弹道电子发射显微术

　　弹道电子发射显微术(BEEM)是八十年代后期国际上发展起来的一种表、界面研究探测新技术[1]。STM探针定位于样品表面附近,作为发射弹道电子的发射极。被测样品的界面由基极薄膜(如金属膜等)和集电极(如半导体等)构成。当探针与基极之间施加一定偏压时,从探针发射出的电子进入基极,其中有一部分电子没有能量损失而达到界面层。如果探针上的偏压Vt大于界面势垒Vb时,部分电子有足够的能量穿过势垒进入集电极形成电流Ic。如果Vt小于Vb,电子将不能穿过势垒而从基极的地线流出,集电极收集不到电流。当保持隧道电流恒定并固定探针在样品表面某一位置时,在扫描Vt的同时收集Ic,就能够获得BEEM(Ic-Vt)谱。BEEM谱反映了电子越过界面势垒的过程并包含着势垒的特性。如果探针以恒流模式扫描样品表面,在采集表面STM形貌像的同时收集电流Ic,又可获得BEEM图像。

　　界面的物理性质一直是令人关注的问题,尤其对金属/半导体界面性质的研究不仅有着重要的理论意义,而且具有广泛的实际应用价值。例如:至今还没有一个简单的理论能很好地描述甚至预言某一特定界面的肖特基势垒性质。这是由界面的复杂性而决定的,需要考虑到包括金属的功函数、半导体电子亲和能、半导体掺杂、界面结构、界面成分以及界面的化学反应等许多因素。常规的表面分析技术不能用于研究界面的性质。传统的界面探测方法虽然能够用来表征界面的有关性质,但它们不具备在纳米尺度上探测界面性质的能力。可以预言,随着纳米科技尤其是微电子技术的飞速发展,在纳米尺度上探测研究有关界面的性质将会越来越重要。因此BEEM的问世具有重要意义和应用价值。据粗略统计,目前国际上发表的有关BEEM的研究应用论文已有上百篇,其中大部分集中在对金属/半导体界面的研究上。

　　目前,我们已建立起一套能在惰性气体环境下工作的BEEM设备,并对两种重要的金属/半导体界面进行了探测,获得了Au/Si和Au/GaAs样品的STS谱、BEEM谱、STM表面以及BEEM图像;根据实验数据进行拟合从而得到了这些界面在纳米尺度上肖特基势垒高度等性质;对表、界面的纳米级加工进行了一些探索。作为例子,图1.(a)和(b)给出了同时采集的Au/Si(100)的表面和界面图像。这两幅图是在偏压(Vt=1.5V)大于界面势垒高度时,

用恒流(It=3nA)模式扫描获得的。图1.(a)为金膜表面形貌图,可见其典型的岛状结构。BEEM图像主要反映了具有一定能量的电子穿越界面不同点处的情况,包括势垒高度是否均匀及传输性质是否一致等。从图1.(b)中可见,BEEM图像具有明显的非均匀性,即图像的左上部分存在一个“暗区”,并与右下部分的“亮区”形成一条明显的边界。这可能是由于在暗区存在SiO2层使BEEM电流的透射几率降低造成的[2]。由此推知BEEM图像的不均匀应是界面存在不均匀性质的直接反映。另外通过测量发现,边界的“线宽”大约为1.5nm。图2是图1.(b)在边界附近区域沿水平方向作的剖面图,由图可知BEEM电流在边界处发生突变的区域约为1.5nm。这意味着BEEM图像具有很高的空间分辨率。