Гладков / Выдать 14 февраля 3013 / 1. Поверхность / 3.4. Поверхностные состояния и уровни / Поверхностные состояния Зеегер с 543-546

3

П оверхностные состояния, Зеегер, с. 543÷546

Поверхностные состояния, Зеегер, с. 543÷546

… с. 543.

В трехмерном кристалле можно ожидать возникновения од­ного поверхност­ного состояния на каждый поверхностный атом. Возникновение повер­хностных состояний можно объяснить также неспаренной связью поверхност­ных атомов. Концентра­ция атомов на поверхности по порядку величины равна 10¹⁵ см^–2. На поверхности имеются ступеньки, и на них локали­зовано от 1 до 20% повер­хностных атомов. Тщательным отжи­гом можно уменьшить число ступенек. Если не приняты спе­циальные меры, поверхность обычно покрыта примесными ато­мами. Чистую поверхность можно получить путем раскалывания кристалла в сверхвысо­ком вакууме (например, при давлении 310^–10 мм рт. ст.), хотя после раскалывания наблюдается всплеск давления до 10^–7 мм рт. ст. Через несколько часов на чистой поверхности в сверхвысоком вакууме образуется моно­атомный слой, состоящий в основном из атомов кислорода. Какую поверхность можно считать чистой, зависит в сильной степени от рода измерений. Часто поверхность считается чи­стой для данного эксперимента, если результаты не изме­няются при дальнейшей очистке поверхности.

Если рассматриваемая поверхность образована кончиком иглы диаметра 10^–4 мм, то можно создать напряженность элек­трического поля порядка 10⁸ В/см. Такое поле может отрывать атомы от поверхности, в том числе атомы примеси, если игла заряжена положительно. Это используется в эмиссионном элек­тронном микроскопе [11]. Другой метод очистки состоит в при­менении бомбардировки аргоном и после­дующего отжига в сверхвысоком вакууме. Чувствительным методом обнаружения поверхностных загрязнений и дислокаций является дифракция медленных электро­нов [12] ¹⁾.

Атомы примеси на поверхности полупроводника могут быть ионизованными. Если все атомы примеси ионизованы, то в мо­ноатомном слое должно содержаться около 10¹⁵ элементарных зарядов на 1 см². Однако получить такой огромный заряд на поверхности невозможно. Даже если концентрация зарядов составляет только 510¹³ см^–2, энергия электростатического поля уже равна поверхностной энергии кристалла. Обычно наблю­даемая концентрация лежит в пределах от 10¹¹ до 10¹³ см^–2.

Экспериментальное подтверждение наличия поверхностных состояний впервые было получено на основе исследования вы­прямляющих свойств контакта металла с кремнием. Мейергоф [14] обнаружил, что эти свойства практически не зависят от разности работ выхода металла и кремния. Бардин [15] объяс­нил этот эксперимен­тальный результат, предположив наличие поверхностных состояний, возникших вследствие наличия при­месей на поверхности раздела металл – полупроводник. Эмпи­рическим путем установлено, что влияние состояний на границе раздела выра­жается тем сильнее, чем меньше ширина запре­щенной зоны полупроводника. На границе раздела часто обра­зуется пленка окисла, особенно если перед изготовле­нием ме­таллического контакта полупроводник подвергался травлению в окисляю­щем реагенте (например, в смеси HF + HNO₃). Схема энергетических зон для этого случая представлена на фиг.14.4. Здесь имеются состояния на внутренней поверхно­сти раздела, называемые быстрыми состояниями, и состояния на наружной поверх­ности, называемые медленными состояниями в соответ­ствии со временем их отклика на воздействие сильного элек­трического поля, перпендикулярного поверхности кристалла.

В случае, представленном на фиг.14.4, полупроводник обладает проводимо­стью n- типа, а поверхность заряжена отрицательно.

Электроны проводимости отталкиваются от отрицательного по­верхностного заряда, что приводит к образова­нию либо обед­ненного слоя, либо инверсионного слоя p- типа, если валентная зона загибается выше квазиуровня Ферми в объеме, как пока­зано на фиг.14.4. Если поверхностные состояния заряжены по­ложительно, то образуется слой накопления.

На фиг.14.5 по­казано, как изгиб зон, обусловленный заряженными поверхно­ст­ными состояниями, приводит к выравниванию работ выхода с обеих сторон германиевого p–n- перехода. Несмотря на нали­чие внутреннего диффузионного потенциала²⁾, равного 0,34 В, разность работ выхода, измеренная методом Кельвина (см., напри­мер, [18]), составляет всего лишь 0,002 0,004 эВ [17], что можно объяс­нить изгибом зон (фиг.14.5).

Главная проблема во всех исследованиях поверхности полу­проводников со­сто­ит в определении распределения поверхност­ных состояний по энергиям. Несмот­ря на многочисленные экс­перименты, спор об этом распределении продолжается в основ­ном из-за того, что

1) не удается изменять в широких пределах уровень легирования и тем самым положение уровня Ферми и

2) трудно получить воспроизводимые свойства поверхности, не зависящие от технологии.

Для исследования поверхности использовались следующие явления: поверх­но­стная электропро­водность, эффект поля, фотоэффект, поверхностная рекомбина­ция, автоэлектронная эмиссия, поверхностная фотопроводимость, поглощение и отражение света.

Здесь мы ограничимся только рассмотрением явлений переноса.

1⁾ См. также обзор [13] и краткое описание метода контроля поверхно­сти, основанного на дифракции медленных электронов, в работе [4], стр. 110.

2⁾ См. гл. 5, § 4. – Прим ред.