-8°C. В результате установлено, что с понижением температуры удельное сопротивление уменьшается, что соответствует теории.

3.2 Исследование температурной зависимости электрического сопротивления полупроводников

Цель работы: ознакомление с классическим методом измерения сопротивления при помощи резистивного моста; вычисление удельного сопротивления.

Оборудование: мост постоянного тока, нагреватель, измеритель температуры, терморезисторы, мультиметр MY-64.

Схема экспериментальной установки

Экспериментальные данные: ММТ-8

№	t,°C	T, K	1/T*10Ї?	R, Ом	LnR	DE*10Іі, Дж/К	DR, Ом	DRІ, ОмІ	S	DR, Ом	e???
1	20	293	341,297	117,85	4,769413	55,96605634	-0,9412	0,88595	0,07	0,1291	0,1
2	40	313	319,489	117,33	4,76499		-0,4213	0,17745
3	50	323	309,598	117,21	4,763967		-0,3012	0,09075
4	60	333	300,3	116,98	4,762003		-0,0713	0,00508
5	70	343	291,545	116,77	4,760206		0,13875	0,01925
6	80	353	283,286	116,51	4,757977		0,39875	0,159
7	90	363	275,482	116,39	4,756947		0,51875	0,2691
8	100	373	268,097	116,23	4,755571		0,67875	0,4607
ср. знач				116,9088			-2E-15	0,25841

ММТ-8

№	t,°C	T, K	1/T*10Ї?	R, Ом	LnR	DE*10Іі, Дж/К	DR, Ом	DRІ, ОмІ	S	DR, Ом	e???
1	20	293	341,297	20,62	3,026261	1719,798835	-7,405	54,834	0,62	1,1815	8,9
2	40	313	319,489	18	2,890372		-4,785	22,8962
3	50	323	309,598	16	2,772589		-2,785	7,75623
4	60	333	300,3	14,3	2,66026		-1,085	1,17723
5	70	343	291,545	12	2,484907		1,215	1,47623
6	80	353	283,286	10,8	2,379546		2,415	5,83223
7	90	363	275,482	8	2,079442		5,215	27, 1962
8	100	373	268,097	6	1,791759		7,215	52,0562
ср. знач				13,215			0	21,6531

КМТ-12

№	t,°C	T, K	1/T*10Ї?	R, Ом	LnR	DE*10Іі, Дж/К	DR, Ом	DRІ, ОмІ	S	DR, Ом	e???
1	14	287	348,432	590	6,380123	8035,673521	-111,25	12376,6	8,85	16,815	3,5
2	16	289	346,021	550	6,309918		-71,25	5076,56
3	18	291	343,643	520	6,253829		-41,25	1701,56
4	20	293	341,297	490	6, 194405		-11,25	126,563
5	22	295	338,983	450	6,109248		28,75	826,563
6	24	297	336,7	430	6,063785		48,75	2376,56
7	26	299	334,448	410	6,016157		68,75	4726,56
8	28	301	332,226	390	5,966147		88,75	7876,56
ср. знач				478,75			0	4385,94

Вывод:

В ходе выполнения данной работы были cняты температурные характеристики, вычислена ширина запрещённой зоны полупроводника. В результате установлено, что зависимость сопротивления полупроводника от температуры имеет экспоненциальный характер.

3.3 Изучение фотопроводимости полупроводников

Цель работы: исследовать вольт-амперные характеристики фоторезисторов.

Оборудование: мультиметр MY-64, реостат 5000 Ом, источник постоянного тока, источник питания, люксметр Ю116, фоторезистор ФСК-1, осветитель, проектор на 2000 лк.

Схема экспериментальной установки:

Экспериментальные данные: ВАХ ФСК-1

E=100 Лк	n=16	б=0,9	t=1,8
№	U, В	Ic, мА	Iт, мА	Iф, мА	I, мА	?I, мА		S	?I, мА	????
1	1	0,005	0	0,005	0,0101	0,0051	0,00002601	0,001	0,002	0,7
2	2,2	0,012	0,001	0,011	0,02222	0,01122	0,000125888
3	3,5	0,021	0,001	0,02	0,03535	0,01535	0,000235623
4	5,5	0,036	0,001	0,035	0,05555	0,02055	0,000422303
5	7,9	0,06	0,001	0,059	0,07979	0,02079	0,000432224
6	9,9	0,079	0,002	0,077	0,09999	0,02299	0,00052854
7	15	0,137	0,002	0,135	0,1515	0,0165	0,00027225
8	20,2	0, 191	0,002	0,189	0, 20402	0,01502	0,0002256
9	25,2	0,248	0,002	0,246	0,25452	0,00852	7,25904E-05
10	30	0,29	0,002	0,288	0,303	0,015	0,000225
11	34,8	0,342	0,003	0,339	0,35148	0,01248	0,00015575
12	40,1	0,408	0,003	0,405	0,40501	1E-05	1E-10
13	44,9	0,463	0,003	0,46	0,45349	-0,00651	4,23801E-05
14	50	0,515	0,003	0,512	0,505	-0,007	4,9E-05
15	55	0,568	0,003	0,565	0,5555	-0,0095	9,025E-05
16	60,3	0,625	0,003	0,622	0,60903	-0,01297	0,000168221
ср. знач					0,255972	0,007971875	0,000255528
E=200 Лк	n=14	б=0,9	t=1,8
№	U, В	Ic, мА	Iт, мА	Iф, мА	I, мА	?I, мА		S	?I, мА	????
1	1	0,011	0	0,011	0,0173	0,0063	0,00003969	0,001	0,002	0,4
2	2	0,023	0,001	0,022	0,0346	0,0126	0,00015876
3	5,5	0,081	0,001	0,08	0,09515	0,01515	0,000229523
4	10,5	0,162	0,002	0,16	0,18165	0,02165	0,000468723
5	15,2	0,241	0,002	0,239	0,26296	0,02396	0,000574082
6	20	0,336	0,002	0,334	0,346	0,012	0,000144
7	25	0,419	0,002	0,417	0,4325	0,0155	0,00024025
8	30	0,5	0,002	0,498	0,519	0,021	0,000441
9	35,2	0,606	0,003	0,603	0,60896	0,00596	3,55216E-05
10	40,1	0,693	0,003	0,69	0,69373	0,00373	1,39129E-05
11	45,2	0,784	0,003	0,781	0,78196	0,00096	9,216E-07
12	50	0,874	0,003	0,871	0,865	-0,006	3,6E-05
13	55,1	0,961	0,003	0,958	0,95323	-0,00477	2,27529E-05
14	60,1	1,064	0,003	1,061	1,03973	-0,02127	0,000452413
ср. знач					0,487984	0,007626429	0,000262273
E=500 Лк	n=14	б=0,9	t=1,8
№	U, В	Ic, мА	Iт, мА	Iф, мА	I, мА	?I, мА		S	?I, мА	????
1	1	0,018	0	0,018	0,0311	0,0131	0,00017161	0,002	0,003	0,4
2	2,2	0,048	0,001	0,047	0,06842	0,02142	0,000458816
3	5,1	0,129	0,001	0,128	0,15861	0,03061	0,000936972
4	10	0,271	0,002	0,269	0,311	0,042	0,001764
5	15,1	0,428	0,002	0,426	0,46961	0,04361	0,001901832
6	20	0,59	0,002	0,588	0,622	0,034	0,001156
7	25	0,753	0,002	0,751	0,7775	0,0265	0,00070225
8	30	0,908	0,002	0,906	0,933	0,027	0,000729
9	34,8	1,067	0,003	1,064	1,08228	0,01828	0,000334158
10	39,8	1,239	0,003	1,236	1,23778	0,00178	3,1684E-06
11	45,2	1,413	0,003	1,41	1,40572	-0,00428	1,83184E-05
12	50,6	1,592	0,003	1,589	1,57366	-0,01534	0,000235316
13	55,4	1,749	0,003	1,746	1,72294	-0,02306	0,000531764
14	59,7	1,885	0,003	1,882	1,85667	-0,02533	0,000641609
ср. знач					0,875021	0,013592143	0,000869376

Вывод: Вольт-амперная характеристика прибора нелинейная при малых освещенностях и линейная при больших, т.е. выполняется закон Ома в широкой области изменения напряжения. В области слабых электрических полей фоторезисторы являются омическими сопротивлениями.

3.4 Измерение толщины диффузионного слоя методом шарового шлифа

Цель работы:

Определить толщину диффузионного слоя эпитаксиальной структуры методом шарового шлифа (R=20 см).

Оборудование: микроскоп

Экспериментальные данные:

Таблица 2.4.1 Определение толщины диффузионного слоя.

№ образца	R, мм	х, мм	у, мм	хi, мкм
1	200	0,28	1,96	1,4
2	200	0,18	1,02	0,46
3	200	0,77	2,48	4,7

Вывод: мы получили разумные значения толщины диффузионного слоя. Данное исследование проводилось для более полного понимания технологии изготовления полупроводниковых приборов.

3.5 Измерение толщины окисного слоя визуальным цветовым методом контроля наблюдения цвета пленки

Цель работы: определить толщину окисного слоя эпитаксиальной структуры визуальным цветовым методом контроля наблюдения цвета пленки.

Экспериментальные данные:

Таблица 2.4.1 Определение толщины окисного слоя.

№ образца	Цвет пленки	m	d, мкм для разных порядков интерференции
1	фиолетовый	1	0,3
		2	0,46
		3	0,63
2	фиолетовый	1	0,3
		2	0,46
		3	0,63
3	Зелено-голубой	1	0,32
		2	0,5
		3	0,72

Вывод: мы получили разумные значения толщины окисного слоя. Зная порядок интерференции можно выбрать соответствующее значение толщины пленки. Данное исследование проводилось для более полного понимания технологии изготовления полупроводниковых приборов, т.к. большое значение при изготовлении полупроводниковых приборов играет формирование окисного слоя на кремниевой подложке и его параметры.

3.6 Оценочные расчеты теоретического предела минимального размера изображения при различных видах литографии

Теоретически достижимая минимальная ширина линии l_min рисунка в зависимости от длины волны л облучения, применяемого для экспонирования, в соответствии с критерием Рэлея определяется соотношением:

(2.6.1)

Рассмотрим, как изменяется l_min в зависимости от л.

Таблица 2.6.1 Оценка теоретического предела минимального размера изображения, получаемого при литографии.

Метод литографии	л, нм	n		, нм
Фотолитография	Ртутная лампа	400	1	0,95	256,84
	Эксимерный лазер KrF	248			158,72
	Эксимерный лазер ArF	193			123,52
	Эксимерный лазер F2	157			100,48
EUV-литография	13			8,32
Рентгеновская литография	0,1			0,06
Электронная литография	<1			<0,06

Из таблицы видно, что чем меньше длина волны используемого излучения, тем меньше минимальная ширина линии рисунка при изготовлении ИС. На размер рисунка кроме длины волны используемого излучения оказывают влияние множество факторов, например, разрешающая способность резиста, возможности проекционной аппаратуры, отражение от подложки и др.

Проведенная оценка теоретического предела минимального размера изображения, получаемого при различных видах литографии показывает, что рентгенолитография отличается большей разрешающей способностью, чем фотолитография. Так же сегодня осуществляется переход к EUV-литографии, что делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины - до 30 нм.

Заключение

Подводя итоги по данной работе, следует отметить, что были выполнены все поставленные цели:

· углубить знания раздела дисциплины, касающегося основных свойств полупроводниковых материалов;

· рассмотреть и изучить свойства полупроводниковых материалов.

В работе были исследованы полупроводниковые приборы:

· получены зависимости проводимости, сопротивления от температуры

· определена ширина запрещенной зоны

· получены вольт-амперные характеристики

· определена величина удельного сопротивления эпитаксиальных структур

· определена толщина диффузионного слоя

· определена толщина окисного слоя пленки

В процессе выполнения работы была изучена зонная теория твердого тела, теория, описывающая концентрацию носителей заряда в полупроводниках, динамика образования и движения носителей заряда в полупроводниковых материалах, изучены физические основы наноэлектроники. Освоены методы исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов, четырехзондовый метод измерения удельного сопротивления, зависимости сопротивления от температуры, определения толщины диффузионного слоя эпитаксиальных структур, определения толщины окисного слоя пленки эпитаксиальных структур.

Полупроводниковые материалы применяются для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники. Особенности электрофизических свойств полупроводников определяются природой сил связи. Пригодность полупроводникового материала зависит от его кристаллической структуры, ширины запрещенной зоны, положения примесных уровней и однородности распределения примеси по объему. Оптическими, термическими, термоэлектрическими, и электрическими свойствами полупроводниковых материалов определяются эксплуатационные характеристики готовых изделий. Особые требования предъявляют к таким свойствам, как тип электропроводности, концентрация введенной примеси, подвижность и время жизни носителей заряда.

В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть, что развитие современной электронной техники идёт по пути микроминиатюризации электронного оборудования. Только развитие полупроводниковой электроники открыло перед электронной техникой эту возможность. Таким образом, главнейшей задачей, стоящей перед полупроводниковой техникой, является обеспечение возможности создания микроминиатюрного высоконадежного и дешевого электронного оборудования.

Список использованной литературы

1. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. - М.: Советское радио, 1969.

2. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА. - М.: Советское радио, 2009.

3. Епифанов Г.И. Физика твёрдого тела. - М.: В.Ш. 1977.

4. Рымкевич П.А. Курс физики. - М.: В.Ш. 1977.

5. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. - Учеб. Для студентов по спец. ”Полупроводники и диэлектрики" - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1986.

6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987.

7. Пасынков В.В., Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы. - М.: Высшая школа, 1977

8. Шалимов К.В. Физика полупроводников: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

9. Шалимов К.В. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам. - М.: Высшая школа, 1968.

10. Лысов В.Ф. Практикум по физике полупроводников - М.: Просвещение, 1976.

11. http://elib. ispu.ru/library/lessons/Egorov/HTML/Index.html

Размещено на Allbest.ru