Механизм формирования энергетических и угловых распределений эмиттированных электронов очень низких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

СЛ}К i-IïïïTïPE/iTCi; L i госудАРСтБил:Ju 7DZ:::ECÍ2L: y

íia проза;: руко;п:еи.

OTVJIÍTGS ¡¿e/;i:¿0B:;t:

УДл 537.533.Í i

Í.ÍIaíLÍÜS.'.ÍH g0?..'*Í?0Í3A_"SLÍ C'iS?r¿T.ríbOi'üú-I Л УГЛй&Д GTc'.'.ib EIcûIa 5:1Ъ?ГН;":

Ссэккадьиость Ы-Di.Gl - ¿тапчоскял эйютрсшиз

АгторсС'^ат - дгссер'лгц:::! на со::ска;п;о ¿"чтаол стелет: кандидата &!зк;:оч>ше.:ат«чосЕй!С lays \

Сашет-Цеторбург

1992 г.

Faciera шпатюка в Caaw-ucröpöTprcscsj Гседарсгьбн-з:C;.Î тохшжско:.; укгЕсрсцггзтс.

КаучяЕЕ руководитель' - доетор ¿::з;:ка-;.:^тс:.'ат];чос]аж наук, профессор Кораллаз Б. В.

Hay-ai-^i консультант - каццвдаг »¡агвкс-ьагештачосках неук, диделг лудшюв Ij.á,-

С&зц&шсышв cnaousur»: : д.й.-и.н. Асд,\гчук 2. К. (Сагкт-Петербург), к.у.-п.к, Сгутанский Г.Б. (Санкт-Петербург).

Ведущая оргшшоада: Сшет-Яеторбуртски* Государстзон-iiuíi педагогический уш1ьерс::тс?.

Задета сссзозгся " k " де;:айрл ISS2 г. в ч^оов на заседания саециадкзкрезашяйч) Союга X CC3.30.I6 прг. Саикт-Петербургском Государствояшд тозцычзег.о:.'. утзсрскто-то по адресу: 1&525ÏСанкт-Петербург, ОисГТУ, Ислитехя::-чесг.ал ул., '¿9.

С диссертацией мшю ознакомиться ь оио-астеко Сап:сг-Пе-горбургското Государсхвешюго тишсчосаого унгаереггота.

Автореферат разослал " ^ "__Iг.

Учений сокретарх специализированного Совета К Cj63.38.I6, к.у.-м.н.

( \ Поцмлюов O.A.

I '

РОССИЙСКАЯ

¡¿¿A ,

r OEVOi ХАРАКТЕРИСТИКА РАБСТВ. .

Актуальность В сзязл с вадпосгыэ инйор.удпд:! о Снздко-

хжгческдх свойствах поверхностей твердых тел (1ПТ) днтеисдвно развиваются методы ддагкостидд ПТТ, даюше сведении об отмечепшдс свойотазх на атомарном уровне. Подобная гаг;:ор:.:ацля птлоег чрезвычайную ценность как для «ундз:,:ентальннх, так и прдгеладних работ в области сдзпческой электроники, сдз:пчд поверхности, гетерстн-юго каталкза, пачупроводвжоэюс зехналогуй и др.

Существует цеднй ког.дглег.е гетодоз олектропной спектроскопии, которой поэъолякт получать свсдетат об элементном составе, электронной и кристаллической структуре, ддна:д1ческих свойствах ато!,;оз приповерхностной области тзердш: тел (ТТ). £дя исследования элек-'троЕНоХ структуры приповерхностной области гвордкх тел перспективно.: является использование' спектроскопии кэдленикс вторичных электронов с угловым разреденпел (СйЗЭУ?;; основгалд 1:сточшком Екфорг.-ддди, з это:* виде спектроскопии является энергетические к простраяственнне распределение гждленннх вторичккх электронов С,S3).

Еолывикстзо литературное датпхн свидетельствует о тон, что ресакгуг. роль б $ор.\крозкш2и тонной стррстура (ТС) спектров ¡.ЗЗЭ с углоедм разредекисм играет зонная структура (ЗС) ПТТ. Одна!», до сих пор С'ЗЗУР всзользогалась для получения сведешь о коза-полиенкас электронных, состояниях, кеггтас со гжале энергаЗ ваш уроки вакуугд, т. е. ярд значениях энергии > 4..,5 эЗ относительно уровня борет, Прл эгис знаясякяс энергии зонная ддаграгдда имеет сложную структуру л каядая особенность на спектрах 13Э форшруется за счот вкладов целого ряда ветвей 30. Кроме того, эти особенности сильно у:л:рзны за счет ксупругих взаимодействий электронов.

Б связи с отим представляется ваднн:.! доследовать методод СШ5У? более назкояекаяей энсргегкчесяай деиазои зонной диаграмма, гдэ появляется возможность зенднрезалгя отдельна«: еотвой 30, а укиренле особенностей спектров за счет неупруггос взаимодействий в этом случае незначительно. Для отого необходимо применить метод для веществ с гоикшшоЗ работой кссода, регистрируя омдттируемке олсктроиз сшаас юяпх опертая ( I оВ).

' ПредеяьккХ случай веществ с гокжкенной работой шкода, дяя которых возможна екиссия из сашс няаяи ешвкукоэ зоны црово- -диг.ост.:, представляют полупроводники с отрицательным электронным сродством (ОЗС), для которых подобны;! эксперимент мог бы внести ясность в понзиинле геханизг.ов экхсспл тер:.:ализованных электронов, им-зюдкх энергии < I зВ.

Эксперименты в области таких низких энергий требуют совер-'ленствовакид методик регистрации спектров МВЭ, а также анализа других механизмов, влиякгах ка фор;.в!ровакхе ТС энергетических л угловых распределении эшттцруешх электронов, в частности , неоднородности распределен::.1; потенциала по ксследуешй поверхности. Следует ответить, что для репеяия поставленных задач регистрация спектров долкна производиться с высоким угловым и энергетически;,! разрепеикек, что накладывает особые требования к энерго-анализирувщик оистекам.

Решение вывеотмеченных проблем представляется важным не только для развития теории электронной эетссии кз полупроводников с ОЭС, но и для совершенствования экспериментальной базы для диагностики ПТТ, в частности, для (ЛЗЭУР.

Цели работ;-;. I. Создание экспериментальной установки для спектроскопии медленных фото- и вторичных электронов с одновременным разрешением по энергии и углу в области сверхнизких ( I эЗ) энергий для систем у.еталл - адсорбат и полупроводников с ОЗС.

2. Реатазацкя новой энергоанализпруыцей систеж для СЬЭУР в широком диапазоне энергий (0,02 - 1Ь00 оВ).

3. Изучение влияния на формирование энергетических и угловых распределений ИЗ:

а) потенциального рельефа поверхности;

б) хода потенциала в приповерхностном области на примере • систем металл - адсорбат к полупроводников о ОЭС.

4. Уточнение на основе спектроскопии кедленннх вторичних электронов (СИВЭ) с одновременным разрешение« по энергии и углу механизма эмиссия тержишзованннх электронов пи баА,? с ОЭС.

Научная новизна паботя. I, Впервые сконструирован и кз готовлен модифицированный энергоанализатор (ШД) потоков заряжениях

'частиц на основе поля с идеально;: фкуспроьле;; в плоскости снмлет-ркл (ИОЯС), которка обладает выссккги йскус:;;рук:;п;.;п и дкеперг;:-рукоссш саойсотх-к. Гродсу.опстрдрована его вцеокая э.Тёектпяностъ для применения в фото- и вторично-элснтронкс:: спектроскопии с угловым разрешение:/! в Еглроко:,! диапазоне энергии начиная с 0,С2 эЗ.

2. Проведены кодеяькив расчеты л зкезерженгзлйное исследование влияния неоднородности поверхностного псге'хсиала на спектры ШЭ с угловым разресенпег:. Показано, что 1:ал::ч;:ге поеднородностей потенциала поверхности приводит к возникновению характерных особенностей как на энергетические, так к ка угловых распределениях ?,ЗЭ.'

3. ]&зз::та кекмькко предотавлежи о вогкошнх кехаакз:.гах фрркпрованхя углоЕйх распределений зееркалгзоБапннх электронов, оптированных из полупроводников с ОЭС.

4. Впервые проведены эксперпглонтальгс-те исследования спектров фотоэлектронов, омвявфоззаише пояупрозодкташая оес-эксттерзьз, с одновременной разреаенкеи по углу и окергкк.

5- На основе аналога г.олученлке экспериментальны: ухвовкх и энергетически распределении тергдлнзозапнкх электронов кз с 020 преда о::;ека кодеяь, предполагавшая когерензяуэ омясот из Г-кшвдаука зокы дровод:"-ости, дяфгУузяое' рассеяние в слсз адсорба-та "и ограничение углов э!.-;с«и неоднородны:,! поверхностным яотен-цкальнш барьера.:.

Основные змстепавшз поготекня;

1. Конструкция ¡¿ЗА, обеспечивающая следующие параметра: а) дисперсия Б = 12; б) энергетическое разрешение а,Е/Е = 0,05 в) размеры - 65 х 65 х 80 к.:; г) мисл/дльное угловое разресетю 0,5°, кашжкаяьшЗг диапазон углов влета 10°; д) ккюкальная энергия пролета < 20 кэВ.

2. Экспериментальная установка, позволяющая регистрировать спектры йюто- п вторичных: электронов, эмиттпруеглкх с поверхности ОЭО-катодов с одноврерзшиал разрешение:,? по энергиям и углам.

3. Интенсивность эпнеепп тер:,:алнзовашшх. электронов определенной энергии, эмитируемых из Са Яг": Сд : 0 с ОЭС монотонно спадает с увеличением угла внлета относительно коркали к поверх-

-ности. Полуширина углового распределения растет от «15° при

¡энергии электронов Е «»О эВ до «40° при Е «0,Ь эЗ. 2э-чпспиость' угловой сирины от энергии оолабллется при уменьшении абсолютного значения эффективного отрзд&теяьного электронного сродства (Х^),

■ 4. Спектры теряалкзовашшх электронов из С^й : : 0 форглгруется в результате когерентной эмиссии из зо:ш проводимости СаЯ», д:::жузкого рассеякил часта электронов в неупорядоченном адслое к влияния угловой закгскгосгя прон1"дае:.:ости поверхностного потенциального барьера,

5. Неоднородности потенциала П7Г приводят к фокусировке змиттпруе;.:ых г.гед^.еннгх электронов определенных энергии вблизи определенно; углов, что вызъшает характернее особенности в оаер-гетэтоскюс и угловых спектрах !,ЗЭ (эти результат получены на базе "сдельных расчетов и подтверждена экспериментальны:.:;! дак-ныгш).

Практическая ценность ту-боту.

1. Сконструированный и кзготоэдешшй в дайной работе экерго-анализатор потоков заряженных частиц <ГЛЗЛ) и;.:еет бодьаае преимущества с точки зрения его практического применения. Енсогле фоку-спрукцие и диспергируете сво£стаа данного анализатора. (приведенная дисперсия - В= 12, энергетическое разрешение УК =

= 0,05 %) позволяют гоБоритв о перспективности его испслъзоваюш для целен диагностики поверхности кетода:.": фото- и вторично-электронно!: спектроскопии с внеоккк угловн:.: и энергетическим разрешением. Замена сложинх по ¡уотж полезадаюгдх электродов анализатора на основе поля с Ш5 на более простые конфпгура:ц'.и существенно упросает технологию его изготовления, а тагсхе позволяет применять технологические приемы, делашдге его -пригодны;.: для регистрации электронов очень кизкш; энергии ( <1 эВ).

2. Показано, что неоднородности поверхностного потенциала приводят к появлению характерных осооенностей на спектрах .'.ЭЭ, Полученные результаты позволяют избегать лох:нон интерпретации экспериментальных даншис. Особенности в энергетических и угловых спектрах могут служишь тестой на потенциальную однородность поверхности. Обгшруг.енньй эффект фокусировки ШЭ мокет бить использован дяя получения моноэнергетичееккх пучков медленных

_электронов.

3. Ш ос:.!эт.агсгг детального лсслсдогажя энерготхчесхетс л угловых распрег.слекай зклтафОБзлнах электронов для сястеш (аОКя-Ся- 0 , пковдсй большой лракткческлл интерес, развиты модельные представления о г.ехаттзмг э:.асс:л: ::з этих зклттороз.

Дтпсбапкя глботл. Результат!:, лзлог.еннкэ з диссертационной работе, хоккадаважсь к сбсугдаллсъ на УП Всссоэзнсел «азозау:.® "Вторлчно-электронная, фотоэлектронная о:л:сслл л спектроскопия поверхности твердого тела" (Тайке;;?, ,1900 г.), XXI Всесоззной кокфорс-щл:: по гьассиовноЛ элсктроллке (Ленинград, 1930 г.), наутакх се:л:карах кафедры скзлческой слектро:ллс: ЛГУ л каучшл: се:.с:карах "Г:ройлг:.п фзкческой олс;:тро;п1кп" з До:.:с ученых в Лесном (Санкт-Петербург).

ПуЗлгкаглп:. По г.^теркалатл длссертсцдн олублккоьано 5 дечатшл: работ.

Структура..::; ой'-.с;: гкоеолтпл::::. Длсс;рта1;ля состоят кз введения, четырех глаз, закл:зче!плт к списка. щлглрованкод литературы, содерлпт 160 стра;зд текста, 50 рисунков. Список литература содерггл? 77 калкснонанлй.

ОСЯОЗКОЗ СОДЕЕТЙЕЗ РАБОТЫ.

■ Во р.вяде?т:"1 обосновала актуальность тег.и, сфорг.уллрована цели работы, научная: новизна лояучейнгас результатов, кх практическая ценность, основные затааекз лололенля.

В петао:; г.-але содержится обзор литературное докних, з котором излагаются различные кехшззкн, вллтадле на формирование спектров КВЭ с уклоним разрешение:.:. Показана перспективность использования г.стодккл СГАЗЗУ? для исслсдозаншг саг.ого шгзкоэнер-. гетзчоского диапазона зонной дазграмгц при регистрации электронов сверхнизких энергии ($1 оВ). В связи с этак во второй чостл главы проведено рассмотрение свойств г.олунроводникоькк огС-эглэттерон» как самого подходящего объекта для подобии Ессл5д;оваш;и. Третья часть главы песвяпела анализу некоторых г.е;саппзг.:оз, блнлндк на формирование углолмх п оперготнчоекке распределен".:;'! электронов

'самых каднх энергий (эВ). Ш. основана; анатаза литературных дашшх сформулированы-задачи рас^тк. • - .

Вторая глава косвщеиа рассмотрено» снергоаналдзнрувдей системы, сконструированной к изготовленной з процессе данной работы, которая позволяла регистрировать угло:.^е д олергетические распределения с высоким угляди (0,5°) к энергетически (0,05 %) разрешением.

Дот рекенка задач, сфорг.удированкнх в предыдущей главе, ка первом этапе работн был изготовлен полусферический сеточный анализатор с датчиком, располо:-:;екнмм за отверстием в коллекторе. Однако такой анализатор имеет ряд существенных недостатков. В частности, омлссия третотпих олектронов с сеток, а такке рассеяние вторичных электронов па неодкородностях потенциала ячеек сетки, создавай;: трудности при регистрации энергетических и пространственных распределений !,ЗЭ сверхнизких энергий. В начале главы приведены результат расчетов, которые показывают, что рассеяние ШЭ на неодкородностях потенциала ячеек сетки моает привести к существенному искажению хх угловых распределений.

В связи с згхм была поставлена задача создания спектрометра, свободного ст вышеуказанных недостатков. Б настоящей работе впервые бил реализован к экспериментально исследован кодифщиро-•ванный энергоанализатор на основе поля с идеальной фокусировкой в гиоскости симметрии (рисЛ). Разделы 2.3 и 2.4 посвящены анализу дисперсионных к фокусирующих. свойств электростатического поля с ИФПС, рассмотрены возможности выноса источника и изображения за пределы поля и упрощения формы эквкпотенциалей.

Анализируется выракение для потенциала в плоскости симметрии.

т/« Ч - 5Н2гтгх -втгтгу

ЧЧХ.у) - (с^х * С052-Пу^ • Ш

Дисперсия поля (I) в плоскости симметрии зависит от угла 8 ввода пучка относительно оси 2 :

Б = 0.5СОЗ"г9 . (2)

Идеальность фокусирующих свойств поля заключается в том, что _ электрон, обладающий единичной энергией, вылетевший из источника,

б . :

B-sc. I.

cxe.vn

дисперсионного скерго-аколизатсра !i\"STG с euheс екнкм источт I и изобретете;.! 2.

расположенного ш оси Е ,

под любым углем 0 <8 <30°, II движущийся в плоскости екк/.етрии, обязательно прилетит в точку дсобра-

яензя, 'находящуюся на . _ 7?'^^___

оси 2 на единичном рас- У

стоянии от источника. ' >'

Далее рассшгрек« условия объевши ^окусярових при козначи-тачьном отклонении ■ траектории от плоскости симнетрии.

В литературе исвсстек рад электростатически;: экергоаналпоа-торов с елоскостгу.о ск.'.г.стрпи, сблзда'гзх в этой плоскости вксокп-ш дисперсисяпнгл: свойства:.;:. Недостатком токах анализаторов является невысокая светосиле (так ко, как и з V.dk), а в некоторых случаях и то обстоятельство, что входная диафрагма находится в области сильного доля.. Г.!ЗЛ отличается от ев-: кзкоторгзга сссбен-ностяга. Бо-первых, идеалыпя фокусировка в плоскости сп:а.:стр;!И коаст в некоторой степени коглененрогать недостаток, связашай с ограничением по светосиле по сравнению с азтк.угалько-епплетрич-нккп структурам. Бс-вторнх, при. праотэтеекоЗ реазшзапкя дисперсионно;'! систем па основе поля с W7ZZ в ПОЛ полезадазгдм электрода:.! придается более простая tjopr.a, в результате чего источник и изображение оказываться в::к2сепнп:.';1 за преданы подл.

Практическая рсалпваця* п детальное экспериментальное исследование рабочзгх характеристик такого анализатора впервые выполнены в процессе- данноЯ работы. предотвращения: влиянгл внешнего кагягяюго поля энервоакалпзируннал часть спектрокетра помссепа внутри двойного перг.аллоепого экрана, а все элементы конструкщи! изготовлены из не:.'лг;н:т;ддс :,:атегп:ьтав. 0статочш-:с электрические поля- окргилрогалдсь с по:.-:о:;чо спсилздькоЗ зг-соднод электропно-оптнчссг.о;! спстскы. Эта электронная "оптика" при

?

'необходимости :;огла быть хсяользккша тапг:е ускорения гнал?.- ' зпруе:-:кх частиц го входной облает;: анализатора.

Б конце глаза пров едено сравнение экспериментальных и расчетных значении энергетического разрешения и дисперсии. Зое азкврожж нроводнхись для значений диаметра входной цели, равного 5 = 0,3 к,: к угла мета электрона в анализатор 8 ~ £0°. При этих значеш-.ях - 2сасч> = 16,6 и =х С,К Зги

величины не сильно стличагтся от полученпнх в скспевипекте:

Бэксп. = 12 cr.es. в °'05

Установленная пезаьиспмссть энергии настройки анализатора

Е0 от углов влета в плоскости спгг.отрпп (8 ) I! в поперечной плоскости (/3), подтверждает рсалпзацп'.з условии пдеатьноп йокуеировки в плос1:ости симметрии и выполнение услопий сбъеьигай ¡йонусировкк.

Такп;д образе;.:, сравнение экспериментально полученных характеристик ЫЭЛ с раечетннмл, показывает, что все упрощения, пасав-ииеся Форш основных полезаддаетс электродов дисперсионной сис-*екы па основе поля с ко влияют существенным образом на

знергоаналпзпру'одие свойства спектрометра. Заерзав реализован анергоанапизатор на базе поля с 7<Л'£, оЗладаацпн высокими эксплуатационными качествами в сроком дашаэоне энергий анализп-руекас частиц (0,02...15С0 эВ).

В третьей главе дан анализ влияния неоднеродноотеи потенциала поверхности на энергетические и угловкз распределения ШЭ. досмотрена модельная поверхность с "гойеированнпм" потенциалом.-

1?(х,у) =Ле"аусозак , сз)

где у - координата, совпадавшая с зоретдьв к поверхности, ах - координата, отсчитываемая в плоскости поверхности.'

Истодом Рунге~1<утта рассчитнв-ались траектории электронов, эю:ттированких под различными углами к поверхности из точек, соответствующих шни/уму, какекгцуау и вуаш погожшала (3). Далее устанавливалась взаимосвязь между углоь: о:,падеж в

плоскости ХОУ и углом регистрации 02 , изнеряе.млм с помощью анализатора, расположенного на расстоянии Я , значительно _превышающем характерную длину изменения потенциала (I). Анализ

'8 . ' '

Рнс.2. Кхчал&та'! участок расчет: дне э;:ергетдческ;:д

распределений ' ' - 1 f

ваггнд? "л точх:, соотдстствуд-д^й :,-д"сд!."у потзп-пдала (о).

по луч е: :н их pes; -л л т а тез свидетельствует о с::лъ~ но;.; зл::ялд:: потенддгль-кого релвс.Тл педерддозтд на траектория сдептродоз калкх энергий, что меле? нризеегл к паядледдл дарактерндл особенностей на углоддх л онергетдчос-

:сас расдроделсдддд J33. В частности, предсказан з;'/:е::т "еокус::-роЕкн" электроне:. нолики ксг-.х-лля к доверддестн, прлдодяддп к cys-CKîtvi углового уде проделе идя олодидзиов гдз::дх окз?д£ л х bohjv-shxo з соотрзтетд/длей с ¿ласк: слелтра интенсивного и узхого дика.

' Эгд сообеннсстд присутствует да спектра:-:, рассчдтадкдх для гедедного, углового рас1:рсд'елс:;:1л ддда

F(e) ~ cos8

(4)

Походное злергетичеоксо раедгеделелле глбрадо в виде адпрскси! :ддди йутлп-ней

FÍE) ~ . (5)

(W-V/-

характерной дед едсдорддокгоднпнд -троноп 0 33).

стрэт л;?;;:сгс-:-?ер:д:::;л: оле.ч-

Енс.З. Экспери;.;ектать- N(E),

ные спектры ШЭ, ПР.ЕД

полученкке для 6 с лете;, a W(IOO) -

Полученные энергетические распределения ;,ВЭ для случая 31.Л1ССК1 из 2

точки, соответствующей кахсщгау потенциала (3), приведены на рис.2. .

Результаты расчетев сопоставлены с экспериментальным: данный по вторично-электронной спектроскопии с угловш разрешением для системы W (ICO) ~ 0£» Воздействие достаточно интенсивного электронного пучка ( j г*

А/ск2) вызнвает электрошо-стзаулированную десорбцию часта кислородного покрытия. В результате эмиссия вторкчнкх злектронов происходит из области с пониженной работой выхода. Низкоонергити-ческая часть спектров при этом качественно описывается кодельнкм расчетом для эшеот кз области высокого потенциала (рис.3).

Представленные результаты позволяют выделить интервал; углов к анергий регистрации электронов, для ксторих отг.ечеюше эффекты могут повлиять на результаты измерений, а такке оценить характер этого влияния, Искажения энергетических спектров с угловым разрешением за счет влияния потенциального рельефа поверхности ¡хеют весьма характерный вид и гагут являться тестом на однородность поверхности. Наконец, представляется засяужквавсзш внимания ií3kt формирования под воздействием потенциального рельефа поверхности моноэнергетичееккх групп электронов в эмитируемом потоке.

Четвертая глава посвящена исследованию энергетические к пространственных распределении эглптирозанних. электронов для системы 6üRs- Cs-0 . на основе анализа которое предложена модель, предполагающая когерентную экиссию из Г-гллщи-угз зони проводимости, сдвинутого вниз по скале энергий на «0,37 эВ относительно ■10 :

дна зоны цроводлкостг в объеме полупроводника, диффузное рассея- ' ние в слое адсорбата д энергетическую зависимость ширины УР, связанную о угловой и энергетической зависимостью функции проницаемости потенциального барьера в слое адсорбата.

Все экспериментальные исследования проводились з установке, созданной на базе сверлвксоковакуумнод камеры из иер:кавеюцей стали, снабхешюй средствами откачки, обеспечпвакщнл! рабочий вакуум не хул.е ö • 1СГ^ торр. Энергетические и угловне распределения омптткровашшх электронов измерялись с поксдья дисперспо!Шого анализатора, сконструированного и изготовленного в процессе данной работа. Для устранения влияния остаточннх магнитных полей, все излы экспериментатьной установки изготовлены из немагнитных материалов и расположены внутри двойного перматлоевого экрана.

Обработка образцов в вакууме с целью реализации на кх поверхности условия 02С начиналась с очистки поверхности прогревом до температуры, близкой к температуре неконгруэнтного испарения. Условия ОЗС добивались известным методом поочередного нанесения на поверхность атомов цезия л кислорода до получения максимума фоточувствителькости.

Как уме отмечалось в предыдущих главах, неоднородность распределения потенциала вдоль поверхности образца кояет оказывать существенное влияние на формирование угловых и энергетических распределегши эмлттпруемых электронов малых энергий. В связи с эта? в работе при кандом цикле измерений проводился контроль состояния поверхности на потенциальную однородность по распределению фоточувствительностн по поверхности образца. Изменение фоточувствительности составляло порядка 10...20 %, что соответствовало разности работн выхода < 30 мэВ. Такие изменения поверхностного потенциала не должны оказывать заметного влияния на спектры фотоэлектронов. .

В главе 3 было показано, что наличие неоднородностей потен-циата доляно приводить к появлению характерных особенностей на угловых и энергетических распределениях электронов в области калнх энергий. Однако, такие особенности отсутствуют на экспери-меиталшнх спектрах. Это позволяет сделать вывод о том, что неоднородности потенциала поверхности не играют определяющей роли в формпрозйнли нсследуеынх спектров фотоэлектронов.

Сбьезтоя исследования в работе являлксъ элптаксиалвнне. пленки p-Qai\s с хокзептраддей лсгирувае;: цржзск N0= 5 • I0Ia с;л~3. Иасучезяпе эзоргегдческке -распределения тзраалпзйзаятдк £о?оаяек-гроноз, э:.:пттпро:еап;п:х с эвнх поверхностен, поврь:г:а: атс;,:а».т:, цезст 2 кислорода, показнвавс ;соро"лео согласно с лнторатургплвг дакюкз. Основное в::н:.:анде при исследования'; удсл;1лоеъ изучения У? эг.гттврсванпнх электронов определенно!': энергии. Изменение угла регпстрадки при этом оеудеетгдялось :грп пс:.:о;л: тг-пипулятора.

Получонккз У? показнвапт, что тераалкзозвпнке электрона эгв:тту.ру:зт в узки:: н.снус, пнрнна полорото у:.:е:-:в,ищется с уденъгс-ндеи энергии.

Поскольку в литературе расчеты 7? электронов- ;лд:с;;рог;анно:'! гнерг;в:, о:л.тт;:руе:льа: из СЭС^отскатода, отсутствует, то необхо-дкко сделать сценки хстя бк хлч некоторых -пределвкнх случаев, которке из требудт зачислении, свлзакккх с задание:,1; конкретики, кеханизков релаксация; в припсвс-рхноегнск потенциальной яде. В связи с с-:;:;.: в настоящей работе проведен-анализ возасандх .у? электронов различная энергии для носколвхих вариантов процесса эг.тнссик.

1'кяп рассмотрена: сдоду.ссхе вредслзг.не случга:: а) отсутствие рассеяния электронов; б) полная релаксация тлгулвса злек.тро;юв в области пространственного заряда (СЩ); в) завесил из состоя::;:?; размерного квантования поверхности;::: подзон. В- последнем-случае углозое распределен» Сстоолсктроноз определяется дхсперспоннил ■ законом для подзона, а природа рассеск* з подзону нееудествекна.

В первод случае исходят из того, что электрона, тергллкзо-Еакные в Г-:татарке зон:-.: гроводикост;:, не иепктнвавт рассеется в области изгиба'зон и ооипаняат пеперочттуэ составлялся) квази--ддпульса. электронов' Kt, преодолевал поверхность пелугроводгпзка. &г4йеренц;:адвноэ углевоз раепрадслонис дня этого случая г.:.:еет вд:

- const • е-^ ffC030 » (о)

где j - плотность тока сллпсскп;'8 - лолярк;;;: угол, Q - телесная угол сбора электронов; % - элективное сродство к электрону (разность ксаду вперг;:д:л: уровня вакууме. к дна- зона проводимостл в

гряд-!

Рис.4. Зависимость предельного угла эмиссии от относительной энергии электронов £. =

= 2/1X1 : 1

2 - X" =0,25 эЗ.

объеме); 2 - энергия электронов, оточптвзаемая от дна зонх! проводимости в объеме.

Как видно г.з (3), угловое распределение имеет косинусопдальную

форму, однако, из-за условия преломления на границе раздела ТТ -вакуум это распределение ограничено некоторым углом 80 , равным:

Е/1Х1

80 = агсзт\

т* Е ' т 'Е-Х

(?)

где т*- оуйективная масса электронов в Г-кишшрю, т - масса свободного электрона. Предельный угол 80 растет с увеличением энергии В, остазаясь менъее вел;гп:ни ОГСЭ1П ^ т*/т' = 14,8° (ру.с.4, кривая I). При % = -0,25 эВ, Е = 2 кТ, значение 8о составляет 6°.

Зсли длина релаксации импульса много меньше ширины 0113, то сюрмулк (3) и (4) остаются в силе, однако величина X принимает иной омнел. При выгоде (3) и (4) используется закон сохранения К+. Но в рассматриваемом случае электроны могут изменять. К^ в ОПЗ, так что угол эмиссия! электрона определяется его самой поверхности..'/лксимальная величина ^определяется теперь энергией электрона относительно дна зона проводимости» на поверхности. Поэтому'величина X в (3) и (4) равна теперь разнице энергий уровня вакуума к дна зоны проводимости на поверхности полупроводника, т. е. цстинноцу электронному сродству, которое, в отличие

от эффективного сродства (случай (а)), доломктелько. Предельный угол эмиссии будет уменьшаться с ростом 3 к стре:.д:ться к тол гее величине 14,8°, ко со стороны болълдх значений: Q0 (рис.4, кривая 2).

Литературные даннне, а также экспериментальные результаты . данной работы, показывают, что махсы.ум энергетического распределения теркализованках в Г-:д1НИ!.у;,:е фотоэлектронов сдвинут на 130 :,;эВ вниз по "шкале онерпх!. Лдк объяснения этого'явления • приходася либо предположить наличное более элективного, чей известные до сих пор, механизма рассеяния в ОПЗ, либо допустить, что длина, на которой электрокп могут терять энергию, значительно превосходит нирнну ОПЗ. Последний случай реализуется при наличии сильного отражения электронов на поверхности л захвата их в приповерхностную потенциалыгув яз.у. Квантование энергии перпендикулярного поверхности двндекня электронов в этой яме приводит к появлении двумерных повероооснас подзон с зздонсм дисперсии

2 2

где Е0 - энергия дна подзоны. асектрон с определенной энергией в подзоне имеет фиксированное значение К^ , д, следовательно, эмпттируется под строго определенлнм углом,, задаваегдл; форг.-улой (I) (з этом.случае Е - энергия электрона, отсчитываемая от дна подзоны, а % - энсргетическии зазор кездг урознел вакуума к дном подзоны). Отметим, что этот результат ке' зависит от механизма релаксации электрона в подзоне.

Последняя часть глази посгядена анализу экспериментальных результатов по У? термализованкнх "сле?:тронов фиксированной энергии, эюттировашнэ: с поверхности QaA$c ОЭО, которкл показывает, что пространственные распределения фотоэлектронов формируются за счет когерентно эмиттпропашп/х из Гчдптмут.-а зоны проводимости и длффузно рассеяннцх в слое адсорбата электронов. Угловая ширина ■как для котерентннх* угол эмиссии для которых определяется на' половине высоты УР, так и для кекогерентякх электронов укешлает-ся с уменьшением анергии (рис.5, а и б, соответственно). дисперсионная зависимость Е{ Кп) для когерентких электронов хорош

Рис. 5. Зависимость максимального угла эмиссии для даффузко рассеянных в слоо адсорбата (а) и когерентно эмитированных (б) электронов от энергии Е.

1 н 2 - ^эсй. = -°>22 эВ: 3 ~ -°>30 эВ; 4 - -0,32 эВ; 5 - -0,3? эВ; *6 - +0,04 эВ.

совпадает с дисперсией Г-кинкыума зоны проводимости с учетом эффективной массы и непарабояичностл зоны (рис.6). Для случая отрицательного сродства при разных значениях работы выхода экс-перименталВнне точки хорошо ложатся па дисперсию Г-шнимуиа, сдвинутого по шкале энергий вниз на »0,37 эВ относительно дна зоны проводимости в объеме полупроводника. Этот экспериментальный --* результат означает, что либо загиб зон меньше, чем величина, известная в литературе, либо в ОГО существует зона размерного квантования, ниже дна которой электроны не мохут опускаться. Из этой зоны и монет происходить эмиссия электронов в вакуум. Согласно модельным расчетам, при эмиссии электронов с квантовых подзон на УР долины наблюдаться характерные особенности, которые не били обнарукены, что свидетельствует об отсутствии хорошо

Рис.6. Зависимости Е( К„) для групп когерентно эмит-ткровакнкх фотоэлектронов с поверхности

при

разных состояниях поверхности.

1 - = +0.С5 эЗ;

2 - -0,10 03; 3 - -0,22 эВ; 4 - -0,22 эВ; 5 - -0,30 эВ;

6 - -0,37 03;

7 - дисперсия в зоне проводимости полупроводника .

выражении квантовых подзон. 1.0--—(

Отсутствие структура на УР, 0 ¡0 ¿и «,„10 А*

а также несоответствие экспериментального значения дна зоны с расчетным энергетическим поломе-нием дна нккней подзоны можно объяснить тем, что поверхностная потенциальная яма не гладкая, так как в приповерхностной области распределение потенциала неоднородно из-за дискретности расположения акцепторов, а на само:! поверхности потенциал неоднороден. Наличие этого эффекта приводит к "разматпэ" подзон, в результате чего нижний энергетический уровень отзывается значительно ниже, чем дно подзоны, предсказываемое в литературе.

Из рисунков 5 и 6 видно, что при укеньсенип энергии эмитти-руемых электронов происходит ограничение эглгссип по углам внлета. Этот эффект шкяо объяснить, предположив ваялчке промежуточного потенциального барьера (ДПБ) в слое адсорбата, функция проницаемости которого зависит от энергии и угла эмиссии электронов. Эту функцию качественно описать с помецья модельного прямоугольного потенциального барьера. Зависимость коэффициента прохождения такого барьера высотой Уо = 0,25 эВ и шириной 16 Я для, нескольких значений энергии, приведена на рис.7, из которого видно сильное ограничение по углам эмиссии электронов малкх энергии.

ñ:с.7. оазисимссть коэффициента прохождения электронов черзз кржоугольясй по-тенгсалыIV.й барьер (жрш>:! 16 Я Л гксотой \|0 = 0,25 о В) от угла омнсспи электронов.

1 - Е = 0,20 olí;

2 - 0, 25 эЬ;

3 - 0,30 эВ;

4 - 0,40 эЗ; '

5 - О,S0 эЗ.

Таким образом, в результате анализа полученных результатов обнаружены и проанализированы следундие механизмы формировшпгя угловых и энергетических распределен;:!: термалпзованннх электронов, омиттированных из полу-проводшпеов с ОЗС: когерентная эмиссия электронов из Г-гя;ш:мут,1а, сдвинутого на с^0,37 эВ нике дна зоны проводга-мсти в объеме полу-проводшша; дискузное рассешпе в слое адсорбата и ограничение эмиссии низко энергетичннх элеь:тронов по углам вылета проницаемостью ШЕБ, существуйте го в слое адсорбата. Результаты, свидетельству виде о наличии четко выроненных подзон размерного квантования в ПсЯ, не обнаружены.

ОД 50 60 70

ГРЯД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В настоящей работе проведен анализ различных механизмов формирования спектров 1.1ВЭ с увловкм разрекениеы, показана актуальность пспользоваш:я метода ОШЭУР для исследования зонной диаграммы веществ с пониженной работой выхода, предельным случаем которых являются полупроводшпеи с ООО. При этом принципиальным является регистрация частиц самых малых энергий (^ I эВ), что накладывает

дополнительные требования к энергоанализдруэдим системам к приводит к необходимости анализа других механизмов, влнякгддх на эмиссию электронов таких энергий, в частности, неоднородности. распределения потенциала вдоль поверхности,

В связи с этил в процессе.данной работы был сконструирован и изготовлен новый дисперсионный экергоаяалнзатор, рабочие характеристики которого значительно выле, чем у традиционно используемых анализаторов (энергетическое разрешение &Е/Е0 = 0,05 дисперсия. 13 = 12, минимальное угловое разрешение - 0,5°, .микплальная энергия пролета < 20 мсВ, габаритные размеры - 65 х 65 х 80 мм). На базе этого анализатора создана экспериментальная установка для спектроскопии медленных фото- и вторичных электронов с одновременным высоким разрешением по энергии л углу в области самых малых энергий экитткруемых электронов ($1 эВ).

Экспериментальным путем показано, что новая энергоанализи-рующая система мокет бить использована для электронной спектроскопии в широком диапазоне энергий анализируемых электронов (0,02 -- 1500 эВ).

Гря анализе электронов сверхнизких энергий существенное влияние на формирование энергетических и угловых распределений этих электронов монет оказывать неоднородность распределсння потенциала вдоль поверхности исследуемого образца, для оценки которого проведены модельные расчеты. Показано, что наличие этого эффекта приводит к появлению характернее особенностей- как на энергетических, так и на угловых распределениях медленных экитти-рованных электронов. На энергетических спектрах наблюдается эффект "фокусировки" медленное электронов вблизи нормали к поверхности для определенных значений энергии электронов, что подтверждается экспериментальными данными.

При исследовании механизма формирована спектров медленных эмитированных электронов основное вш!кание уделялось изучению угловых распределений электронов определенной энергии, эмитти-руеьшх из ОЭС-эмиттеров. Проведенные модельные расчеты возможных. УР для нескольких предельных случаев, не требующие вычислений, связанных с заданием конкретных мехшшзглов релаксации в ПЭЯ.

Рассмотрены случаи эмиссии электронов без рассеяния и при

полно;'! релаксации импульса в ОВЗ, а такзе эмиссии из двумерных подзон размерного квантования, образованиях в ДЗЯ. В первых двух случаях УР представляет собой "обрезанное" косннусондальнсе распределение, а в случае эмиссии из подзон УР имеет вид двух узюи пиков. Во всех случаях величина максимального угла эмиссии с увеличением энергии стремится к одному и тому ме предельному значении 80 = 14,6°.

Экспериментальные Л5 термализозанных электронов, регистрируемые с высоким угловым и. энергетическим разрешение!.! для образцов йаЛ&Шив с ОЭС, псказн-ваат, что электроны эмиттируктся в узкий конус, сирина которого уменьшается с энергией-.

На основе анализа яодучскишс результатов предложена модель эмиссии термализованних электронов из полупроводников с ООО, согласно которой, эмиссия происходит из Г-мкнпмумл зоны проводимости, сдвинутого вниз по веко энергии на «0,3? эВ относительно дна этой зоны в объеме полупроводника, Ир:: выходе в вакуум часть электронов эмиттг.рует когерентно, а часть дхОДгзво рассеивается в слое адссрбата. С ростом энергии доля дифуузно рассеянных электронов увеличивается. Сумение 7Г при уменьшении Е (как для когерентно::, так к некогерентнои части) объясняется существованием ЮТЕ, облздшцего некоторш коэафздйентом прозрачности, зависящим. от угла л энергии э.таттпруемил электронов. Наличие поверхностных подзон размерного квантования в СПЗ не подтверждается экспериментальны,« результатами. У? демонстрируют отсутствие особенностей, хсрлктернмх для эмиссии с этих подзон.

Основное результат!-! лпссертанпи опубликованы в работах:

1. Кораслев В.В., Кудинов В.А., Сугаипов М.О. Спектроскопия истинно-вторичных электронов с угловым разрешением для вольфрама с пониженно:; рдботой кихода. // С-изика твердого тела. - 1568. -Т.30, И, - С.Шг - 2117.

2. Кудинсв Ю.А., Сугаипов М.Ц., Корабле» В.В., Давидов С.И. Анализ потоков заряхешшх частиц с ьксокнм разрешением. // Ьторпчно-илсктронная, (¡-отоэлсктроннпя эмиссии и спектроскопия поверхности твердого тела: '1езисц докладе» УП Всесоюзного симпозиума. - Тигкпнт, 1РЬ>0. - 0.14 - 15.

3. Сугит.ов ГД.И., Кораблев В.В., Давидов С.Н., Кудшов Ю.А,

Регистрация спектров вторичных электронов с высоким угловым и энергетическим разрешение:,!.// »¡атерпалы XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике: Тезисы докладов.- Ленинград, 1990.- С.142.

4. Баранова Т.Д., Кораблев'В.Б., Худпнов D.A., Суганпов ,М.И. Проявление кеоднородностек потенциала поверхности в энергетических и угловых распределениях медленных вторичных электронов.// Материалы Ш Взесоазной конференции по эмиссионной электронике: Тезпси докладов,- Ленинград, IS9C.- С.165.

5. Кораблев З.Б., Кудпнсв К/. Д., Сугаппоз Ы.Ш., Баранова Т.Д. Спектроскопия ¿.отоэлоктронов с высеки;,; угловым и энергетическим разрешением для (yaJ}$ с отрицательны;,! сродством к злектро;!у.// Радиотехника и электроника.- ISS2.- Вып.2. С,321 -'326. '