Одним из наиболее фундаментальных методов изучения кристаллической структуры полупроводников является рентгеноструктурный анализ. Суть метода основана на дифракции рентгеновского излучения на периодической решётке кристалла. Условие дифракции описывается законом Брегга:
nλ = 2dsin θ,
где n — порядок дифракционного максимума, λ — длина волны рентгеновского излучения, d — межплоскостное расстояние, θ — угол падения.
Основные особенности метода:
Для полупроводников с высокой степенью совершенства кристаллической решётки, например кремния или арсенида галлия, рентгенодифракция позволяет с высокой точностью оценивать величину деформаций, возникающих при внедрении примесей или при выращивании слоёв разной природы.
Для исследования кристаллической структуры на наноуровне применяются методы электронной микроскопии.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) основана на взаимодействии пучка электронов с атомной решёткой. Электроны рассеиваются на атомных плоскостях, формируя дифракционную картину, которая позволяет:
Высокоразрешающая ПЭМ обеспечивает прямое изображение атомных рядов в кристалле, что особенно важно для исследования полупроводниковых наногетероструктур и тонких эпитаксиальных слоёв.
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) применяется для анализа поверхности кристаллов, выявления микротрещин, морфологии зёрен и неоднородностей. В сочетании с методами энергодисперсионного анализа СЭМ даёт информацию о химическом составе исследуемого участка.
В отличие от рентгеновского излучения, которое взаимодействует главным образом с электронной оболочкой атомов, нейтроны взаимодействуют с ядрами. Это делает метод особенно полезным для различения лёгких атомов в присутствии тяжёлых, что актуально, например, при изучении соединений типа AIIIBV и AIIBVI.
Преимущества метода:
Для полупроводников метод менее распространён из-за необходимости мощных источников нейтронов, но он незаменим при уточнении кристаллографических данных.
Применяется преимущественно для анализа тонких плёнок и поверхностных слоёв. Дифракция быстрых электронов при отражении позволяет определять:
Метод играет ключевую роль при исследовании гетероэпитаксиальных полупроводниковых структур, где контроль качества границ раздела имеет решающее значение для оптических и электронных свойств материала.
Комбинационное рассеяние света возникает при взаимодействии фотонов с колебательными модами кристаллической решётки. Анализ спектров Рамана позволяет:
Для полупроводниковых материалов метод особенно важен, так как фононные свойства тесно связаны с теплопроводностью, подвижностью носителей и другими характеристиками.
Применяется в реальном времени для контроля роста плёнок при молекулярно-лучевой эпитаксии. Позволяет:
RHEED является неотъемлемым инструментом современной технологии получения полупроводниковых наноструктур.
Метод основан на взаимодействии магнитных моментов ядер с внешним магнитным полем и радиочастотным излучением.
Возможности ЯМР при исследовании кристаллической структуры полупроводников:
Хотя метод сложен в реализации, он предоставляет уникальные сведения о микроскопической структуре твёрдых тел.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяет получать трёхмерные изображения поверхности с атомным разрешением. Метод основан на регистрации сил взаимодействия между зондом и атомами образца. Он используется для:
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) даёт возможность наблюдать электронную плотность на поверхности кристалла. Она особенно эффективна для исследования локальной электронной структуры полупроводников и поверхностных состояний.
Кристаллическая структура тесно связана с энергетическим спектром электронов. Фотоэлектронная спектроскопия (XPS, UPS) позволяет измерять энергию электронов, выбиваемых из вещества под действием фотонов.
Применение метода:
Особенно важен метод при исследовании интерфейсов и тонких поверхностных слоёв, которые играют решающую роль в работе полупроводниковых приборов.