Способ контроля состояния электронной подсистемы углеродных алмазоподобных тонких пленок Российский патент 2025 года по МПК G01J3/00 H01L21/66 

Изобретение относится к способу контроля локальных электронных состояний углеродных алмазоподобных тонких пленок в условиях туннельного сканирования поверхности в сканирующем зондовом микроскопе, измерения локальных вольт-амперных зависимостей и анализа токовых флуктуаций вольт-амперной зависимости. Изобретение может быть использовано для контроля энергетического спектра локализованных электронных состояний.

Известен метод сканирующей туннельной спектроскопии, применяемый для исследования электронной структуры тетраэдрического аморфного углерода (ta-C пленок), углеродных алмазоподобных тонких пленок, позволяющий получать локальные вольт-амперные зависимости углеродного конденсата [1]. Дифференцирование этих зависимостей позволяет определить ширину запрещенной зоны электронной подсистемы sp2- и sp3-связанного углеродного конденсата, представляющего собой графитоподобные кластеры, в которых атомы углерода связаны в гексагональные ячейки sp2-связями, погруженные в аморфную матрицу из sp3-связанного углерода. Кроме того на дифференциальной зависимости наблюдаются пики дифференциальной проводимости, которые на исходных вольт-амперных зависимостях представлены как некоторые немонотонности. Трактовка природы этих немонотонностей до сих пор неоднозначна. По одной из них пики дифференциальной проводимости обусловлены наличием локализованных электронных состояний в запрещенной зоне, заполнение или освобождение которых вызывает скачки тока [2]. По другой - пики дифференциальной проводимости связаны с так называемой кулоновской блокадой и одноэлектронным туннелированием [3].

Отметим, что процедура анализа, состоящая из получения вольт-амперной зависимости, ее дифференцирования, в случае наличия сильной флуктуационной составляющей, превышающих уровень шума становится некорректной из-за особенностей дифференцирования флуктуаций, приближающихся к виду дельта-функции.

Цель изобретения

Цель изобретения повышение достоверности анализа локализованных электронных состояний в запрещенной зоне углеродного алмазоподобного конденсата.

Эта цель достигается прямым анализом флуктуаций тока вольт-амперной зависимости путем осуществления спектрального анализа флуктуационной составляющей тока вольт-амперной зависимости минуя операцию дифференцирования. Для этого необходимо выделит из вольт-амперной зависимости флуктуации тока и провести их Фурье-анализ. Этим упрощается процедура анализа вольт-амперных зависимостей и повышается достоверность полученных результатов. Суть повышения достоверности состоит в том, что спектральный анализ флуктуационной составляющей тока позволяет получить количественные параметры в распределении флуктуаций по частотам (обратным напряжениям, V^-1), путем определения максимумов спектральной плотности распределения, по которым определяем параметр периодичности появления флуктуаций - напряжения периодичности (величина прироста или убыли напряжения, достижение которых приводит к появлению очередной флуктуации тока).

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1. Схема получения алмазоподобной пленки методом лазерного испарения углеродных мишений в вакууме: 1 - лазерный пучок, 2 - фокусирующая линза, 3 - вакуумный объем, 4 - парогазовое облако углерода, 5 - подложка, 6 - мишень (графитовая таблетка), выделенная область мишени диаметром 3 мм - размер расфокусированного лазерного пятна.

Фиг. 2. Распределение токовых каналов (белы точечные объекты) по поверхности алмазоподобной пленки.

Фиг. 3. Локальная вольт-амперная зависимость проводящего канала. 1 - при изменении напряжения от -1,0 V до +1,0 V. 2 - при изменении напряжения от +1,0 V до -1,0 V.

Фиг. 4. Флуктуационная составляющая тока вольт-амперной зависимости, приведенной на фиг 3.

Фиг. 5. Спектральная плотность мощности флуктуаций тока вольт-амперной зависимости в интервале напряжение от -1,0 до 0 V (а) и от 0 до +1,0 V (b).

Сущность изобретения

Технический результат достигается последовательностью следующих действий.

1. Углеродные алмазоподобные пленки получают конденсацией углерода на металлические или стеклянные с металлическим подслоем подложки из парогазовой плазмы, полученной прямым испарением графитовых мишеней диаметром 5 мм и толщиной 2-3 мм расфокусированным лазерным излучением лазера на основе алюмо-иттриевого граната с энергией излучения 4-7 Дж в вакууме с остаточным давлением 10^-5 мм рт.ст.

2. Полученные углеродные алмазоподобные пленки помещают в сканирующий зондовый микроскоп с проводящим зондом и производят сканирование выбранного участка поверхности пленки в режиме туннельного тока для получения распределения токовых каналов по поверхности пленки.

3. Выбирается локальный токовый канал и производится измерение локальной вольт-амперной зависимости, представляющая собой нелинейную зависимость тока от напряжения с флуктуациями тока.

4. Выделяют из полученной вольт-амперной зависимости флуктуационную составляющую тока путем вычитания из нее «гладкой» зависимости в виде полинома третьей степени типа f(x)=ах3+bx2+сх+d,

где f(x) - величина тока, х - напряжение, а, b, с, d - подстроечные коэффициенты.

5. Проводят спектральный анализ выделенной флуктуационной составляющей и определяют положения максимумов спектральной плотности мощности, имеющих размерность обратной величины напряжения (V^-1).

6. Определяют параметр периодичности флуктуаций тока путем представления частотного параметра максимума спектральной плотности, измеренной в V^-1 в значениях напряжения уже размерностью в вольтах (V)

7. Полученные значения параметра периодичности (напряжения периодичности) и будут определять энергию перехода носителей либо между локализованными электронными состояниями, либо между локализованными и делокализованными состояниями.

Осуществление изобретение происходит следующим образом.

Пример 1

В вакуумной камере располагают углеродные мишени и металлические или диэлектрические с предварительно нанесенным проводящим подслоем металла (например медь или алюминия) подложки. Расфокусированное лазерное излучение (диаметр пятна 3-5 мм) лазера на основе алюмо-иттриевого граната с длиной волны 1,064 мкм с энергией 4 -7 Дж вводится в вакуумный объем при достижении давления не хуже 10^-5 торр (фиг. 1). Расфокусированное лазерное излучение осуществляет испарение мишени и формирование парогазовой фазы, конденсация атомов углерода из которой формирует углеродную алмазоподобную пленку, структурное состояние которой можно определить как композит, состоящий из преимущественно алмазоподобных кластеров, в котором атомы углерода связаны sp3-связями, и некоторого количества графитоподобных кластеров, в которых атомы углерода связаны sp2-связями, распределенных случайным образом среди алмазоподобных кластеров. В таком композите межкластерные границы отсутствуют, алмазоподобные и графитоподобные кластеры связаны между собой как sp3-связями, так и sp2-связями. Проводимость такой пленки как макрообъекта нулевая, то есть макроскопически углеродная алмазоподобная пленка является диэлектриком.

Пример 2

Полученные углеродные алмазоподобные пленки помещают в сканирующий зондовый микроскоп Solver Next с проводящим зондом и производят сканирование выбранного участка поверхности пленки в режиме туннельного тока для получения распределения токовых каналов по поверхности пленки. На фиг. 2 показано распределение токовых каналов, зафиксированных проводящим зондом.

Из данных фиг. 2 следует, что токовые каналы сконцентрированы в своеобразные ансамбли, внутри которых расположены непроводящее области. Естественно предположить, что токовые каналы представляют собой цепочки углеродных графитоподобных кластеров, сформированные за счет sp²-связей, а непроводящие области алмазоподобные кластеры, сформированные за счет sp³-связей. Отметим, что токовые каналы фактически представляют собой точечные объекты на поверхности пленки. Следует также отметить, что в структуре алмазоподобной пленки наблюдаются как хорошо проводящие токовые каналы, так и слабо проводящие токовые каналы.

Пример 3

Выделили проводящий канал на фиг. 2 в структуре проводящих каналов и построили его вольт-амперную зависимость (фиг. 3). Вольт-амперная зависимость в интервале напряжения, которое изменяли от -1,0 V и до +1,0 V представляет собой нелинейную функцию с участком «нулевого» тока в окрестности нуля напряжения и хорошо выраженные флуктуации тока на концах вольт-амперной зависимости. При обратном изменении напряжения от +1,0 v до -1,0 V наблюдается гистерезис.

Пример 4

На вольт-амперной зависимости (фиг. 3) выбирали либо зависимость 1 либо 2 и вычитали полином третьей степени вида

f(x)=800,4 х³+268,6 х²+51,3 х+1,3,

где коэффициенты: а=800,4; b=286,6; с=51,3; d=1,3

На фиг. 4 представлены только флуктуации тока вольт-амперной зависимости. Флуктуации тока имеют широкий диапазон - примерно от -15 nA до +25 nA. Отметим, что при таком представлении периодичность флуктуаций скрыта.

Пример 5

Выделим из этой флуктуационной зависимости тока (фиг. 4) два участка в интервале напряжений от -1,0 до 0 V и от 0 до +1,0 V вольт и проведем спектральный анализ каждого участка флуктуационной зависимости тока от напряжения (рис. 5).

Отметим, что в окрестности главного максимума спектральной плотности можно выделить от 3 до 4 дополнительных пиков с меньшей амплитудой, но лежащих примерно в интервале дисперсии максимума спектральной плотности. Параметры распределения спектральной плотности мощности для интервалов напряжения от -1,0 до 0 V и от 0 до +1,0 V представлены в табл. 1.

Примечание: черным выделены параметры главных максимумов спектральной плотности распределения флуктуаций.

Как следует из приведенных в табл. 1 данных, параметр периодичности (напряжение периодичности ΔU, V), представляющий собой приращение напряжения, обеспечивающее переход носителя из данного состояния (локализованного энергетического уровня) в смежный или из локализованного состояния в делокализованное и лежит в интервале от 0,04 до 0,15 V. Таким образом, определив интервал напряжения периодичности, фактически определяем энергетический спектр локализованных состояний в эВ для данной пленки.

Известно, что наличие локализованных состояний (ловушек [4]) в запрещенной зоне sp2- и sp3-кластеров является основной причиной нелинейности, а также гистерезиса вольт-амперных зависимостей, что обусловлено различной концентрацией электронов в локализованных состояниях в запрещенной зоне диэлектрика. Резкое увеличение измеряемого тока (флуктуация тока в наших терминах) наблюдается при достижении некоторого предельного напряжения, при котором все ловушки заполнены носителями [4]. Разброс значений периодичности осцилляций свидетельствует о наличии локализованных состояний в широком диапазоне энергий, фактически низкие и высокие значения энергии отличаются на порядок.

Литература

[1]. С. Arena, В. Kleinsorge, J. Robertson, W.I. Milne, and M.E. Welland. Electronic properties of tetrahedral amorphous carbon investigated by scanning tunneling microscopy, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 85, NUMBER 3, (1999)

[2]. В.И. Иванов-Омский, А.Б. Лодыгин, С.Г. Ястребов Сканирующие туннельные микроскопия и спектроскопия аморфного углерода. Обзор // Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып.12, с. 1409-1416.

[3]. Голубок А.О. и др. Сканирующая туннельная микроскопия пленок аморфного углерода, модифицированного медью // ФТП. 2000. Т. 34. №2. С. 223-226.

[4]. V.S. Protopopova, N. Wester, M.A. Caro, P.G. Gabdullin, Т. Palomäki, Т. Laurila and J. Koskinen. Ultrathin undoped tetrahedral amorphous carbon films: Thickness dependence of the electronic structure and implications to electrochemical behaviour // Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 00, 1-3.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа контроля локализованных электронных состояний углеродных алмазоподобных тонких пленок. Способ заключается в измерении локальных вольт-амперных зависимостей и их анализе. При этом анализу подвергается флуктуационная составляющая тока, выделенная из локальной вольт-амперной зависимости, путем ее спектрального анализа, выявления максимумов спектральной плотности и определения параметра периодичности, являющегося приростом напряжения, вызывающим перенос электронов в системе локализованных электронных состояний. Технический результат заключается в повышении достоверности анализа локализованных электронных состояний в запрещенной зоне углеродного алмазоподобного конденсата. 5 ил., 1 табл.

Способ контроля локализованных электронных состояний углеродных алмазоподобных тонких пленок, заключающийся в измерении локальных вольт-амперных зависимостей и их анализе, отличающийся тем, что анализу подвергается флуктуационная составляющая тока, выделенная из локальной вольт-амперной зависимости, путем ее спектрального анализа, выявления максимумов спектральной плотности и определения параметра периодичности, являющегося приростом напряжения, вызывающим перенос электронов в системе локализованных электронных состояний.