Исследование структуры тонких слоев карбида кремния методом дифракции электронов

Актуальность работы. Карбид кремния (SiC) является идеальным полупроводником для производства твердотельных приборов для множества применений, в частности, приборов, требующих высоких уровней мощности. Такие применения, как авиация (самолеты) и авиаэлектроника, газовые турбины, космические системы для производства энергии и многие другие, требуют переключателей и усилителей, способных оперировать с большими токами при относительно малых падениях напряжения. Фундаментальные характеристики карбида кремния дают ему принципиальную возможность для создания приборов с улучшенными рабочими характеристиками для таких применений. Например, измеренное электрическое поле пробоя для карбида кремния находится в пределах 2-4 способ получения эпитаксиальных слоев карбида кремния, в зависимости от уровня легирования, это значение является в 8-10 раз большим чем такое же значение для кремния (Si). Таким образом, приборы больших мощностей, сделанные из карбида кремния, должны быть способны поддерживать высокие напряжения как постоянного (DC), так и переменного (AC) тока. Успешная работа при таких высоких напряжениях, в свою очередь, позволит приборам работать в качестве усилителей и переключателей при больших уровнях мощности. Кроме того, из-за их относительно широкой ширины запрещенной зоны, приборы на основе карбида кремния могут работать при температурах вплоть до по крайней мере примерно 500oC. В достаточно широком температурном диапазоне ниже точки сверхпроводящего перехода нанопровода из NbN обладают конечным сопротивлением. Pезистивное состояние таких объектов прекрасно описывается существующими модельными представлениями, что является еще одним подтверждением универсальности роли флуктуаций на свойства низкоразмерных сверхпроводников. Эти исследования имеют важное значение как для фундаментальной физики конденсированного состояния, так и для различных приложений в области квантовой наноэлектроники и информатики, где использование сверхпроводящих элементов субмикронных размеров давно уже стало повседневной реальностью. Подавление бездиссипативного состояния в сверхпроводящих наноструктурах накладывает фундаментальные ограничения на использование таких объектов в наноэлектронных системах. Но на базе эффекта квантовых флуктуаций можно изготавливать наноэлектронные устройства нового поколения: например, квантовые логические устройства — кубиты. Цель работы – исследование структуры тонких слоев карбида кремния методом дифракции электронов. Задачи: - рассмотреть теоретические основы метода; - описать устройство и работу просвечивающего электронного микроскопа; - показать образцы (в каком виде), их получение и подготовку; - представить обработку экспериментальных данных ; - провести исследование структуры тонких слоев карбида кремния. Объект исследования – карбид кремния. Предмет исследования – дифракция электронов. Методы исследования – анализ, обобщение полученной информации. Структура работы состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы

В результате проделанной работы решены следующие задачи: рассмотрены теоретические основы метода; описано устройство и работа просвечивающего электронного микроскопа; показаны образцы (в каком виде), их получение и подготовку; представлена обработка экспериментальных данных; проведено исследование структуры тонких слоев карбида кремния. Новые возможности в микроэлектронике связывают с уменьшением линейных размеров функциональных элементов. В связи с этим развиваются методы создания наноструктур, отличающиеся от традиционных подходов к достижению сверхмалых размеров элементов, в основе которых лежит применение зондовых микроскопов как для визуализации и контроля объектов на подложке, так и для локальной модификации свойств поверхности с использованием ряда методов, основанных на различных физических принципах. Одним из наиболее эффективных является метод, связанный с процессом зондового окисления полупроводниковых материалов или металлических пленок. В обычных атмосферных условиях поверхности практически всех изделий покрыты пленкой адсорбата. Основу адсорбата составляет вода, находящаяся в квазижидком состоянии. При стимулировании током зонда возможно окисление металлических и полупроводниковых подложек. Если происходит анодирование поверхности проводящих подложек, то потенциал на подложке должен быть положительным. Метод локального анодного окисления (ЛАО) получил широкое распространение при создании функциональных элементов наноэлектроники. В качестве инструмента для проведения зондовой литографии используются методики сканирующей зондовой микроскопии с применением проводящих зондов. В ряде работ продемонстрировано ЛАО как полупроводниковых пленок (Si, GaAs), так и пленок различных групп металлов: Al (III группа), Ti (IV группа), V, Nb, Ta (V группа), Cr, Mo, W (VI группа). Наиболее перспективными считаются тугоплавкие металлы IV – VI групп ввиду их устойчивости к пропусканию больших плотностей тока. При формировании наноэлементов на подобных тонкопленочных структурах существуют проблемы получения высокой проводимости и снижения дефектности исходного материала. Эти свойства определяются в основном технологией напыления пленок. Таким образом, стабильность и воспроизводимость характеристик устройств наноэлектроники напрямую зависит от качества исходных пленок и подложек, на которые они наносятся. Сверхтонкие пленки титана (до 10 нм) осаждались на подложки Si с ориентацией (100), покрытые термически выращенным SiO 2 толщиной 500 нм. В качестве технологии формирования пленок Ti были использованы методы термического вакуумного напыления в резистивном тигельном испарителе и конденсация импульсной электроэрозионной плазмы. Осаждение проводилось в вакууме 10 -5 Па с использованием в качестве напыляемого материала титана с содержанием основного вещества не менее 99,9999 %. Анализ морфологии поверхности пленок на атомно-силовом микроскопе (АСМ) показал, что пленки, нанесенные первым методом, имеют более развитый рельеф. Данный факт может быть обусловлен нанокристаллической структурой такой пленки с характерным размером кристаллитов составляющих десятки нанометров. В то же время, пленки Ti, полученные вторым способом, имеют более гладкую морфологию с шероховатостью менее 0,5 нм, что является следствием кинетики конденсации высокоскоростных плазменных потоков при формировании неупорядоченных пленок с плотностью близкой к монокристаллическому материалу. Кроме того, импульсный характер осаждения позволяет строго контролировать толщину пленки вплоть до 1 нм.  

1. Маглеванный И. И. Влияние электрического поля на стохастическую фильтрацию в квазидвумерных полупроводниковых сверхрешетках / И.И. Маглеванный // Материалы 3-го межд.сем. «Компьютерное моделирование электронных процессов в физике, химии и технике», Воронеж, 2014. - 412 с. 2. Неволин В. К. Зондовые нанотехнологии в электронике / В.К. Неволин. М.: Техно-сфера, 2016. – 152 с. 3. Прокопьев Е. П. Определение размеров нанообъектов в пористых системах и дефектных твердых телах. Часть II. / Е.П. Прокопьева // Интеграл. 2016. №1 (45). 10-102. 4. Раков Э. Г. Химия и применение углеродный нанотрубок / Э.Г. Раков // Успехи химии. – 2016. – №10. – С. 34-173. 5. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века / П. Харрис. – М.: Техносфера, 2016. – 336 с.