Создание программно-аппаратного комплекса для исследования поверхности методами микроскопии сканирующего зонда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

о ''

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Напр? ^кописи КАЗАНЦЕВ Дмитрий Всеволод' >

УДК 535.312

СОЗДАНИЕ ПРОГРАММНО-АППАГ КОМПЛЕКСА

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХ> . МЕТОДАМИ МИКРОСКОПИИ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДА

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1996

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики физического

факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент О.А.Акципетров

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

в.н.с. Кудеяров В.А. кандидат физико-математических наук, с.н.с. Колесов В.В.

Ведущая организация: Центральное конструкторское бюро

уникального приборостроения РАН

Защита диссертации состоится " ' " 1996 г. в /Г

часов на заседании диссертационного совета К 053.05.21 отделения радиофизики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, по адресу: 119 899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, ул. Хохлова, д.1, корпус нелинейной оптики

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ

Автореферат разослан " (! " марта 1996 г. / • Ч :''

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н. Полякова М.С. \

I. Общая характеристика работы

Актуальность диссертационной работы

Настоящая работа посвящена развитию методик микроскопии сканирующего зонда применительно к исследованию полупроводниковых систем.

Несмотря на более чем десятилетний период развития методики, трудно говорить о существовании программно-аппаратных комплексов управления туннельным микроскопом, обладающих достаточным быстродействием, полнотой функций, простотой конструции и удобством модификации. Удачные инженерные решения, описанные в периодической литературе, принадлежат, как правило, разным авторам. Таким образом, в области экспериментальной техники микроскопии сканирующего зонда необходимым представляется создание автоматизированной системы контроля растрового микроскопа, сочетающей в себе (благодаря полному использованию известных к настоящему времени конструктивных решений) высокую чувствительность, малый уровень шумов, высокую скорость сбора данных, достаточную гибкость в модификации (что особенно необходимо в исследовательской лаборатории), а также включающей в себя управляющую программу с высоким уровнем сервиса и удобную для пользователя.

Особенный интерес вызывает создание нового типа сканирующей головки - микроскопа ближнего оптического поля. В данном приборе сканирование поверхности ведется концом специально приготовленного световода. Взаимодействие света с поверхностью образца вблизи острия оптоволокна может бьггь ограничено областью в несколько нанометров, что позволяет преодолеть диффракционный барьер, ограничивающий разрешающую способность традиционных оптических систем. Данная методика интенсивно развивается в последние 2-3 года, однако упоминаний о создании подобной отечественной системы в печати нет.

Недостаточно исследованы в настоящее время электронные спектры поверхности полупроводников. В особенности это касается узкозонных полупроводников класса А[уВуг - халькогенидов свинца РЬБ, РЬ5е, РЬТе.

Существующие методики прямого наблюдения энергетических спектров границы полупроводника обеспечивают меньшую разрешающую способность по напряжению (ФЭС, 20-200 мВ) и больший размер разрешаемой пространственно области (туннельная спектроскопия МДП-структур, 1-100 мкм).

Успехи в полупроводниковой технологии делают возможным приготовление структур пониженной размерности, в частности квантовых точек и квантовых нитей. Предполагается, что такие структуры, в силу большей локализации возбужденных носителей, должны иметь больший квантовый выход люминесценции. Тем не менее, уменьшение размеров структур приводит к снижению квантового выхода люминесценции, что применительно к структурам, полученным методами жидкофазного травления с предварительной электронной литографией, объясняется высокой вероятностью безызлучательной рекомбинации носителей на границах получаемых наноструктур. Таким образом, задача исследования влияния границ структур на фотолюминесценцию является весьма актуальной для развития нанотехнологии.

Цель диссертационной работы

Целью данной работы являлось создание автоматизированного аппаратно-программного комплекса управления сканирующим растровым микроскопом с высокой скоростью сбора данных, высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном, отображением данных в реальном масштабе времени с высоким качеством изображения. Также работа была посвящена созданию управляющего программного обеспечения, "дружелюбного" к пользователю при измерениях и легкого в модификации.

Целью работы являлось создание сканирующей головки микроскопа ближнего оптического поля, обладающей субмикронным пространственным разрешением, для локальных оптических исследований поверхности.

Конечной целью, которая делала необходимыми разработку и создание комплекса аппаратно-программных средств, являлось исследование методами микроскопии сканирующего зонда поверхности полупроводников и полупроводниковых структур, находящихся при комнатных условиях без вакуумирования образца.

Научная новизна

Разработана и изготовлена система управления" микроскопом сканирующего зонда. Высокая чувствительность, точность и скорость работы определяются использованием передовых методов построения измерительных систем: унифицированной быстродействующей локальной шины данных блока управления, скоростного интерфейсного модуля связи управляющего компьютера и измерительного блока по 50-омному кабелю с гальванической развязкой, применением модуляционных методик для измерения слабых сигналов, использованием достижений аналоговой схемотехники для ускорения работы и понижения уровня шумов.

Создана программа взаимодействия измерительной системы с пользователем. Программа структурирована в набор классов языка С++, что обеспечило ее высокую надежность и легкость в модификации. Формирование изображений на экране происходит средствами самой программы без обращения к операционной среде, что позволило повысить быстродействие и надежность программы, а также снизить требования, предъявляемые к используемой операционной среде.

Получено изображение поверхности скола (100) кристалла РЬБе с атомарным разрешением. Высокое качество изготовленной измерительной системы позволило уверенно наблюдать неровности рельефа с высотой до 0.05 А.

Получены электронные спектры поверхности скола (100) кристалла РЬБе для различных уровней легирования и типов проводимости образцов. Исследование спектра электронных состояний поверхности позволило сделать вывод о приповерхностном изгибе зон и фиксации уровня Ферми поверхностными состояниями.

Разработан и изготовлен микроскоп ближнего оптического поля с субмикронным пространственным разрешением.

Получены спектры фотолюминесценции микроструктур на основе квантовых слоев в ОаАБ. Измеренное с пространственным разрешением 0.3-0.4 мкм распределение интенсивности люминесценции позволило сделать вывод о том, что определяющим механизмом транспорта носителей в данных структурах является диффузия носителей в слое, и низкое качество границ структур при использовании электронно-лучевой литографии и последующего жидкофазного травления определяет высокую вероятность безызлучательной гибели носителей на границе.

Практическая ценность работы

На малом предприятии "Центр перспективных технологий" освоено мелкосерийное производство разработанного блока управления микроскопом сканирующего зонда и механической головки СТМ/квазиАСМ/8 N О М. Совместно с разработанной управляющей программой они образуют полный программно-аппаратный комплекс для исследования поверхности методиками, родственными туннельной микроскопии.

Результаты исследований поверхностных спектров халькогенидов свинца при различных уровнях легирования могут быть использованы при развитии технологии полупроводников данного класса, а также при создании фотоприемных устройств на основе данных полупроводников.

Оптическая спектроскопия с субмикронным пространственным разрешением интенсивности фотолюминесценции микроструктур на основе квантовых слоев ОаАв позволит совершенствовать нанотехнологию формирования квантовых точек и квантовых нитей при использовании жидкофазного травления с предварительной электронной литографией.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносится конструкция электронного блока управления микроскопом сканирующего зонда, в котором использованы следующие основные технические решения: высокоскоростные унифицированные протоколы цифровой передачи данных, нелинейная обратная связь по туннельному току, скоростные высоковольтные усилители для работы на емкостную нагрузку, тщательная развязка цепей (в том числе разделение земляных цепей для цифровой и аналоговой части). Модульная конструкция с размещением печатных плат модулей на материнской плате прибора обеспечивает легкость модификации.

На защиту выносится структура и набор функций управляющей программы, написанной в виде набора классов языка С++, обеспечивающей высокую надежность, высокое быстродействие, удобство управления экспериментом и легкость модификации.

На защиту выносится конструкция механической головки микроскопа ближнего оптического поля, позволяющего исследовать взаимодействие поверхности со световым полем при субмикронном пространственном разрешении.

Защите подлежат результаты исследования поверхности скола (100) кристалла PbSe, из которых следует фиксация уровня Ферми на поверхности зарядами, локализованными на поверхностных состояниях.

На защиту выносится модель поведения фотовозбужденных носителей в квантовом слое GaAs, объясняющая наблюдаемое пространственное распределение интенсивности фотолюминесценции, основные положения которой сводятся к диффузионному переносу носителей с учетом малого времени жизни на границе структуры.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на международных конференциях:

STM-95 - Eight International Conference on scanning tunneling microscopy/spectroscopy and related techniques, July 23-28, 1995, Snowmass willage, Colorado, USA

"Наноструктуры: физика и технология" - третья международная конференция, июнь 1995, С-Петербург, Россия.

Также результаты работы обсуждались на семинарах отдела физики твердого тела ФИАН, лаборатории физики неоднородных систем в ФИАН, а также кафедры квантовой радиофизики физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ [1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ], список которых приведен в конце автореферата.

Структура работы

Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Первая глава посвящена описанию разработанного блока контроля сканирующего микроскопа и управляющих программ к нему. Вторая глава содержит результаты исследования спектра электронных состояний поверхности скола селенида свинца и родственных халькогенидов свинца методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. В главе сделаны выводы о наличии на поверхности скола (100) PbSe акцепторного и

донорного уровней, находящихся выше валентной зоны на 20-40 мВ и 120150 мВ соответственно, которые обеспечивают фиксацию уровня Ферми на поверхности. В третьей главе содержится описание разработанного и изготовленного автором сканирующего микроскопа ближнего оптического поля и результаты исследования фотолюминесценции микроструктур на основе квантовых слоев ОаАх с одновременным пространственным и спектральным разрешением и сделаны выводы о возможном механизме переноса зарядов и роли границы травления в таких структурах.

В заключении работы приведена краткая сводка полученных результатов.

П.Содержание диссертации

Во введении помещен общий обзор ситуации, отражено состояние исследований в приборостроении применительно к методикам микроскопии сканирующего зонда, родственным туннельной микроскопии, а также обсуждены задачи исследования поверхности полупроводников, которые могут быть решены с использованием методик, родственных туннельной микроскопии.

Первая глава работы содержит во введении к главе обзор литературы и обсуждение радиофизических и инженерных задач, стоящих при создании электронного блока управления микроскопом сканирующего зонда, а также при написании управляющих программ к приборам микроскопии сканирующего зонда. Оригинальная часть главы содержит описание созданного электронного блока управления. Обработка сигнала в блоке, в частности, в цепях обратной связи производится средствами аналоговой схемотехники. Структурная схема блока, соответствующая выбранной идеологии, приведена на рисунке. В целом устройство электронного блока соответствует сложившейся традиции построения систем контроля СТМ, и включает узлы, необходимые для организации растрового сканирования, задания напряжения на туннельном промежутке, задания желаемого уровня туннельного тока для работы системы обратной связи и ввода необходимых величин в управляющий компьютер. Использование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей позволяет организовать эффективное взаимодействие прибора с управляющим компьютером и свести к минимуму ручные манипуляции при задании

параметров измерения. Кроме этого, аппаратура блока содержит средства организации модуляционных измерений с целью повышения чувствительности прибора. Высокочастотное синусоидальное напряжение (рабочая частота 8-10 кГц превышает частоту среза системы обратной связи) с программно задаваемой амплитудой может быть добавлено к постоянному напряжению на туннельном переходе, или к напряжению, контролирующему расстояние между иглой и образцом, что приводит к появлению в регистрируемом туннельном токе дополнительной переменной составляющей на частоте воздействия, которая может быть использована в качестве полезного сигнала после выделения в синхронном детекторе.

Кроме этого, блок содержит схемы управления шаговыми двигателями

Глава содержит описание технических решений, использованных при создании блока управления.

Для связи электронного блока с управляющим компьютером использованы интерфейсные платы, обеспечивающие двунаправленную передачу данных в коде Манчестер-П по 50-омному кабелю с гальванической развязкой. Устройство разработанной платы интерфейса

для 1ВМ РС при несущей частоте 18 Мгц допускает передачу данных со скоростью свыше 400 тысяч слов в секунду и обеспечивает работу на локальной шине 1ВМ РС по прерываниям а также с использованием режима прямого доступа к памяти. Выбранный для передачи данных внутри блока протокол (З-Ьчб, широко использовавшийся в отечественных микро-ЭВМ Электроника-60, позволил обеспечить высокую гибкость и надежность системы при максимальной простоте интерфейсных схем. Использование при построении модулей блока микросхем микропроцессорного набора БИС К588, предназначенных для поддержания данного протокола и изготовленных по КМОП технологии (с малыми токами потребления и создаваемыми помехами при переключении), позволило значительно упростить схемы цифровой части прибора.

Использование в системе обратной связи цепей ограничения сигнала ошибки позволило избежать возникновения пичков самовозбуждения, возникающих при воздействии сейсмических помех из-за значительной нелинейности зависимости туннельного тока от расстояния игла-образец, и заставляющих уменьшать усиление в цепи обратной связи по сравнению с оптимальным для линейного случая. Это позволило приблизить быстродействие системы обратной связи, поддерживающей неизменный туннельный ток, к идеальному.

В высоковольтных усилителях использована двухтактная схема, позволившая при работе на емкостную нагрузку (емкость сегмента пьезоманипулятора достигает 10 нФ) обеспечить широкую полосу частот (до 20 кГц) для малого сигнала, большую скорость нарастания для большого сигнала (ступенька 100В за 50 мке), при высокой точности (менее Ю-5 от полной шкалы) и малом потреблении в режиме покоя. Диапазон выходного напряжения усилителей при использовании транзисторов КТ940А составляет 0-300В.

С целью минимизации помех была использована гальваническая развязка цепей блока и управляющего компьютера, тщательно подобрана геометрия земляных цепей на печатных платах модулей блока, широко использованы цифровые микросхемы КМОП, создающие малые импульсные помехи при переключении, стабилизаторы питания установлены отдельные в каждом модуле.

Управляющая программа написана на языке С++. Набор классов, написанных при создании программы, обеспечивает отображение на экране компьютера текущей информации и взаимодействие пользователя с прибором при организации и проведении измерений. Передача информации внутри программы между ее отдельными компонентами организована с использованием менеджера событий/сообщений, помещающего все события пользовательского ввода (мышь, клавиатура), изменения состояния объектов программы (например, готовность данных по завершении текущего измерения) и сообщения от одних программных объектов к другим (например, полученное топографическое изображение очередной строки при растровом сканировании для передачи от подпрограмм измерения к подпрограммым отображения на экране) в общую очередь с унифицированным форматом сообщения. Менеджер событий обеспечивает передачу информации ко всем программным объектам, участвующим во взаимодействии. Данный подход позволил существенно упростить внутрипрограммную передачу информациии и обеспечить надежность работы программы. Иерархия происхождения разработанного набора видимых классов для построения экранного интерфейса взаимодействия программы с пользователем изображена на рисунке:

Group

Button GButton

I

GStatusLine L RButton

G Pro g ram Application

ButtonCluster

GPanel I PanelOfSet

PanelBind L TmpPanel

GDeskTop

Рис. 2 Происхождение видимых классов, использованных для построения экранного интерфейса.

Данные классы в основном повторяют по функциям соответствующие классы набора Turbo Vision, однако тексты программ имеют значительные отличия от прототипов. В основном это определяется обеспечением возможности отображения информации в графической, а не текстовой

моде дисплея, что потребовало принять меры по оптимизации алгоритмов вывода на экран с целью повышения быстродействия.

Вид экрана, создаваемого управляющей программой для взаимодействия с пользователем, приводится на Рис.3. Видимые объекты программы образуют набор панелей, привычных пользователю по работе с ситемой Wondows и продуктами фирмы Borland. Большое внимание при разработке программы уделялось автоматическому анализу возникающих особых ситуаций, например, неисправности модуля или попытке пользователя установить размер и положение поля сканирования за пределами физически возможного. В этих случаях программа создает временную панель диалога, в которой пользователю сообщается суть возникшей проблемы, и ожидает выбора пользователем одного из вариантов продолжения, установив курсор мыши на кнопку рекомендуемого ответа. Программа допукает ввод как с помощью мыши, так и с клавиатуры.

:. Ели f «-.УбЛ^БиЗЙnext. -. игщч .panel.:

шшшмшшншш

I &2в£4

l52e£4-<51S36i

Рис. 3. Экран управляющей программы. Верхние панели на заднем плане служат для отображения информации. Нижние панели с набором кнопок - для управления экспериментом и задания режима. В центре видна панель диалога

Предоставляемая языком С++ возможность наследования производными классами свойств классов-предков обеспечила удобство

программирования процедур управления экспериментами, с постепенным наращиванием сложности выполняемых операций по мере перехода от абстрактных базовых классов к классам, ответственным за конкретные эксперименты. Так, например, класс топографического сканирования рельефа в режиме стабилизации туннельного тока образован из класса "растрового сканирования вообще" путем уточнения метода измерения -записывать в качестве данных сигнал обратной связи по высоте.

Формирование изображения на экране производится средствами самой программы без обращения к функциям операционной среды. Это позволяет предъявлять минимальные требования к используемой операционной системе: программа может выполняться под управлением DOS, Windows, Windows95, OS/2. Функции формирования изображения организованы в законченный класс, поэтому даже смена типа процессора управляющей ЭВМ приведет лишь к необходимости перепрограммировать низкоуровневые функции данного класса без модификации текста остальных частей программы. Критичные по времени выполнения участки программы написаны на ассемблере.

Вторая глава работы посвящена исследованию поверхности скола (100) селенида свинца. Глава содержит во введении обзор литературы и анализ возможностей альтернативных методик исследования электронных спектров поверхностей.

В главе приведены полученные топографические изображения свежей поверхности скола PbSe.

Рис. 4 Топографическое изображение Рис. 5 Топографическое изображение поверхности скола образца п-типа. поверхности скола образца р-типа. Вертикальная шкала серого - 2,9А. Вертикальная шкала серого - 0.2А. Размер

растра сканирования 36x33А.

Полученные топографические изображения имеют период 4.5А, соответствующий периоду решетки 6.12А (в СТМ видны оба сорта атомов, поэтому наблюдаемый период = 6.12) и симметрию,

соответствующую кубической симметрии решетки поваренной соли. Это позволяет предполагать, что поверхность некоторое время после скола находится в состоянии, близком к первоначальному, и для описания ее электронных состояний можно в качестве первого приближения использовать зонную структуру объемного полупроводника.

Поверхность скола (100) РЬБе была исследована методом сканирующей туннельной спектроскопии. Были использованы образцы различных типов проводимости и с концентрацией носителей от 5*1017 см-3 до 8*1018 см"3. На полученных зависимостях дифференциального сопротивления туннельного перехода от приложенного напряжения (производных вольтамперных характеристик) область малой проводимости (дно кривой) соответствует запрещенной зоне, а рост дифференциальной проводимости вне этой области соответствует увеличению плотности состояний по мере продвижения по энергии в зону проводимости (левая ветвь) и в валентную зону (правая ветвь). Положение уровня Ферми соответствует напряжению 0В на переходе. Ширина области малой дифференциальной проводимости составляет на полученных кривых 260-270 мВ, что соответствует значению 263 мВ, известному для ширины запрещенной зоны объемного полупроводника.

-Уфеодевие /

1

\ 1 «Г 1

*

д К г 1

1 и

Ч I

Напряжение га игле. В

Надоигк

а; -;. Б

Рис. 6 Производная вольт-амперной характеристики для образца со слабым р-легированием.

Рис. 7 Туннельный спектр поверхности образца п-типа с сильным легированием

При изменении концентрации носителей и типа проводимости (измерения этих параметров велись на объемных образцах по эффекту Холла) наблюдаемая кривая смещается относительно нуля на оси напряжений. Качественно поведение энергетических зон на поверхности соответствует его поведению в объеме образца: для образцов n-типа к уровню Ферми оказывается ближе зона проводимости, и по мере перехода в легированию р-типа зоны смещаются таким образом, что ближе к уровню Ферми оказывается валентная зона. Тем не менее обнаружено, что положение зон на поверхности не повторяет ситуацию в объеме, а уровень Ферми на поверхности располагается как правило либо рядом с валентной зоной, либо приблизительно в середине запрещенной зоны. Это может быть объяснено фиксацией уровня Ферми на поверхности приповерхностными состояниями достаточной концентрации. Энергетическое положение предполагаемых уровней фиксации соответствует положению уровней с долгам временем релаксации, на которых в экспериментах по исследованию кинетики фотопроводимости предположительно происходит захват носителей.

Рассчитанная по известному положению зон в объеме и наблюдаемому на поверхности картина пространственного изгиба зон (за основу взята модель обедненного слоя) предполагает при некоторых условиях образование потенциальной ямы для носителей. Рассчитанное положение уровней размерного квантования дырок в случае максимального изгиба зон для сильнолегированного образца n-типа совпадает с положением наблюдаемых в эксперименте пиков.

Третья глава диссертации посвящена созданию сканирующего микроскопа ближнего оптического поля (Scanning Near-field Optical Microscope, SNOM) и исследованию люминесценции поверхности полупроводников с субмикронным пространственным разрешением. В начале главы помещен обзор литературы применительно к созданию и использованию подобных систем. Рассмотрены опубликованные конструкции, проведен их сравнительный анализ. Обзор рассматривает также опубликованные коллегами эксперименты, поставлешше с помощью техники SNOM.

Оригинальная часть главы содержит описание конструкции разработанной механической головки бл1гжнего поля, результаты ее

тестирования, измерения уровня шумов. В головке использован эффект уменьшения амплитуды поперечных вынужденных механических колебаний зондирующего оптоволокна при расстоянии от конца волокна до поверхности, меньшем 20-30 нм. Луч вспомогательного лазера, сфокусированный на волокне, проходит далее на фотодиод, и переменная составляющая интенсивности, обусловленная вибрацией, используется после синхронного детектирования в качестве входного сигнала для системы обратной связи. Уровень шумов головки не превышает 1-1.5 нм, что более чем достаточно для целей сканирования оптоволокном. Как следует из описания, использованный механизм обратной связи допускает сканирование как проводящих, так и непроводящих поверхностей. Головка обеспечивает перемещение образца при выборе области сканирования в пределах 2-3 мм, что особенно важно для исследования структур на поверхности полупроводника.

Рис. 8 Топографическое изображение массива квантовых нитей в режиме квази-АСМ с использованием

вибрационного лазерного датчика.

Рис. 9 Конфигурация использованных в экспериментах образцов на основе слоя СаА5, окруженного барьерным слоем АЮаАя.

Глава содержит описание использованной методики приготовления сканирующих игл для БИОМ из многомодового кварцевого оптоволокна. Контроль формы и качества получаемых игл, проводившийся на растровом электронном микроскопе позволяет считать, что радиус закругления острия составляет 0.7-0.8 мкм. После разрыва волокна в точке локального нагрева полученное острие покрывалось алюминием в вакуумной напылительной установке Перед началом измерений в алюминиевом покрытии на кончике иглы формировалось отверстие

диаметром 0.3-0.4 мкм, определяющее форму и размер области взаимодействия образца со светом.

В главе описан эксперимент с использованием головки оптического ближнего поля. Измерения проводились на полупроводниковых структурах, приготовленных на основе квантового слоя GaAs толщиной 10 нм, окруженным барьерными слоями AlGaAs. Методом жидкофазного травления (wet etching) с использованием электронно-лучевой литографии на поверхности были сформированы полосы шириной от 0.5 до 5 мкм, содержащие активный слой (Рис. 9). Возможности использованного технологического оборудования позволяют получать квантовые нити и квантовые точки с размерами до 8 нм.

В проделанном эксперименте, схема которого приведена на рис. 10, были исследованы спектры фотолюминесценции с одновременной записью рельефа поверхности и спектров люминесценции в каждой точке. Луч лазера вводился в оптоволокно, на противоположном конце которого сформировано сканирующее острие с диафрагмой в металлическом покрытии. Сигнал фотолюминесценции, собранный обратно в волокно, после выхода из волокна фокусировался на входную щель монохроматора. В качестве детектора была использована ПЗС-матрица, охлаждаемая жидким азотом.

Монохроматор

Линза 1

Линза 2

Оптоволокно

Щель

пзс- приемник

Аг+ лазер, 514нм, 20-100 мВт

Рис. 10 Схема экспериментальной установки для исследования спектров люминесценции поверхности полупроводника с помощью микроскопа ближнего оптического поля.

Эволюция спектров люминесценции при пересечении в ходе сканирования двух полос на образце, содержащих активный слой, приведена на Рис. 11. Топографическое изображение поверхности, полученное синхронно со спектрами, приводится на Рис. 12.

Рис. 11 Эволюция спектра люминесценции при пересечении в ходе сканирования двух полос с активным слоем йаАь шириной 2 мкм на поверхности образца. Размер растра сканирования 8x8 мкм.

Рис. 12 Топографическое изображение участка поверхности с двумя полосами, содержащими активный слой. Ширина полос 2 мкм, расстояние между ними 2 мкм. Размер растра сканирования 8x8 мкм.

Зависимость интенсивности люминесценции на длине волны, соответствующей переходу 1Ы1-1е," приведена на Рис.13. Сечения полученных синхронно топографических изображений позволяют убедиться, что изменения в сигнале не вызваны изменением в ходе сканирования расстояния игла-образец, от которого сильно зависит проникновение светового поля из оптоволокна в образец и обратно. Массивы полос различной ширины, содержащих активный слой арсенида галлия, ипользованные в экперименте, были сформированы на одном образце с расстоянием между областями 50-100 мкм, и смена ширины структуры производилась путем перемещения иглы к соседней области. Прочие условия (игла, мощность лазера, юстировка оптической системы) оставались в ходе измерения неизменными, что позволяет говорить о единстве вертикального масштаба для всех кривых на рисунке.

В предположении, что основым механизмом переноса зарядов в слое является диффузия носитеелей, и вероятность безызлучательной гибели носителей на границе структуры велика, были построены теоретические зависимости для ожидаемого пространственного распределения интенсивности сигнала люминесценции. Результаты расчетов, приведенные на Рис.14, демонстрируют хорошее согласие с экспериментальными данными при использовании длины диффузии носителей в двумерном слое, равной 2.5 мкм. Данный параметр является единственным подгоночным параметром использованной простой теоретической модели.

Положение иглы, мкм

Координата иглы, мкм

Рис. 13 Пространственное распределение интенсивности люминесценции при пересечении зондом полос различной ширины. Пустые точки - сечение топографического изображения для полосы шириной 4 мкм.

Рис. 14 Расчет пространственного распределения интенсивности сигнала люминесценции. Диаметр отверстия принят 0.3 мкм.

Ш.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

[е результаты работы могут быть сформулированы следующим

¡1

ан и изготовлен электронный блок контроля сканирующего гого микроскопа, работающий под управлением IBM PC. Блок мя обеспечивает все известные в настоящее время режимы

шкроскопа сканирующего зонда, включая СТМ, СТС, АСМ и

■л

Динамический диапазон выходного сигнала управления шпулятором достигает 105, что позволило | довести уровень :ских шумов в отфильтрованном .-топографическом ;нии до 0.005 нм. Скорость передачи данных при ческой развязке земли обеспечивает до 430-тысяч операций в Микропроцессорная локальная магисталь прибора шает подключение до 256 различных типов модулей до 8 в в каждом. Написанная управляющая программа обеспечивает а экран изображения сканируемой поверхности размером до точек в 256-цветовой шкале с автоматической коррекцией изображения в реальном времени. Программа обеспечивает изменение параметров эксперимента непосредственно в ходе ш, что облегчает подбор оптимального режима с сственным визуальным контролем. Выбор объектно-зо ванного языка программирования обеспечил высокую сть программы и сохранность данных, à также простоту :ации проводимых экспериментов.

;следованы поверхности скола (100) PbSe п- и р-типа без ювания образца. Симметрия и период наблюдаемых жческих изображений, характерные для объемного кристалла озволяют сделать вывод о достижении ' в эксперименте >го разрешения. Методом СТС исследованы электронные поверхности PbSe. Обнаружен приповерхностный изгиб зон, гависимость энергетического положения зон от типа и уровня ния образца позволяет сделать предположение о фиксации Ферми поверхностными состояниями. Положение

акцепторного и донорного поверхностных уровней, ответственных за фиксацию Уровня Ферми, составляег 10-30 мВ и ПО-140 мВ соответственно от потолка валентной зоны. Рассчитанный в приближении обедненного слоя пространственный изгиб зон позволяет предсказать спектры размерного квантования носителей в этом квазипотенциале, совпадающие по положению с наблюдаемыми пиками.

• Изготовлен первый отечественный сканирующий микроскоп ближнего оптического поля (81ЧОМ), обеспечивающий поле сканирования до 10x10 мкм при уровне шума в топографическом изображении менее 1.5 нм в полосе частот 0-1 кГц. Использованные иглы, приготовленные из многомодового оптоволокна, обеспечивают пространственное разрешение не хуже 300 нм. Описание сканирующего микроскопа ближнего оптического поля в отечественной литературе отсутствует.

• С помощью изготовленного БЖШ получены спектры фотолюминесценции микроструктур на основе квантовых ям в ОаАз с пространственным разрешением 0.3 мкм. Измеренное распределение интенсивности люминесценции вблизи границ травления структур может быть объяснено диффузией носителей и позволяет исследовать свойства границы травления. Хорошее согласие эксперимента с численным решением уравнения диффузии получается при использовании в модели параметра длины диффузии носителей 2.5 мкм.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Васильев С.И., Казанцев Д.В., Моисеев Ю.Н., Панов В.И., Савинов C.B., Яминский И.В. Приборы локального зондирования поверхности. // Электронная промышленность. - 1993 - N. 10, с. 29-33.

2 Акципетров O.A., Захарченко В.В., Казанцев Д.В., Кобляков Н.В., Панов В.И., Яминский И.В. Электрохимический сканирующий туннельный микроскоп. // Электронная промышленность. - 1993 - N. 10,

3 Казанцев Д.В., Савинов С.В., Яминский И.В. Высоковольтный усилитель для пьезоманипулятора сканирующего туннельного микроскопа. // Электронная промышленность. - 1993 - N. 10, с. 40-41.

4 Казанцев Д.В., Савинов С.В., Яминский И.В. Высокоскоростной сканирующий туннельный микроскоп. // Электронная промышленность. -1993 - N. 10, с. 45-48.

5 Казанцев Д.В., Савинов С.В. Скоростной интерфейс связи сканирующего туннельного микроскопа с IBM AT. // Электронная промышленность. - 1993 - N. 10, с. 49-57

6 Казанцев Д.В. Локальная шина данных сканирующего туннельного микроскопа. // Электронная промышленность. - 1993 - N. 10, с. 57-62.

7 Казанцев Д.В., Селиванов Ю.Г., Трофимов В.Т., Чижевский Е.Г. Поверхностные состояния кристаллов селенида свинца. // Письма в ЖЭТФ, т. 62, вып. 5, с. 422-426.

8 Kazantsev D.V., Chizhevskii E.G., Panov V.I., Trofimov V.T., Selivanov Yu.G. Surface states on cleaved PbSe(100) studied by scanning tunneling microscopy. //Proc. 8-th Intenational Conf. on Scanning Tunneling Microscopy/spectroscopy and related techniques. Jily 23-28, 1995, Snowmass Willage, Colorado, p.62.

c. 38-40.