Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Телега Володимир Миколайович

УДК 537.311.322

Вплив електронної підсистеми на формування складу поверхні напівпровідникових сполук

З РІЗНИМ СТУПЕНЕМ ІОННОСТІ

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ-2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Наукові керівники: доктор фізико-математичних наук, професор

Шнюков Вадим Федорович

доктор фізико-математичнихнаук, професор

Ільченко Василь Васильович

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Гречко Леонід Григорович,

провідний науковий співробітник

інституту хімії поверхні НАН України

доктор фізико-математичних наук,

Яковкін Іван Миколайович,

провідний науковий співробітник

інституту фізики НАН України

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників

НАН України м.Київ

Захист відбудеться “27” травня 2002р о 16 год

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.31 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою 03127, Київ, пр. Глушкова 2, корп. 5, радіофізичний факультет.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка 01033, Київ, вул. Володимирська 58

Автореферат розісланий “26” квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради Шкавро А.Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дослідження поверхонь і границь розділу гетерофазних систем обумовлюють сучасний розвиток електронного приладобудування, опто- та мікроелектроніки. Останнім часом особливу увагу привертають гетерофазні системи на основі бінарних напівпровідникових сполук з різним ступенем іонності GaAs (А3В5) та ВаО, СаО, SrO (А2В6), на основі яких можуть бути створені нові люмінесцентні та емісійні структури, а також прилади наноелектроніки. Застосування цих матеріалів зумовлює пошук способів керування процесами формування складу поверхонь кристалів та одержання плівок з необхідними властивостями. При цьому важливо знати фізичні механізми, що зумовлюють зміни складу поверхонь бінарних сполук при різних технологічних впливах; зокрема, наприклад, при термообробках у вакуумі. Таким чином, дослідження, що спрямовані на з’ясування механізму порушення стехіометрії поверхонь в кристалах хімічних сполук з різним ступенем іонності є актуальними, як з суто наукової, так і з практичної точки зору.

В зв’язку з наведеним вище виникає необхідність подальших наукових досліджень процесів, що протікають у кристалах з різними типами хімічного зв’язку, які дозволили б керувати складом поверхні.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка згідно з планом робіт проблемної лабораторії фізичної електроніки по темах: “Дослідження динаміки емісії нейтральних і заряджених частинок із іонних напівпровідникових кристалів при збудженні їх електронної підсистеми в процесі розвитку порушення стехіометрії в кристалах” (державна реєстрація № 0193042513, 1993 р.), “Дослідити механізм відхилення від стехіометрії в кристалах бінарних напівпровідникових сполук” (державна реєстрація № 81005099, 1995 р.), “Дослідити електронно-стимульоване відхилення від стехіометрії в бінарних напівпровідникових сполуках” (державна реєстрація № 01860061334, 1997 р.), “Вплив електронної підсистеми на формування складу кристалів напівпровідникових сполук та їх адсорбційні властивості” (державна реєстрація № 00197U003268, 2000р.).

Мета та задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є розвиток існуючих наукових уявлень про вплив електронної підсистеми кристала на процеси формування складу поверхні та випаровування бінарних кристалів типу ВаО, СаО, SrO (А2В6) та GaAs (А3В5), які мають різну ступінь іонності.

Об’єктом дослідження були монокристали GaAs, які є кристалами з малим ступенем іонного зв’язку, та полікристали ВаО, СаО, SrO, які вважаються іонними кристалами.

Предметом дослідження були фізичні процеси, що відбуваються при зовнішніх впливах на електронну підсистему кристалів, що мають різну ступінь іонності. Для досягнення поставленої мети застосовувалися такі методи дослідження: метод електронної оже-спектроскопії, метод мас-спектрометрії, метод емісійних досліджень, метод термічного напилення плівок, метод іонного травлення. Використання розробленої методики іонного травлення зразків одночасно з оже-спектроскопічною методикою дослідження поверхні є важливим при дослідженні діелектричних та напівпровідникових матеріалів, в яких за технологічних умов не може бути використаний режим термічного знегаження.

Виходячи з викладеного, в роботі розв’язувались такі основні наукові задачі:

1.Створення оригінальної експериментальної установки для комплексних досліджень, яка дозволяла б в однакових вакуумних умовах при очищенні поверхні методом іонного травлення проводити оже-спектроскопічні, мас-спектрометричні та емісійні дослідження.

2.Відпрацювання технології виготовлення експериментальних зразків бінарних сполук ВаО, СаО і SrО (А2В6) методом термовакуумної обробки карбонатів BaСО3, CaСО3, SrСО3 та дослідити процеси формування складу їх поверхні та їх емісійні властивості.

3.Вивчення впливу електричного поля на формування складу поверхні та емісійні властивості кристалів та плівок ВаО, СаО та SrО на різних етапах термічного прогрівання.

4. Вивчення процесів випаровування та формування складу поверхні кристалів (А3В5) і аналіз механізмів впливу зовнішніх факторів (температури, електричного струму, що пропускається через кристал) на процеси випаровування та формування складу поверхні .

5.Аналіз можливості використання зовнішніх впливів (температури, електричного поля) на керування складом поверхні кристалів з різним ступенем іонності.

Наукова новизна роботи полягає в отриманні і в узагальненні нових наукових результатів, а саме:

1.Вперше показано, що процес формування складу поверхні кристалів ВаО, СаО і SrО, отриманих шляхом термічного розкладу карбонатів, залежить від режиму їх термовакуумної обробки. При цьому за рахунок цієї обробки можуть бути оптимізовані емісійні характеристики структур на їх основі. Ці експериментальні результати отримані методом електронної оже-спектроскопії.

2.Встановлено, що за допомогою електричного поля і температури можна керувати процесом формування складу поверхні сполук ВаО, СаО і SrО та її емісійними властивостями в умовах високого вакууму.

3.Вперше показано, що процесом формування складу плівки, утвореної при випаровуванні кристала СаО, можна керувати за допомогою зовнішнього електричного поля, прикладеного до кристала при його випаровуванні у вакуумі.

4.Експериментально показано, що процесами випаровування та формування складу поверхні кристалів GaAs можна керувати шляхом пропускання струму в системі зонд-кристал.

5.Показано, що загальні закономірності процесів випаровування кристалів GaAs та формування складу їх поверхні при термовакуумних обробках обумовлені процесами нейтралізації дефектних іонів подібно до іонних сполук ВаО, СаО і SrО і, таким чином, визначаються впливом струму, що протікає, на електронну підсистему кристала GaAs.

6.Прямими методами електронної оже-спектроскопії та мас-спектрометрії показано, що існують області температур, при яких досягається стабільне відношення концентрацій компонент Ga і As на поверхні кристала і в потоках при випаровуванні. Даний процес має зворотний характер. Однак, співвідношення між компонентами не дорівнює одиниці, на відміну від ситуації, що має місце в кристалах ВаО, СаО і SrО.

Практичне значення отриманих результатів. Результати експериментальних досліджень показали, що існують оптимальні умови термічного розкладу карбонатів для отримання зразків типу ВаО, СаО і SrО з високими емісійними параметрами. Показано, що впливаючи на електронну підсистему кристала можна керувати складом його поверхні та отримувати плівки бінарних сполук з заданим складом. Таким чином, отримані результати відкривають можливості використання і вдосконалення методик керування складом поверхонь кристалів ВаО, СаО і SrО та GaAs і отримання плівок цих матеріалів, що може бути використано в технологіях сучасного електронного приладобудування.

З’ясування механізму і кінетики порушення стехіометрії при нагріванні в вакуумі кристалів окислів лужноземельних металів внесло зміни в уявлення про механізм фізичних явищ, які відбуваються в напівпровідниковому термоемітері. Зокрема, це дозволило з’ясувати роль термічної дисоціації окислів в механізмі активування і визначенні тих процесів, що обумовлюють термін роботи термоемітера. На цій основі було запропоновано ряд практичних рекомендацій, спрямованих на вдосконалення технології виготовлення емітерів і підвищення строку служби.

Особистий внесок автора. Автором розроблена і виготовлена оригінальна надвисоковакуумна установка, яка дозволяє в однакових вакуумних умовах при очищенні поверхні методом іонного травлення проводити оже-спектроскопічні, мас-спектрометричні та емісійні дослідження поверхонь та границь розділу металів, напівпровідників та діелектриків і їх плівок в широких температурних інтервалах та при впливі зовнішніх факторів. Разом з науковими керівниками брав участь в постановці фізичних задач, обробці і інтерпретації експериментальних результатів. Автором дисертації самостійно проведені експериментальні дослідження. Разом з співавторами були отримані експериментальні результати по дослідженню впливу температури і тиску залишкових газів на формування складу поверхні зразків ВаО, (ВаСа)О та вивченню їх емісійних властивостей.

Апробація роботи. Основні матеріали, які викладені в дисертації, доповідались і обговорювались на ХХ всесоюзній конференції по емісійній електроніці (Київ, 1987), на всесоюзному семінарі “Діагностика поверхні іонними пучками” (Донецьк, 1988), на ХХІІ конференції по емісійній електроніці (Москва, 1994), на міжнародній конференції “Плазмотехнологія-95” (Запоріжжя, 1995), на IХ міжнародній нараді “Радіаційна фізика твердого тіла” (Севастополь, 1999), на ІІІ міжнародній конференції “Фундаментальные и прикладные проблемы физики ” (Саранск, 2001), на ХХІІ Міжнародному симпозіумі “Тонкие пленки в электронике” (Харьков, 2001).

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 15 друкованих робіт, перелік яких наведено в кінці автореферату.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків до роботи та списку цитованої літератури. Вона містить 156 сторінок, 57 рисунків, 2 таблиці, список цитованої літератури з 125 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми, сформульована мета досліджень, наводяться відомості про практичне значення результатів та їх апробацію.

У першому розділі наведено огляд літератури за темою дисертації. Зокрема, проведений аналіз результатів досліджень, що стосуються випаровування та порушення стехіометрії поверхні бінарних іонних кристалів при температурній обробці. Розглянуті існуючі моделі випаровування бінарних сполук. Детально розглянуті механізми випаровування бінарних сполук, які ґрунтуються на аналізі впливу електронної підсистеми на ці процеси.

У другому розділі описано конструкцію створеної універсальної оригінальної надвисоковакуумної установки для проведення комплексних досліджень напівпровідників, діелектриків, металів та напівпровідникових структур в умовах надвисокого вакууму, наведено її основні характеристики. Оригінальність вакуумної установки полягає в тому, що в однакових вакуумних умовах можуть бути реалізовані наступні методики досліджень: методика електронної оже-спектроскопії, методика мас-спектрометрії, методика емісійних досліджень, методика термічного напилення плівок, методика іонного травлення. Використання розробленої методики іонного травлення зразків одночасно з оже-спектроскопічною методикою дослідження поверхні є важливим при дослідженні напівпровідникових структур, в яких за технологічних умов не може бути використаний режим термічного знегаження. За допомогою даної установки були проведені комплексні дослідження по впливу електронної підсистеми на формування складу поверхні напівпровідникових сполук ВаО, СаО, SrO, GaAs.

У цьому розділі також наведені результати досліджень отримані при виготовленні іонних бінарних сполук BaO, SrO, CaO в процесі розкладу відповідних карбонатів (Ba,Sr,Ca)СО3. показано, що існують оптимальні режими термовакуумної обробки карбонатів, які дозволяють отримати експериментальні зразки BaO, SrO, CaO з високими емісійними властивостями. Так, розклад карбонату ВаСО3 було проведено в двох режимах: швидкому і повільному. На рис.1 представлено залежність загального тиску Рзаг у вакуумній камері, іонних струмів СО2 і СО, пропорційних тискам Рсо2 і Рсо в системі від температури зразка ВаСО3 в процесі розкладу. При цьому, як показують експериментальні дослідження, тиск CО2 і СО у максимумі газовиділення складає 70% від загального тиску. На рис.2 представлено залежність інтенсивності амплітуд оже-піків вільного барію, а також загального тиску Pзаг у вакуумній камері від температури зразка ВаСО3 в процесі розкладу карбонату BaCO3. З рис.2 видно, що вільний барій з’являється на поверхні зразка уже в початковий момент виділення СО2, а в максимумі виділення концентрація Ва в покритті істотно зменшується. При цьому вміст СО у камері починає помітно зростати в той же момент, коли починає зменшуватися концентрація надлишкового металу на поверхні оксидного шару. Кількість цього металу в оксидному шарі може істотно зменшуватися в результаті конверсії двоокису вуглецю, що виділяється, в окисел.

Рис.1. Залежність загального тиску Рзаг (1) та іонних струмів СО2 (2), СО (3) від температури зразка ВаСО3 в процесі його швидкого розкладання.

Рис.2. Залежність загального тиску Рзаг(1), інтенсивності оже-піку вільного Ва(2,3) від температури зразка ВаСО3 в процесі розкладу. Криві 1,2 - повільний режим, крива 3 – швидкий режим.

З аналізу отриманих результатів випливає, що для збереження в покритті вільного лужноземельного металу, відповідального за емісійні властивості окислу, необхідно знижувати в процесі розкладання карбонатів тиск СО2 над зразком. Цього можна досягти або шляхом збільшення швидкості відкачки вакуумної камери, або шляхом уповільнення швидкості протікання процесу розкладання карбонатів. При парціальному тиску СО2 над BаCO3 на рівні
10-7 мм рт.ст., що досягалося в експерименті за рахунок зменшення швидкості підвищення температури, у покритті зразків вдалося зберегти помітну кількість вільного барію, що видно на рис.2 (крива 2). На рисунку приведена також динаміка зміни загального тиску Рзаг в системі. Емісійні виміри, виконані після термовакуумної обробки в умовах малого тиску СО2 у камері, показали, що робота виходу зразка безпосередньо після знегажування складає =1,7 еВ при Т=1100 К і високотемпературне тренування в цьому випадку, як і передбачалося, емісійну здатність змінило несуттєво. У той же час робота виходу ВаО, при звичайних режимах обробки карбонату, які використовуються на виробництві, складала =2,1 еВ при Т=1100 К.

В третьому розділі викладені основні результати досліджень по впливу зовнішніх факторів на формування складу поверхні та емісійні властивості бінарних іонних сполук BaO, SrO, CaO (А2В6). Представлені результати експериментальних досліджень по формуванню складу плівок. Показано, що можна керувати процесом випаровування компонент, які входять до складу бінарних сполук, при прогріванні кристалів за рахунок впливу на електронну підсистему. Так, при випаровуванні кристала ВаО зміна концентрації атомів Ва і молекул ВаО на поверхні кристалів окислу в процесі його прогрівання в цілому корелює з характером випаровування Ва і ВаО зі зразка. При цьому практично на всіх етапах прогрівання зміни інтенсивності оже-піків, що характеризують вміст Ва і ВаО на поверхні, протилежні за знаком: чим більша інтенсивність оже-піку Ва, тим відповідно менша інтенсивність оже-піку ВаО.

Зміна складу поверхні окислу при прогріванні супроводжується зміною його термоелектронної роботи виходу . При цьому має місце кореляція між її величиною і величиною відношення інтенсивностей оже-піків вільного барію і кисню. Зокрема, мінімальне значення роботи виходу спостерігається при максимальній величині відношення інтенсивностей оже-піків вільного барію і кисню.

Дія електричного поля призводить до істотної зміни параметрів поверхні оксидного шару, насамперед його складу. Це проявляється в значній зміні інтенсивностей оже-піків усіх без винятку компонент зразка (Ва, ВаО, О2) і супроводжується зміною термоелектронної роботи виходу окислу. При цьому найбільші зміни інтенсивності оже-піків, які характерні для вільного барію, складають в окремих випадках 10-20 разів. У значно меншій мірі (у 1,5-2 рази) змінюються інтенсивності оже-піків ВаО і, особливо, кисню, для якого ці зміни не перевищують 10-15%.

Дослідження процесу формування плівки при випаровуванні кристала СаО показало, що склад плівки залежить від прикладеної напруги і вихідного стану зразка.

Типові залежності кількості Са, яка пропорційна часу напилення на вольфрамову пластину, у відносних одиницях за фіксований проміжок часу напилення при одній і тій же температурі на різних етапах прогрівання зразків СаО представлені на рис.3. На цьому рисунку приведені також результати, які характеризують кількість Са в ті ж самі моменти часу тривалого прогрівання зразка, але з прикладеною напругою (Uа=200В). При цьому пластина мала позитивну полярність, а температура зразка і час, протягом якого відбувалося напилення, були такими ж, як при напиленні без поля (відповідно 1200 К і 2 хв.). Видно, що і без поля, і при дії поля кількість напиленого Са стабілізується з часом, але при наявності поля на іншому по величині рівні. Характерно, що кількість напиленого Са на різних етапах прогрівання зразка при дії електричного поля в однакових умовах при сталому значенні роботи виходу не відрізняється. Зміна випаровування Са при дії електричної напруги однієї і тієї ж величини свідчить про те, що при цьому встановлюється новий стаціонарний стан зразка СаО, характерний для нових умов експерименту.

Рис.3. Залежність відношення елементного складу Са до О плівки СаО від часу прогрівання та прикладеної зовнішньої напруги (час напилення плівки СаО у всіх експериментах сталий і дорівнює t=2 хв., = 200 В).

На підставі даних рис.3 можна зробити висновок, що в залежності від початкового стану зразка, тобто від його роботи виходу, співвідношення напилених компонент може бути різним і, отже, можуть бути різними електрофізичні властивості отриманих плівок. Цей висновок має важливе значення для розробки методики одержання бінарних напівпровідникових плівок прецизійного складу.

Четвертий розділ присвячений дослідженням можливостей керування процесами випаровування та формування складу поверхні кристала при термовакуумній обробці та за рахунок впливу на електронну підсистему шляхом пропускання струму в системі зонд-кристал. Показано, що пропускання струму через кристал суттєво змінює швидкість випаровування As. При цьому якісно встановлено, що величина ефекту залежить від величини струму, температури зразка та його активності (концентрації вільних носіїв заряду), а напрямок ефекту визначається знаком потенціалу (напрямком струму), що прикладається та типом вільних носіїв заряду (електронів або дірок). Як видно з рис.4,а, у випадку подачі на зонд негативного потенціалу (прямий напрямок струму) відносно підкладки, випаровування As значно збільшується. При цьому зі збільшенням струму, що пропускається, ефект зростає.

Зміна вихідної температури прогрівання цього кристала при незмінному за величиною струмі вказаного напрямку через кристал також призводить до зміни швидкості випаровування As, відносний приріст якої зі збільшенням температури зменшується рис.4,б.

В той же час при позитивному потенціалі зонда (зворотний напрямок струму) відносно підкладки ні зміна величини струму, ні зміна температури зразка до відносної зміни випаровування As практично не призводить.

Рис.4 Зміна швидкостей випаровування As при зміні струму (а)
та при зміні температури (б).

Збільшення швидкості випаровування As, що спостерігається при пропусканні через кристал струму, не може бути пояснене його додатковим розігріванням джоулевим теплом, що виділяється при цьому в зразку. З одного боку, про це говорить той факт, що зростання швидкості випаровування As значно перевищує очікуваний внаслідок підвищення температури, викликаного проходженням струму. З іншого боку, про це ж свідчить відсутність ефекту при негативному потенціалі зонда відносно підкладки, хоча незалежно від напрямку проходження через кристал струму його нагрівання, як вказувалось, однакове.

У висновках коротко викладені найбільш важливі наукові та практичні результати отримані при проведенні експериментальних досліджень складу поверхонь ВаО, СаО, SrO (А2В6) та GaAs (А3В5), які мають різну ступінь іонного зв’язку, при впливі зовнішніх факторів (температури, електричного поля та електричного струму).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Розроблена та виготовлена універсальна оригінальна надвисоковакуумна установка для проведення комплексних досліджень напівпровідників, діелектриків, металів та напівпровідникових структур в умовах надвисокого вакууму. Оригінальність вакуумної установки полягає в тому, що в однакових вакуумних умовах можуть бути реалізовані наступні методики досліджень: методика електронної оже-спектроскопії, методика мас-спектрометрії, методика емісійних досліджень, методика термічного напилення плівок, методика іонного травлення. Використання розробленої методики іонного травлення зразків одночасно з методикою електронної оже-спектроскопії поверхні відкриває додаткові можливості для вивчення внутрішніх меж поділу гетерофазних структур напівпровідникової електроніки. За допомогою створеної експериментальної установки були проведені комплексні експериментальні дослідження формування складу поверхонь та потоків, що випаровуються з поверхонь, при термообробках та польових впливах на електронну підсистему напівпровідникових кристалів GaAs, ВаО, СаО та SrO.

2. Аналіз результатів проведених оже-спектроскопічних досліджень по вивченню складу поверхні кристала BaO показав, що складом поверхні можна керувати за рахунок впливу на електронну підсистему зовнішнім електричним полем. Враховуючи те, що поверхнева концентрація атомів суттєво залежить від температури і направленого збудження електронної підсистеми, то, підбираючи температурний режим і направлене збудження електронної підсистеми, можна в широких межах керувати складом поверхні кристала і його властивостями.

3. Дослідження складу плівок СаО, які отримані при випаровуванні кристала СаО, методом електронної оже–спектроскопії, показали, що співвідношення концентрацій компонент плівки Са і О залежить від роботи виходу кристала СаО і зовнішньої напруги, при якій формується плівка. Результати оже-спектроскопічних досліджень вказують на те, що процесом формування складу плівки, а отже і електрофізичними властивостями термічно напилених плівок, можна керувати шляхом зміни величини та полярності напруги, яка в процесі формування плівки утворює електричне поле між зразком СаО та підкладкою плівки.

4. На основі експериментальних досліджень встановлено, що, керуючи процесом випаровування компонент кристалів в умовах надвисокого вакууму, можна отримувати плівки різного складу. Якщо кристал при випаровуванні знаходиться в квазістаціонарному стані, то отримані плівки різного складу будуть з мінімальним розкидом параметрів. Таким чином, факт існування квазістаціонарного стану кристалів СаО має велике значення з точки зору одержання з парової фази плівок з відтворюваними параметрами: плівки стехіометричного складу можуть бути одержані лише в тому випадку, коли кристал знаходиться в квазістаціонарному стані, незалежно від температури прогрівання.

5. Аналіз експериментальних результатів, отриманих методом електронної оже-спектроскопії, показав, що при прогріванні кристала GaAs в інтервалах температур 600-700 К, 700-800 К, 800-900 К зміна відношення концентрацій As до Ga відбувається в основному за рахунок зміни концентрації As. При цьому в зазначених інтервалах температур має місце відповідна відтворюваність складу поверхні. зворотність зміни складу поверхні при зміні температури залежить від часу термообробки у відповідному температурному інтервалі.

6. Як показав аналіз експериментальних даних, при нагріванні кристала GaAs у вакуумі з одночасним пропусканням струму в системі зонд-кристал, можна керувати зміною складу поверхні кристала, змінюючи температуру і величину струму. При цьому зміна складу поверхні відбувається за рахунок зміни концентрації As на поверхні. Отже, згідно з електронною теорію випаровування та формування складу поверхні бінарних напівпровідникових сполук типу А2В6 в околі зонда, де відбувається максимальна зміна концентрації носіїв заряду, створюються найсприятливіші умови для нейтралізації та випаровування відповідної компоненти бінарного кристала GaAs.

7. експериментально методом мас-спектрометрії показано, що відносні потоки ga та As, які випаровуються при температурах прогрівання кристала 800 К, 900 К, 1000 К у вакуумі визначаються напрямком та величиною струму, що протікає в системі зонд - кристал. При цьому методом електронної оже-спектроскопії показано, що склад поверхні кристала gaAs, змінюється у відповідності до зміни потоків, що випаровуються. Таким чином, прямими експериментальними методами доведено, що існує кореляція між компонентами ga і As, які випаровуються, і складом поверхні кристала gaAs, що формується в наслідок збудження електронної підсистеми кристала gaAs.

8. Дослідження впливу струму на потоки випаровування та формування складу поверхні кристала GaAs (ступінь іонності =0,1) при прогріванні у вакуумі показали, що на відміну від кристала ВаО, CaO, SrO (ступінь іонності відповідно =0.6, =0.8, =0.7), в кристалах GaAs при подібних процесах, не встановлюються квазістаціонарні стани, при яких стабілізуються потоки компонент, що випаровуються.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ:

1. Ильченко В.В., Кравченко А.И., Михайловский Б.И., Телега В.Н. Исследование влияния электрического тока на состав поверхности и испарение компонентов кристаллов GaAs при нагревании в вакууме. // Труды ІІІ международной конференции “Фундаментальные и прикладные проблемы физики”. Саранск, 2001. - С.131.

2. Ільченко В.В. Кравченко О.І., Михайловський Б.І. Телега В.М. Керування процесами випаровування та формування складу поверхні кристала GaAs. // Вісник Київського університету. Сер. Фіз.-мат. науки. - 2001. - Вип.1. - С.346-356.

3. Ильченко В.В., Кузнецов Г.В., Телега В.Н., Цыганова А.И. Влияние условий формирования на эмиссионные характеристики тонкопленочных структур ВаО-Si. В сб. 12 Международного симпозиума “Тонкие пленки в электронике”. // Под ред.А.Ф.Белянина. - Харьков, Украина. 2001 - С.96-99.

4. Лазоренко В.М., Назаренко В.Б., Телега В.М., Чайка Г.Є., Шнюков В.Ф. Випаровування кристалів типу А3В5 у вакуум. // УФЖ. - 2000. - Т.45., № 6. - С.708-710.

5. Лазоренко В.Н., Назаренко В.Б., Телега В.Н., Чайка Г.Е. Теория испарения кристаллов А3В5 с участием свободных электронов в вакууме. // Труды ІХ Международного совещания “Радиационная физика твердого тела”. Севастополь, 1999. - С.801

6. Шнюков В.Ф., Михайловський Б.І., Телега В.М. Властивості металево-пористих катодів з додатком скандію в активну речовину. // Вісник Київського університету. Сер. Фіз-мат. науки - 1996. - Вип.2. - С.278-286.

7. Шнюков В.Ф., Горчинский А.Д., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е., Телега В.Н. О роли скандия в металлопористых катодах. // Збірник “Фізико-хімічні структури та емісійні властивості тонких плівок і поверхні твердого тіла”.- 1995. - Вип.2, кн.1. - С.158-171.

8. Лебедев Д.О., Лысенко В.Н., Мартыш Е.В., Телега В.Н., Черняк В.Я., Осаждение алмазоподобных пленок из плазмы несамостоятельного разряда, стимулированного плазменным потоком. // Плазмотехнология 95. Сборник научных трудов под. ред. С.А.Юхимчук. Запорожье, 1995. - с.147 - 150.

9. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Минтусова О.А., Лушкин А.Е., Телега В.Н. Влияние режима термовакуумной обработки оксидных катодов на их состав и эмиссионные свойства. // Электронная техника. Сер.4. - 1989. - Вып.4. - С.50.

10. Михайловский Б.И., Пикус Г.Я., Перехватов В.Н., Телега В.Н., Шнюков В.Ф. Влияние электрического поля на состав и электронные свойства поверхности кристаллов оксида бария. // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1989. - Вып.11. - С.86.

11. Лушкин А.Е., Телега В.Н. Комплексные исследования состава поверхности окислов ЩЗМ. // Тез.докл. Всесоюзного совещания-семинара “диагностика поверхности ионными пучками”. Донецк, 1988. - С.203 - 204.

12. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е., Телега В.Н. Влияние режима разложения карбонатов ЩЗМ на состав и эмиссионные свойства получаемых окислов. // Известия АН СССР. Сер. Физическая. - 1988. - Т.52, № 8.- С.1500-1503.

13. Михайловский Б.И., Пикус Г.Я., Перехватов В.Н., Телега В.Н., Шнюков В.Ф. Влияние электрического поля на состав и элетрические свойства поверхности кристаллов окиси бария. // Тез.докл. ХХ Всес.конф. по эмиссионной электронике. Киев, 1987. - Т.1. - С.68.

14. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е., Телега В.Н. Влияние режима разложения карбонатов ЩЗМ на состав и эмиссионные свойства получаемых окислов. // Тез.докл. ХХ Всес.конф. по эмиссионной электронике. Киев, 1987. - Т.1. - С.116.

15. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е., Телега В.Н., Ракитин С.П. Исследование состава поверхности металлопористых катодов методом электронной оже-спектроскопии. // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. - 1986. - Вып.8. - С.30 -

Анотація.

Телега В.М. ‘‘Вплив електронної підсистеми на формування складу поверхні напівпровідникових сполук з різним ступенем іонності ’’ - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та діелектриків. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2002 р.

Дисертація присвячена експериментальним дослідженням впливу електронної підсистеми на формування складу поверхні та випаровування бінарних кристалів ВаО, СаО, SrO (А2В6) та GaAs (А3В5), які мають різну ступінь іонності. Для здійснення цих досліджень було створено оригінальну надвисоковакуумну установку. Проведені експериментальні дослідження процесів формування складу поверхні кристалів, випаровування компонент кристалів, емісійних властивостей кристалів. показано, що впливаючи на електрону підсистему кристалів температурою, електричним полем, електричним струмом можна керувати процесами формування складу поверхні кристалів. На основі експериментальних досліджень встановлено, що керуючи процесом випаровування компонент кристалів в умовах надвисокого вакууму, можна отримувати плівки різного складу. Дослідження можливостей керування процесами випаровування та формування складу поверхні кристала при термовакуумній обробці та за рахунок впливу на електронну підсистему шляхом пропускання струму в системі зонд-кристал показали, що пропускання струму через кристал суттєво змінює швидкість випаровування As. При цьому величина ефекту залежить від величини струму, температури зразка та концентрації вільних носіїв заряду. Напрямок ефекту визначається знаком потенціалу (напрямком струму), що прикладається, та типом вільних носіїв заряду.

Формування складу поверхні кристалів, як показують експериментальні дослідження, залежить від їх ступені іонності.

Ключoві слова: квазістаціонарний стан (КСС), робота виходу, стехіометрія, випаровування, електронна підсистема, склад плівок, оже-спектроскопія, мас-спектрометрія, іонне травлення.

АННОТАЦИЯ.

Телега В.Н. ‘‘Влияние электронной подсистемы на формирование состава поверхности полупроводниковых соединений с различной степенью ионности’' - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2002 г.

Диссертация посвящена экспериментальным исследованиям роли электронной подсистемы в процессах формирования состава поверхности и испарения бинарных кристаллов ВаО, СаО, SrО (А2В6) и GaAs (А3В5), которые имеют различную степень ионности. Для осуществления этих исследований была создана оригинальная сверхвысоковакуумная установка с комплексом методик для исследований. Проведены экспериментальные исследования процессов формирования состава поверхности кристаллов, испарения компонент кристаллов, эмиссионных свойств кристаллов. При этом показано, что существуют оптимальные условия термического разложения ВаСО3, СаСО3, SrСО3 при которых эмиссионая способность полупроводниковых ионных кристаллов определяется величиной парциального давления СО2 в вакуумной камере в момент разложения карбонатов. В этот период в составе поверхности бинарных соединений ВаО, СаО, SrО образуется избыточный щелочноземельный металл, количество которого также зависит от парциального давления СО2.

Показано, что влияя на электронную подсистему кристаллов температурой, электрическим полем, электрическим током, можно управлять процессами формирования состава поверхности кристалла. При этом существует корреляция между скоростями испарения компонент кристалла и концентрацией их на поверхности . При любых внешних воздействиях на кристалл происходит изменение скоростей испарения компонент и их концентрации на поверхности что, в конечном счете, приводит к установлению нового квазистационарного состояния. На основе экспериментальных исследований установлено, что управляя процессом испарения компонент кристаллов в условиях сверхвысокого вакуума, можно получать пленки различного состава.

Исследования возможностей управления процессами испарения и формирования состава поверхности кристалла GaAs при термовакуумной обработке и за счет влияния на электронную подсистему путем пропускания тока в системе зонд-кристалл показали, что пропускание тока через кристалл существенно изменяет скорость испарения As. При этом величина эффекта зависит от величины тока, температуры образца и концентрации свободных носителей заряда. Направление эффекта определяется знаком потенциала (направлением тока), прикладываемого к структуре и типом свободных носителей заряда. Установлено, что в отличие от бинарных ионных кристаллов в кристаллах GaAs не устанавливаются квазистационарные состояния.

Формирование состава поверхности кристаллов, как показывают экспериментальные исследования, зависит от их степени ионности.

Ключевые слова: квазистационарное состояние (КСС), стехиометрия, испарение, электронная подсистема, состав пленок, работа выхода, оже-спектроскопия, масс-спектрометрия, ионное травление.

THE SUMMARY.

TELEGA V. "InfluencE of the electronic subsystem on surface composition formation and semiconductor compounds with a different ionicity ’ ' - manuscript.

Thesis for candidate's degree of physics and mathematical sciences by speciality: 01.04.10 - physics of semiconductors and isolators. - National Taras Shevchenko University of Kyiv, Kyiv, 2002.

The thesis is dedicated to experimental investigations of influence of the electronic subsystem on surface composition formation and vaporization of binary crystals of ВаО, СаО, SrО (А2В6) and GaAs (А3В5) with different ionicity. For implementation of these investigations the original ultrahigh-vacuum setup was built. The experimental investigation of processes of composition formation of crystal surfaces, vaporization of compounds of crystals, emission properties of crystals are carried out. It shown that is possible to control formation process of crystal surface by influence on electronic subsystem of crystal by temperature, electric field and electric current. On the basis of experimental investigations it is found that is possible to obtain films with different structure by influencing on vaporization process of compounds of crystal under ultra-high vacuum conditions. Investigations of capabilities of control of processes of vaporization of GaAs crystal due to outer influence on electronic subsystem are shown that passing of current through the crystal essentially change a rate of As evaporation. The value of effect depends on a current magnitude, temperature of a sample and concentration of free charge carriers. The direction of effect is determined by a potential sign (current dirrection) applied to the sample, and by a type of free charge carriers.

Composition formation of crystal surfaces, as demonstrated by experimental investigations, depends on their ionicity.

Keywords: a quasi-stationary state (QSS), stoichiometry, vaporization, electronic subsystem, film structure, work function, AES, mass spectrometry, ion beam etching.