بلور نگاری سطح نیمه رساناها و پیشرفت در زمینه مواد سیلیسیومی بی شکل

فیزیک خلأ زمینه‌هایی از پژوهش و فن آوری را در بر می‌گیرد که در آنها تولید، نگهداری و اندازه گیری خلأ و کار برد آن در فرآیش مواد، نورد توجه است. این متحث مشتمل بر مطالعه واکنشهای شیمیایی بر روی سطح جامدات، تولید و خواص فیلمهای نازک جامدات، متالورژی خلأ، پدیده‌های خلأی و سطحی مشاهده شده در پژوهشهای گداخت پلاسمایی، نشاندن و فرآیش مواد الکترونیکی به کمک خلأ، و هم چنین مطالعه ساختار هندسی و الکترونی سطحها و سطحهای مشترک جامد – جامد است.
طی چندین دهه، از زمان کشف پراش الکترونهای با انرژی پایین (L E E D) در سطح بلورها توسط کلینتون دیویسون و لستر گرمر در سال 1927 میلادی تا کنون، یکی از هدفهای عمده سطح شناسی، استفاده از L E E D و دیگر روشهای حساس به سطح برای تعیین وضع هندسی اتمها در سطح جامدات بوده است. این هدف سر انجام با ظهور وسایل مطمئن تولید خلأهای بسیار بالا، و نظریه‌های جدید پراکنش الکترون – جامد بر آورده شد. تقریباً تمام مطالعات اولیه، در باره سطح فلزات و عایقها انجام شده است، که در این مواد وضعیت هندسی اتمهای سطح تقریباً با وضع هندسی اتمها در فطعه بلور بریده شده یکسان است. مطالعه نیمه رساناها به علت پیچیدگی باز – ساخت وضع هندسی سطح آنها نسبت به بلور، و به سبب مشکلات مربوط به اندازه گیریهای قابل اعتماد و قابل باز – تولید، نا رساییهایی داشته است.
در سالیان اخیر به علت پیش رفت روشهای دریافت داده‌ها و پیدایش رایانه‌های سریع، که محاسبه شدت L E E D را برای هزاران ساختار آزمونی، با سرعت و مقرون به صرفه انجام می‌دهند، اوضاع به طور محسوسی تغییر کرده است. هم اکنون مبنای داده‌های گرد آوری شده مربوط به ساختار سطح نیمه رساناها، قابل توجه است. به ویژه برای وجوه رخدار 110 (وجوهی که برای نمایش انبوه‌ترین آرایش از اتمهای سطح از رخ دادن به بلور مکعبی حجم مرکز پر تشکیل می‌شوند) از نیمه رساناهای ترکیبی با ساختار کانه روی. حتی ساختارهای برخی از سطوح سیلیسیوم پس از سالها مناقشه اکنون تعیین می‌شود. البته تلاشهای مهم و جالب توجهی که نمونه بارز آنها مطالعه هر چه پویاتر Ga As (110) است هم چنان ادامه دارد. جزئیات ساختاری این مدل کلاسیک به دنبال قریب ده سال مطالعه پی گیر با روشهای گوناگون با استفاده از مطالعات کانالهای یونی پر انرژی به دست آمد. با این حال، تعداد تعداد ساختارهای سطح شناخته شده نیمه رساناها دائماً رو به افزایش است، به طوری که وضعیت بلور نگاری سطح اکنون بسیار شبیه بلور نگاری حجم در دهه 1920 است.
یک کار در بلور شناسی سطح نیمه رساناها، مطالعه فصل مشترک نیمه رساناها، مطالعه فصل مشترک فلز – نیمه رسانا و نیمه رسانا – پیوند چند همگن است. در موارد مساعد می‌توان این فصل مشترکها را لایه به لایه ساخت و وضعیت اتمهای سه یا جهار لایه بالاتر را در هر مرحله فرایند تعیین کرد. اهمیت این داده‌های ساختاری فصل مشترک، برای مدلهای شیمی سطح در میکرو الکترونیک، و هم چنین فایده آنها در آزمودن اعتبار نظریه‌های جدید ساختار فصل مشترک نیمه رسانا، به خوبی آشکار است. در تهیه و پایدار سازی تماسهای تزریقی روی ترکیبات نوع V I – I I، بررسیهای ساختاری رو لایه‌های فلزی روی نیمه رسانا، از هم اکنون به ابداعات مهمی منجر شده است. با دست یابی به ساختارهای بیشتری از فصل مشترکها، می‌توان با اطمینان، پیش رفتهای عمده‌ای را در توسعه مدلهای میکروسکوپیکی برای تغییر آزمایشهای مربوط به ساختارهای زیر میکرونی انتظار داشت.
پیش رفت در زمینه مواد سیلیسیومی اریخت
جامدات بی شکل (اَریخت) موادی هستند که اتمهای آنها آن آرایش منظم و تکرار شونده مشخصه بلور را ندارند. سیلیسیوم اریخت هیدروژن دار شده، یک نیمه رسانای نسبتاً جدید و اولین ماده اریختی است که مجموعه کاملی از خواص نیمه رسانایی مثل آلایش، حساسیت، گاف اپتیکی (یعنی گاف میان نوارهای انرژی کوانتومی مجاز که با جذب یک فوتون نور مرئی می‌شود از آن گذشت)، و تحرک از خود نشان می‌دهد. از آن جا که وسایل الکترونیکی در سراسر جهان مورد توجه است، خواص فوتو الکترونیکی سیلیسیوم اریخت به طور وسیعی در دست بررسی است. در باره جذب اپتیکی در سیلیسیوم اریخت هیدروژن دار شده، که از تجزیه SI H4 در اثر تخلیه تابان حاصل می‌شود بررسیهایی صورت گرفته است. در نمونه‌ای با کیفیت خوب، هشت تا پانزده در صد هیدروژن وجود دارد که عمدتاً به صورت منو هیدرید است. ماده هیدروژن دار شده را می‌توان با سیلیسیوم اریخت هیدروژن دار نشده (با کمتر از نیم در صد هیدروژن)، که از ته نشست بخار شیمیایی کم فشار تهیه می‌شود، مقایسه کرد. جذب اپتیکی در ماده هیدروژن دار نشده بسیار شبیه جذب اپتیکی در ماده هیدروژن دار شده است. چگالی آن نزدیک به چگالی سیلیسیوم تک بلور است. این داده‌های مشابه برای جذب اپتیکی در مواد هیدروژن دار شده و هیدروژن دار نشده قویاً نشان می‌دهد که شدت جذب اپتیکی عمدتاً به خاطر اتمهای سیلیسیوم است و اتمهای هیدروژن در این کار نقش نا چیزی دارند.
فقدان نظم بلند – برد باعث ایجاد حالتهایی در گاف اپتیکی مواد اریخت می‌شود. بعضی از اندازه گیریها نشان می‌دهند که در سیلیسیوم اریخت، که از تجزیه Si H4 با تخلیه تابان تولید شده، چگالی حالتها در میانه گاف از 1014 تا 1015 حالت بر سانتی متر مکعب بر الکترون ولت است، گو این که در مورد اندازه گیری چگالی حالتهای گاف اختلاف نظر وجود دارد. با این حال، این کار با پیش رفت اساسی همراه بوده است و تا مشخص شدن منشأ حالتهای گاف (بی نظمی، نا خالصی و غیره) ادامه دارد.
آزمایشهایی نیز با استفاده از مواد ترمیم شده – مواد آلاییده با بور و فسفر – انجام شده است. در مواد ترمیم شده، تحرک سوقی الکترونها و حفره‌ها، به علت دام افتادگی در اعماق کم کمپلکسهای بور – فسفر، با افزایش میزان آلایش به تندی کاهش می‌یابد. داده‌ها نشان می‌دهند که مواد ترمیم یافته، در مقایسه با مواد تک آلاییده (با بور یا فسفر) خواص ترا برد و دام اندازی در عمق متفاوتی دارند.
مسئله تشخیص مکان و نقش مقادیر زیاد هیدروژن در سیلیسیوم اریخت هیدروژن دار شده لا ینحل مانده است. در سالهای اخیر وجود هیدروژن مولکولی (H2)، که قبلاً از مطالعات تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) حدس زده شده بود، با اندازه گیریهای مستقیم بیشتر تأیید شده است. غلظت H2 به شرایط تهیه نمونه بستگی دارد. در ماده تهیه شده در دماهای لازم دویست و پنجاه درجه سلسیوس برای رشد فیلمهای با کیفیت بالا، چند در صد از کل هیدروژن به صورت H2 است. فعلاً تکه‌هایی از پازل ماده اریخت در جای خود گذاشته شده‌اند، و بقیه تکه‌ها نیز با مطالعه بیشتر و انتخاب روشهای دقیقتر اندازه گیری، بدون شک جور خواهند شد. دانش ما از ساختار میکروسکوپیک سیلیسیوم اریخت هیدروژن دار، همراه با هم بستگی آن با خواص اپتو الکترونیکی، اطلاعات مهمی است که اکنون در آزمایشهای مربوط به آلیاژهای سیلیسیوم اریخت پیچیده‌تر، به کار می‌رود. مشاهدات تجربی به این نتایج منتهی می‌شود: (1) جذب اپتیکی شدید اصولاً ناشی از اتمهای سیلیسیوم است، (2) یک گاف اپتیکی نزدیک به یک و هشت دهم الکترون ولتی هم برای مواد هیدروژن دار و هم برای مواد بدون هیدروژن وجود دارد، (3) هیدروژن بر روی گاف اپتیکی اثر عیر مستقیم دارد، (4) گاف یک و هشت دهم الکترون ولتی به چگالی بالای ماده (نزدیک به سیلیسیوم بلوری) وابسته است. (5) کمترین بی نظمیهای ساختاری در مواد هیدروژن دار برای آنهایی است که یک گاف اپتیکی در حدود یک و هشت دهم الکترون ولت دارند (این موضوع برای مواد بدون هیدروژن به طور تجربی محقق نشده است)، (6) حضور هیدروژن لازمه خواص اپتو الکترونیکی خوب است.