表面耗盡層

《電子學(xué)名詞》第一版。 2100433B

1993年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

1) 理想、清潔半導(dǎo)體表面：理想表面產(chǎn)生表面能級(jí)(表面態(tài))的原因是塔姆(Tamm)首先提出的,他認(rèn)為晶體的周期性勢(shì)場(chǎng)在表面處發(fā)生中斷引起了附加能級(jí).因此,這種表面能級(jí)稱為塔姆表面能級(jí)或塔姆能級(jí)(Tamm Level).塔姆曾計(jì)算了半無(wú)限克龍尼克–潘納模型情形,證明在一定條件下每個(gè)表面原子在禁帶中對(duì)應(yīng)一個(gè)表面能級(jí).上述結(jié)論可推廣到三維情形,可以證明,在三維晶體中,仍是每個(gè)表面原子對(duì)應(yīng)禁帶中一個(gè)表面能級(jí),這些表面能級(jí)組成表面能帶.因單位面積上的原子數(shù)約為,故單位面積上的表面態(tài)數(shù)也具有相同的數(shù)量級(jí).表面態(tài)的概念還可以從化學(xué)鍵的方面來(lái)說(shuō)明.以硅晶體為例,因晶格在表面處突然終止,在表面的最外層的每個(gè)硅原子將有一個(gè)未配對(duì)的電子,即有一個(gè)未飽和的鍵.這個(gè)鍵稱為懸掛鍵,與之對(duì)應(yīng)的電子能態(tài)就是表面態(tài).因每平方厘米表面約有個(gè)原子,故相應(yīng)的懸掛鍵數(shù)也應(yīng)為約個(gè).表面態(tài)的存在是肖克萊等首先從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的.以后有人在超真空對(duì)潔凈硅表面進(jìn)行測(cè)量,證實(shí)表面態(tài)密度與上述理論結(jié)果相符。

2) 實(shí)際表面：在表面處還存在由于晶體缺陷或吸附原子等原因引起的表面態(tài)這種表面態(tài)的特點(diǎn)是其數(shù)值(表面態(tài)密度)與表面經(jīng)過(guò)的處理方法及所處的環(huán)境有關(guān)。

自20世紀(jì)60年代中期金屬型超高真空系統(tǒng)和高效率微弱信號(hào)電子檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，導(dǎo)致70年代初現(xiàn)代表面分析儀器商品化以來(lái)，至今已產(chǎn)生了約50種表面分析技術(shù)。表面分析技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力來(lái)自兩個(gè)方面，一方面是由于表面分析對(duì)了解表面性能至關(guān)重要，而表面性能又日益成為現(xiàn)代材料的至關(guān)重要的指標(biāo)。另一方面，也來(lái)自科學(xué)家和工程師對(duì)探索未知的追求。從實(shí)用表面分析的角度看，在眾多的表面分析技術(shù)中，有四種技術(shù)在過(guò)去的十幾年內(nèi)由世界上幾家公司不斷改進(jìn)，巳發(fā)展為成熟的分析工具。它們是俄歇電子譜（AES），X射線光電子譜（XPS），二次離子質(zhì)譜（SIMS）和離子散射譜（ISS），它們已應(yīng)用滲透到材料研究的許多領(lǐng)域。

表面分析系統(tǒng)包括x射線光電子能譜（XPS）儀和紫外光電子能譜（UPS）儀，利用表面分析系統(tǒng)，可從原子層面上分析陰極材料的凈化效果，分析激活前后陰極表面原子的構(gòu)成和排列，進(jìn)而可較深入地研究陰極的激活機(jī)制和NEA特性的形成機(jī)制。下面簡(jiǎn)單介紹激活評(píng)估實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的表面分析子系統(tǒng)：

x射線光電子能潛（XPS）儀采用的是Perkin Elmer公司生產(chǎn)的PHl5300 ESCA系統(tǒng)。

其主要性能指標(biāo)如下：

（1）峰值靈敏度可達(dá)10⁵計(jì)數(shù)/稱（半高寬為0.8 eV），峰值靈敏度>10⁶計(jì)數(shù)/稱（半高寬為1.0 eV）；

（2）表面分析審的極限真空度<1.5×10^-8Pa；

（3）變角XPS分析時(shí)掠射角的變化范圍為5°～90°；

（4）X射線源的功率是可調(diào)的。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的XPS儀采用了雙陽(yáng)極x射線源，其結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由燈絲1、燈絲2、陽(yáng)極1、陽(yáng)極2和過(guò)濾窗幾組成。兩個(gè)陽(yáng)極靶采用不同的材料制成，其中一個(gè)足Mg靶，另一個(gè)是Al靶，這樣使該XPS儀具有兩種激發(fā)源，陽(yáng)極靶的這種結(jié)構(gòu)對(duì)鑒別俄歇峰是有利的。過(guò)濾窗口是由鋁箔制成的，鋁箔濾窗可以有效防止來(lái)自X射線源的輻射，阻止來(lái)自陰極燈絲的電子混入能量分析

器中，對(duì)樣品濺射時(shí)可以使陽(yáng)極表面免受污染。

該XPS系統(tǒng)采用的半球型能量分析器是靜電偏轉(zhuǎn)式的，分析器外部采用可屏蔽雜散磁場(chǎng)十?dāng)_的合金材料，能夠精確地對(duì)電子的能量分布進(jìn)行測(cè)定，能量分析器詞過(guò)控制電壓產(chǎn)生電場(chǎng)，具有一定能量的被測(cè)電子進(jìn)入分析器入口后，就會(huì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后在出口處聚集，最后通過(guò)內(nèi)部的檢測(cè)器進(jìn)行收集、放大和處理。

該XPS系統(tǒng)采用無(wú)油系統(tǒng)的泵配置，使其性能更加可靠。在主真空室上設(shè)計(jì)了兩個(gè)盲口，一個(gè)用于表面分析室通過(guò)帶波紋管的管道與激活系統(tǒng)真空室的連接，連接處設(shè)計(jì)有一個(gè)閘板閥，只在樣品傳送時(shí)才開(kāi)啟，這樣就將兩個(gè)超高真空系統(tǒng)的互相影響降到最低。另一個(gè)盲口用于擴(kuò)展紫外光電子能譜（UPS）儀。

紫外光電子能譜（UPS）儀采用的是PH106一180型UPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作時(shí)真空度約為1.3X10-6Pa，分辨率可達(dá)幾十毫電子伏。紫外光電子能譜儀使用的是紫外范圍的光子，紫外光比x射線能量低，是用來(lái)激發(fā)樣品最外層即價(jià)殼層電子的，所以紫外光電子能譜儀多用來(lái)研究樣品的能帶結(jié)構(gòu)和表面態(tài)情況。該表面分析系統(tǒng)中的能量分析器與表面分析室為UPS和XPS共同使用，UPS系統(tǒng)的紫外光源為He氣體放電時(shí)產(chǎn)生的HeⅠ（21.22 eV）和HeⅡ（40.81eV）共振線。