ГЛАВА 8

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Электронные приборы, особенно устройства микроэлектроники, весьма чувствительны к состоянию поверхности кристалла. Поверхность кристалла является двумерным дефектом и способна искажать его приповерхностные свойства. Кроме того, взаимодействие поверхности полупроводника с кислородом, парами воды и другими компонентами окружающей среды приводят к образованию оксидов, гидратов, сульфатов и других соединений как в виде отдельных молекул, так и в виде тонких пленок. Такие поверхности содержат рекомбинационные центры, способные оказывать сильное влияние на параметры приборов. Успешная и надежная работа электронных приборов в значительной степени зависит от стабилизации поверхности и качества ее защиты от окружающей среды.

В данной главе кратко рассматриваются свойства поверхности полупроводников и процессы, протекающие на этой поверхности.

8.1. Поверхностные энергетические состояния

Выше мы уже отмечали, что поверхностные дефекты влияют на электрофизические свойства полупроводников, однако при рассмотрении энергетических зон полупроводников это влияние не учитывалось. В действительности (в силу различных причин) на поверхности кристалла возникают так называемые поверхностные энергетические состояния, которые изменяют энергетический спектр носителей заряда на поверхности и под ней.

Эти причины можно разделить на три группы. Нарушения периодичности потенциала решетки вследствие обрыва ее у поверхности приводят к появлению так называемых уровней Тамма. Наличие нескомпенсированных валентных связей у поверхности атомов вызывает появ-

207

ление уровней Шокли. Две первые группы поверхностных уровней существуют на идеальной, атомарно чистой поверхности. Третью группу поверхностных уровней представляют уровни, образованные в результате наличия адсорбированных атомов и прочих поверхностных дефектов кристалла.

Поверхностные уровни Тамма обусловлены тем, что потенциальный барьер поверхностного атома отличается от потенциального барьера глубинного атома. Решение уравнения Шредингера для поверхностных сильно- и слабосвязанных электронов приводит к выводу о существовании помимо обычных энергетических зон поверхностных энергетических состояний электронов. Концентрация таких уровней пропорциональна поверхностной концентрации атомов и может достигать 1019 м-3. При такой высокой концентрации уровней Тамма возможно их расщепление в энергетическую зону. Важным является то, что поверхностная зона в полупроводниках находится в запрещенной зоне и может принимать носители из ближайшей объемной зоны.

Еще в 1932 г. И. Е. Тамм предсказал существование поверхностных уровней, которые впоследствии получили его имя. Позже уровни Тамма были экспериментально обнаружены на атомарно чистой поверхности германия. В обычных условиях, когда поверхность покрыта слоем тонкой оксидной или иной пленки, уровни Тамма исчезают, поскольку восстанавливается периодичность потенциала. В этом случае возникают новые поверхностные уровни уже на поверхности пленки.

Поверхностные уровни Шокли образуются в результате обрыва части химических связей поверхностных атомов. Нескомпенсированные валентные связи способны принимать и фиксировать носители заряда.

Анализ модели Шокли применительно к одномерной цепочке атомов показал, что в запрещенной зоне образуется два энергетических уровня, один из которых отличается от валентной зоны, другой – от зоны проводимости. Уровни Шокли, как и таммовские уровни, могут существовать только на идеальной поверхности.

Энергетические уровни третьей группы формируются на реаль-

ной, т.е. загрязненной или дефектной поверхности, причем адсорбированный атом или ион создает свое поверхностное энергетическое состояние, которое исчезает с удалением адсорбата. Причина формирования этих уровней аналогична уже рассмотренной для уровней Тамма. Это искажение крайней потенциальной ямы.

208

Энергетическое положение поверхностного уровня, образованного при адсорбции на поверхности стороннего атома или благодаря дефектам поверхности, зависит как от параметров решетки, так и от свойств адсорбата или дефекта. Эти состояния могут играть роль донорных или акцепторных уровней. Плотность таких уровней определяется концентрацией адсорбата или дефектов. Рассмотренные энергетические состояния находятся в контакте с объемом полупроводника, так что обмен носителем между поверхностным уровнем и объемной энергетической зоной осуществляется за время порядка 10-7 с. Поэтому такие поверхностные состояния называют быстрыми, или внутренними. Они имеют плотность порядка 1015 м-2, которая зависит от характера и степени обработки поверхности, и могут обладать большим сечением захвата как для электронов, так и для дырок, вследствие чего могут служить эффективными центрами поверхностной рекомбинации.

Зачастую поверхность полупроводника покрывается окисной или иной пленкой, толщина которой составляет десятки ангстрем. На внешней поверхности такой пленки адсорбируются примесные атомы, создающие медленные, или внешние, поверхностные состояния. Время перехода носителей из объемной зоны на такие состояния, несомненно, много больше и варьируется от микросекунд до минут. Это обусловлено тем, что вероятность перехода изолирующего поверхностного слоя низка и уменьшается с ростом его толщины.

8.2. Зонная диаграмма и заряд в приповерхностном слое

Напомним, что в зависимости от происхождения, поверхностные состояния могут играть роль донорных или акцепторных уровней, а также ловушек центров рекомбинации. Поверхностные донорные уровни располагаются вблизи зон проводимости и могут отдавать электроны в эту зону. В этом случае поверхность приобретает положительный заряд. В соответствии с законом электронейтральности, появление положительного поверхностного заряда должно сопровождаться формированием в приповерхностном слое заряда противоположного знака (отрицательного). В электронном полупроводнике образуется обогащенный (рис. 8.1, б), а в дырочном полупроводнике обедненный слой. Акцепторные поверхностные уровни находятся вблизи валентной зоны. Принимают электроны из

209

зоны, и на поверхности формируется отрицательный заряд. В приповерхностном слое электронного полупроводника образуется обедненный слой (рис. 8.1, а), а в дырочном – обогащенный.

Толщина полупроводникового объемного заряда зависит от концентрации носителей заряда. Так, в металлах, имеющих очень высокую концентрацию носителей (~1028 м-3), нейтрализация поверхностного заряда происходит уже на расстоянии нескольких параметров решетки от поверхности. В полупроводниках, где концентрация носителей много меньше (<1025 м-3), толщина объемного заряда гораздо выше (~10-6 м). Таким образом, в полупроводниках в силу существования поверхностных уровней формируется слой приповерхностного заряда значительной толщины. Такой слой может сильно повлиять на электронные процессы вблизи поверхности.

Рис. 8.1. Зонная диаграмма и распределение зарядов в приповерхностном слое электронного полупроводника: а – поверхностные уровни акцепторного типа (Esα); б – поверхностные уровни донорного типа (Esд)

Обычно это расстояние характеризуют так называемой дебаевской длиной экранирования Ld. Эта величина представляет собой расстоя-

210

поверхностные уровни изменяют свое положение и будут иметь значение Esa+θ0 (n – полупроводник, акцепторные уровни). Тогда выражения

(8.1) и (8.2) примут вид

Ранее мы установили характер связи объемного заряда с высотой потенциального барьера (7.8). Приравнивая (8.5) и (7.8), получим выражение

где εn – диэлектрическая проницаемость полупроводника.

Уравнение (8.6) в общем виде в аналитических функциях не решается. Однако, в случае небольшой концентрации поверхностных уровней,

Величина потенциального барьера у поверхности реальных полупроводников находится в диапазоне 0,1–0,6 эВ. В случае высокого потенциального барьера или малой ширины запрещенной зоны возможна такая степень обеднения приповерхностного слоя, что над поверхностью сформируется инверсный слой, содержащий заряд неосновных носителей, и образуется n-p–переход (рис. 8.2).

212

p n

EС

Esa EФ

EV

Рис. 8.2. Энергетическая диаграмма n-полупроводника – инверсный слой

Как видно на рисунке, вблизи поверхности Ec-Eф > Eф-Ev, что характерно для дырочного полупроводника. Толщина инверсного слоя:

для n-полупроводника

Среди поверхностных состояний, как уже говорилось, можно выделить центры рекомбинации, расположенные вблизи середины запрещенной зоны. Наличие таких энергетических состояний влияет на протекание поверхностной рекомбинации (п. 6.1).

В беспримесных полупроводниках, где концентрация объемных центров рекомбинации мала, поверхностная рекомбинация может играть основную роль, особенно в тонкопленочных образцах.

Рассмотрим полупроводник, имеющий на поверхности центры рекомбинации, в котором действует генерирующий фактор (например, свет). Обозначим избыточную концентрацию носителей вблизи поверхности через ns и ps. Центры рекомбинации на поверхности в этом случае играют роль стока носителей, концентрация которых вблизи поверхности убывает. Этот процесс приводит к возникновению диффузионных потоков носителей и поверхности: потоки электронов

213