Введение к работе
::—— "~л
Актуальность темы. Все более широкое применение в технологии обработки полупроводников находят мощные источники оптического излучения, особенно лазеры. В условиях межзонного поглощения световых квантов выделившаяся в тонком ( 0.01 - 1 мкм) приповерхностном слое кристалла энергия достаточна для образования новых дефектов, перестройки уже существующих, а при особенно больших интенсивностях для плавления этого слоя. Интенсивное лазерное облучение (ЛО) используется в микроэлектронике для создания новых гетероструктур: р - п переходов, омических контактов и др. Усилия физиков в основном были направлены на исследование протекающих при этом процессов жидко или твердофазной эпитаксии, ведущей к отжигу легированных слоев, диффузии примесей. Меньшее внимание уделялось выяснению механизма дефектообразования, протекающего при допороговых (до плавления ) интенсивностях ЛО. В то же время работы последних лет, в том числе проведенные и в нашей лаборатории, показали, что в этом случае наряду с чисто термическими явлениями существенную роль играют атермические эффекты, обусловленные взаимодействием генерируемых неравновесных носителей заряда (НТО) с локальными фононами, а также изменением деформационного потенциала в поверхностной фазе ( электронно-деформационно-тепловая модель дефектообразования ). Однако в этих работах в основном исследовались изменения в системе дефектов в тонком приповерхностном слое, проявляющиеся в электрофизических характеристиках полупроводника. Менее изучена система дефектов на самой поверхности, имеющих адсорбционное происхождение и находящихся в прямом контакте с внешней средой. Стимулированные ЛО фотоадсорбция, фотодесорбция и фотокатализ могут существенно влиять на поверхностные электронные процессы. Не меньший интерес исследования в этом направлении представляют для проблем катализа и фотохимического преобразования солнечной энергии, в частности искусственного фотосинтеза.
До последних лет подавляющее число исследователей связывало процессы фотоадсорбции и фотокатализа только с перерзарядкой ад-
сорбционных поверхностных состояний, в рамках существующей злеї тронной теории, развитой для низких уровней инжекции ННЗ (праї тически для квазиравновесия ). Уже первые эксперименты, прові денные в нашей лаборатории в конце 70-х годов, показали, что резко неравновесных условиях при ЛО наряду с изменением варяд< вого состояния центров адсорбции существенную роль начинают иі рать процессы их колебательного и электронного возбуждения в аі тах захвата и рекомбинации ННЗ. В ряде работ ленинградских и з; рубежных исследователей обнаружены отклонения от максвелловско; распределения по скоростям фотодесорбированных молекул, что пр; мо свидетельствует о важной роли атермических эффектов в процеї сах фотодесорбции и фотодекомпозиции поверхностного слоя пол; проводника. Однако прямых доказательств участия электрон-фоно] ных взаимодействий в актах захвата ННЗ на адсорбционные состо: ния и их роли в выше указанных поверхностных процессах еще малі В основном они получены при лазерном возбуждении электрона подсистемы полупроводника
Более СКУПО ОСВещеН ВОПРОС О РОЛИ фОНОННЫХ ВОЗбуЖДеНИЙ П'
верхности полупроводника при воздействии излучения ИК лазеро Достаточно подробно рассмотрен теоретически и эксперименталь лишь случай резонансного ИК лазерного возбуждения колебательн мод молекул, физически адсорбированных на подложках, не поглощ ющих ИК излучение. В то же время для физики полупроводников ОС бое значение имеет противоположная ситуация - ьозбуждение л кальных фононов в твердом теле и влияние этих возбуждений на а сорбционное равновесие. Этот случай может, в частности, быть р ализован при облучении структур диэлектрик-полупроводник на о нове Ge или Si 00г-лазером. До начала наших работ, однако, литературе практически отсутствовала информация о влиянии изл чения 00г-лазера на различные группы поверхностных электронн состояний (ПЗС) таких структур. Последние, как известно, игра важную роль в работе полупроводниковых приборов.
В связи со всем вышесказанным мы поставили перед собой з дачу всестороннего исследования процессов фотодесорбции, фоток тализа и дефектообразования на поверхности полупроводника в у
ловиях возбуждения его электронной и фононной подсистем при облучении в видимом и ИК диапазонах соответственно. Цель работы:
-
Разработать и создать комплексную экспериментальную установку для одновременных прямых масс-спектрометрических измерений выхода продуктов поверхностных фотореакций и электрофизических параметров кристаллических полупроводников при воздействии на них оптического излучения в видимом и ИК диапазонах.
-
В сопоставимых условиях исследовать вклад тепловых и атерми-ческих эффектов в процессах фотодиссоциации, фотокатализа и фотодекомпозиции на поверхности полупроводника, при импульсном оптическом возбуждении его электронной подсистемы.
-
Получить прямые экспериментальные доказательства роли колебательных возбуждений адсорбционных комплексов в элементарном акте фотодиссоциации и фотокатализа при возбуждении электронной подсистемы полупроводника.
-
Исследовать процесс десорбции, стимулированной 002-лазером за счет возбуждения как поверхностных фононов твердого тела, так и резонансных колебательных мод адсорбированных молекул.
-
Непосредственно в поле лазерного излучения изучить влияние возбуждения локальных фононов на скорость перезарядки поверхностных адсорбционных состояний.
-
Получить информацию о воздействии излучения С02-лазера на разные типы поверхностных состояний в структурах диэлектрик-полупроводник в широком диапазоне интенсивностей лазерного облучения.
Научная новизна.
Прямым масс-спектрометрическим методом впервые обнаружены атермические эффекты лазерно-индуцированного фотокатализа и фотодекомпозиции на поверхности полупроводника за счет возбуждения его электронной подсистемы.
Обнаружен изотопный эффект в реакции фотодиссоциации молекул НгО и D20, адсорбированных на поверхности Si. Тем самым доказано участие колебательных возбуждений адсорбционных комплексов в актах захвата и рекомбинации ННЗ в явлениях фотодиссоци-
- 4 -ации и фотокатализа.
Впервые показано, что стимулированная ИК лазером десорбция поверхности полупроводника обусловлена одновременным возбу; дением мод колебаний адсорбированной молекулы и локальных xi мических связей твердого тела, входящих в адсорбционный комі леке. Выявлена атермическая составляющая лазерной фотодесорі ции.
Впервые обнаружено ускорение кинетики перезарядки поверхнос ных адсорбционных состояний структуры Ge - Ge02 в поле излучі ния ИК лазера. Дано объяснение этому атермическому эффекту.
Показано, что импульсное ИК облучение структуры Ge - 6еОг п; интенсивностях светового потока Р = 10 - 10 Вт/смг, не вызыв; ющих макроскопических структурных изменений в поверхности фазе, приводит к образованию рекомбинационных и быстрых сост яний вблизи границы Ge - 6е02, а также к отжигу и генерац различных типов ловушек в окисной фазе. Указанные изменен спектра ПЭС обусловлены перестройкой поверхностных комплексо связанных с адсорбционной фазой.
Автор защищает :
установленные прямым масс-спектрометрическим методом эффек фотодиссоциации, фотокатализа и фотодекомпозиции, а также да ные по соответствующим изменениям электрофизических параметр поверхности полупроводника,
новые экспериментальные данные по энергетике процессов фот диссоциации и фотокатализа при возбуждении электронной подси темы полупроводника,
результаты масс-спектрометрических измерений резонансных фот десорбции и фотокатализа индуцированных излучением С02~лазер
новую информацию о влиянии облучения 00 -лазером структуры С Ge02 на рекомбинационные, быстрые и медленные поверхность электронные состояния этой структуры в широком диапазоне v тенсивностей ЛО.
Практическая и научная ценность.
Полученные в работе данные представляют существенный ині pec для таких важных направлений катализа, как :
дальнейшее развитие теории фотоадсорбции и фотокатализа на полупроводниках;
моделирование отдельных стадий фотосинтеза на аналоговых полупроводниковых системах.
Экспериментальные результаты по влиянию ИК ЛО на различные группы ПЭС структур диэлектрик - полупроводник могут найти применение при создании приборов микроэлектроники, определить предельные режимы эксплуатации оптоэлектронных устройств.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной школе "Физика поверхности" (Ташкент, 1983), Национальной школе молодых ученых (НРБ, София, 1983), VII совещании "Физика поверхностных явлений в полупроводниках" (Киев, 1984), XII Всесоюзная конференции по когеррентной и нелинейной оптике (Москва, 1985), Всесоюзной школе по физике поверхности (Одесса, 1987), Ломоносовских чтениях Московского университета (Москва, 1987), городском семинаре по физико-химии поверхности (Москва, 1984, 1986, 1989).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, трех глав, выводов и содержит 125 страниц текста, 59 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 158 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
