Адсорбция и десорбция

При контакте полупроводниковой поверхности с окружающей средой происходит поглощение или выделение атомов и молекул. Эти процессы определяются явлениями адсорбции и десорбции, которые оказывают критическое влияние на электрические и оптические свойства материала.

Адсорбция — это накопление частиц (атомов, ионов, молекул) на поверхности твердого тела. Она может быть физической (слабое взаимодействие ван-дер-ваальсового типа) или химической (образование прочных химических связей).

Десорбция — это процесс удаления адсорбированных частиц с поверхности, который может происходить спонтанно, под действием температуры, излучения или электрического поля.

Оба процесса взаимосвязаны и находятся в динамическом равновесии, определяя эффективный заряд поверхности, концентрацию поверхностных состояний и скорость поверхностной рекомбинации.

Виды адсорбции

  1. Физическая адсорбция (физисорбция)

    • Обусловлена слабым взаимодействием (ван-дер-ваальсовыми силами, дипольно-дипольными взаимодействиями).
    • Характеризуется малыми энергиями связи (0,01–0,5 эВ).
    • Обратима: легко снимается при незначительном нагревании.
    • Важна на первых стадиях взаимодействия поверхности с газами или парами.

  2. Химическая адсорбция (хемисорбция)

    • Основана на образовании ковалентных, ионных или донорно-акцепторных связей.
    • Энергия связи значительно выше (1–5 эВ).
    • Может приводить к изменению электронных свойств поверхности (образование новых уровней в запрещённой зоне).
    • Часто является необратимой без существенного внешнего воздействия (нагрев, плазменная обработка, лазерное излучение).

Механизмы десорбции

  1. Термическая десорбция

    • Происходит при нагревании, когда тепловая энергия превышает энергию связи адсорбированных частиц.
    • Описывается экспоненциальной зависимостью скорости десорбции от температуры (уравнение Аррениуса).

  2. Фотодесорбция

    • Возникает под действием фотонов, которые возбуждают либо сам адсорбированный атом, либо электронные состояния в полупроводнике.
    • Приводит к изменению поверхностной проводимости и фоточувствительности.

  3. Электронно- и ионно-стимулированная десорбция

    • При облучении поверхности электронами или ионами происходит передача энергии адсорбированным частицам, что вызывает их отрыв.
    • Важна в технологиях ионной очистки и анализа поверхности.

Влияние адсорбции и десорбции на электронные свойства полупроводников

  • Изгиб зон у поверхности Адсорбция заряженных частиц или молекул приводит к изменению поверхностного потенциала. Это выражается в изгибе энергетических зон, который регулирует распределение носителей заряда.

  • Формирование поверхностных состояний При хемисорбции образуются новые энергетические уровни в запрещённой зоне, которые могут служить центрами рекомбинации или донорно-акцепторными уровнями.

  • Изменение проводимости Адсорбция молекул кислорода, воды или газов типа NO₂ может существенно изменять проводимость полупроводникового материала (эффект используется в газовых сенсорах).

  • Поверхностная рекомбинация Адсорбированные примеси и молекулы усиливают или ослабляют скорость рекомбинации носителей, что особенно важно для работы фотоприёмников и солнечных элементов.

Кинетика адсорбции и десорбции

Процессы адсорбции и десорбции подчиняются законам кинетики и описываются уравнениями вида:

  • Скорость адсорбции:

    Rad = S ⋅ P ⋅ (1 − θ)

    где S — коэффициент прилипания, P — давление газа, θ — степень покрытия поверхности.

  • Скорость десорбции:

    Rdes = ν ⋅ θn ⋅ e−Ed/kT

    где ν — частота попыток, n — порядок процесса (обычно 1 или 2), Ed — энергия десорбции, k — постоянная Больцмана, T — температура.

Баланс этих процессов определяет стационарное состояние поверхности.

Технологическое значение

  • Очистка поверхности Термическая и плазменная десорбция применяются для удаления загрязнений перед эпитаксией и ионной имплантацией.

  • Управление свойствами интерфейсов Адсорбция на границах раздела «полупроводник–диэлектрик» определяет качество транзисторов и интегральных схем.

  • Газочувствительные структуры Изменение проводимости вследствие адсорбции используется в сенсорах на основе оксидов металлов и полупроводников III–V групп.

  • Фотокаталитические процессы Десорбция под действием излучения играет роль в создании фотокатализаторов и устройств фотодеградации загрязнителей.

Оглавление