Способ изучения плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел Советский патент 1982 года по МПК G01N23/225 

гетическим пучком электронов с энергией, не превышающей 100 эВ, и регистрируют энергетический спектр вторичных электронов с энергиями в диапазоне до 30 эВ, производят нанесение на поверхность исследуемого вещества субмонослойных количеств электроноположительного вещества, по крайней мере для одной толщины нанесенного слоя измеряют снижение контактной разности потенциалов и регистрируют энергетические спектрывторичных электронов для нескольких энергий первичного пучка, по сравнению структур которых с исходной судят о плотности электронных состояний в зоне проводимости исследуемого вещества.

При этом, регистрацию энергетических спектров вторичных электронов производят при приемном угле коллектора, к л.

Способ реализуют следующим образом.

В отличие от известного способа, включающего измерение распределения ио энергиям вторичных электронов в ззком телесном угле при энергии электронов первичного пучка , 100 эВ, в данном способе ведут регистрацию распределения вторичных электронов по энергиям при приемном угле коллектора около л в интервале от О до Е при Ер эВ или только его части от О до 30 эВ при эВ, а также измеряют контактную разность потенциалов Кк.р.п. между мищенью из исследуемого вещества и катодом электронной пушки сначала для чистого вещества образца, затем после осаждения на его поверхность субмонослойных покрытий электроположительного материала, снижающего граничный потенциальный барьер, но практически не участвующего в процессах рассеивания и возбуждения электронов, например, цезия в количестве менее 0,2 монослоя.

О начале вклада адсорбированного материала в неупругое рассеяние судят по изменению спектра характеристических потерь энергии, при этом определяют снижение граничного барьера по изменению VK.P.R Энергетические расгГределения вторичных электронов сравнивают при р - const до и после адсорбции электроположительного материала, а также для нескольких Ер после адсорбции. Непосредственно по структуре в начальной части распределений судят об энергетическом положении особенностей обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел преимущественно вблизи и ниже уровня вакуума без математической обработки экспериментальных кривых.

Использование начального участка распределения по энергиям вторичных элек,тронов, на который приходится более 50% от общего количества вторичных электронов, при приемном угле коллектора около я,

т. е. при сборе вторичных электронов, вышедщих в разных направлениях, обеспечивает высокую чувствительность, упрощение вакуумного прибора, измерительной схемы, позволяет уменьщить плотность тока в первичном пучке. Облучение электронами малых энергий при низкой плотности тока в пучке ;10- А/см2 не вызывает изменения состояния поверхности в процессе исследования. Анализ упрощается благодаря тому, что в начальной части распределения при Ер.-Ь 100 эВ после снижения граничного потенциального барьера появляется отчетливо выраженная структура, создаваемая

многократно рассеянными вторичными электронами, которая непосредственно отражает особенности обобщенной плотности свободных состояний в зоне проводимости вблизи и ниже уровня вакуума.

По сравнению с известным способом снижаются требования к монохроматичности первичного пучка - допускается разброс по энергиям -0,6 эВ. При измерении не требуется менять азимутальный и полярный

углы. Все это упрощает исследование, повышает чувствительность и точность. Пример реализации. Экспериментальная проверка осуществлялась в установке, построенной с использеванием общеизвестных принципов и методик. Распределения вторичных электронов по энергиям записывались с применением анализатора П. И. Лукирского с отношением диаметров сферического коллектора и

плоской мищени 10:1, метода электрического дифференцирования кривых задержки вторичных электронов и синхронного детектирования. Контактная разность потенциалов между исследуемым образцом и катодом пушки измерялась методом электронного зонда. Давление остаточных газов в приборе при измерениях составляло 1ч-5 10 тор. Объектом исследования служил монокристалл кремния с гранью (100). Р1змерения выполнялись в следующей последовательности. Сначала для чистого кремния определили контактную разность потенциалов V°K.p.n образец - катод пушки и записали энергетические распределения вторичних электронов при эВ. Затем эти же операции привели после осаждения на кремний субмонослойных количеств цезия.

На фиг. 1 приведены энергетические

распределения вторичных электронов Л f(Es) для VP - 6В и разных субмонослойных количеств цезия соответственно: О - чистый Si; 1 - Si -f 0,6 м. с. Cs, VK р.п 1,8 В; 2 -Si -f 0,13 м. с. Cs. l/к. 2,5В;

3 - Si -f- 0,2 м. с. Cs, V 2,9 В. В верхней части фигуры 1 кривая 4 изображает распределение обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости кремния, подтвержденное расчетами и экспеоиментами. Энеогия пепвичных

электронов Е.,, отсчитываемая относительно уровня вакуума, складывается из внешней VP и контактной Ук.рп. мелсду образцом и катодом пушки разностей потенциалов. Снижение граничного потенциального барьера после осаждения цезия равно изменению контактной разности потенциалов ДРк.р.п VK.P.H-Т°к.р.п, где F°K.p.,,и Ук.р.п соответственно контактные разности между образцом и катодом пушки до и после осаждения цезия. Нуль на горизонтальных осях соответствует уровню вакуума для чистого кремния.

Сопоставление кривых на фиг. 1 подтверждает, что по структуре в начальной части распределения вторичных электронов по энергиям, появляющейся после снижения граничного потенциального барьера, можно судить об энергетическом положении особенностей обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости вблизи и ниже уровня вакуума. Добавочное снижение граничного барьера, как и следовало ожидать при наличии такого соответствия, не сдвигает уже имеющиеся особенности в распределении вторичных электронов, а добавляет новые в связи с появлением возможности выхода в вакуум для электронов из состояний, более удаленных от уровня вакуума чистого кремния.

На фиг. 2 приведены распределения по энергиям вторичных электронов (полные распределения для 4; 8,2 и 10 В и начальные участки для Ур 50, 100 и 150 В) для разных энергий первичных электронов р е(УрН-Кк.р.п) от 4,9 эВ до 152,9 эВ после адсорбции на кремнии цезия в количестве, соответствующем 0,2 монослоя, и снижении барьера на 2,8 эВ. Изменение энергии первичных электронов в этом диапазоне не меняет энергетическое положение структуры в начальной части распределений, что служит еще одним аргументом в пользу отмеченного соответствия. Однако, как видно из фиг. 2, при В структура в распределении сглаживания, при не видна структура вблизи уровня вакуума чистого образца. Поэтому энергию первичного пучка рекомендуется выбирать в интервале от 5 эВ до 100 эВ.

Данный способ определения энергетического положения особенностей обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел вблизи и ниже уровня вакуума является простым, надежным и дешевым. Его использование не требует применения специальной дорогостоящей аппаратуры (энергоаиализаторов с высоким угловым и энергетическим разрешением и радиоаппаратуры высокого

класса), т. е. нетрудно организовать его широкое применение. Это позволяет быстро получить отсутствующую информацию и составить каталог «Особенности обобщенной плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости вблизи и ниже уровня вакуума не только для простых веществ, но также и для соединений, создаваемых на предприятиях цветной и черной металлургии и используемых на предприятиях МЭП и других министерств. Наличие такого каталога будет способствовать рациональному выбору материалов в каждом конкретном случае и повышению качества, в первую очередь многих электронных приборов, в особенности использующих гетеропереходы, а также других изделий микроэлектроники.

Формула изобретения

1.Способ изучения плотности свободных электронных состояний в зоне проводимости твердых тел, заключающийся в том, что исследуемое вещество облучают моноэнергетическим пучком электронов с энергией, не превыщающей 100 эВ, и регистрируют энергетический спектр вторичных электронов с энергиями в диапазоне до 30 эВ, отличающийся тем, что, с целью повыщения чувствительности и упрощения средств реализации способа, производят нанесение на поверхность исследуемого вещества субмонослойных количеств электроположительного вещества, по крайней мере для одной толщины нанесенного слоя измеряют снижение контактной разности потенциалов и регистрируют энергетические спектры вторичных электронов для нескольких энергий первичного пучка, по сравнению структур которых с исходной судят о плотности электронных состояний в зоне проводимости исследуемого вещества.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию энергетических спектров вторичных электронов производят при приемном угле коллектора, близком к я.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Dose V, Scheidt Н, Deconvolution of appearence potential spectra «Appl. Phys. 1979, 19, № 1, 19-23.

2.Выложенная заявка ФРГ № 2546053, кл. G 01 N 23/225, опублик. 1976.

3.R. F. Willis, N. E. Christensen. Secondary - electron - emission spectroscopy of tinip sten: Angular dependance and phemenology, Phys. Rev. В., 1978, 18, № 10, 5140-1561 (прототип).

f.,1 )

р (.р.п ofp-na

.,

i/goSeHb . S

S,