ВСТУП

Фізика поверхні напівпровідників є порівняно молодою галуззю фізики напівпровідників, яка набула швидкого розвитку в останні десятиліття. Початок досліджень фізичних властивостей поверхні напівпровідників припадає на 1948 р., коли був відкритий транзисторний ефект. Подальші дослідження показали наявність значного впливу процесів, що відбуваються на поверхні, на об’ємні властивості напівпровідникових кристалів, а також на роботу більшості напівпровідникових приладів. Досягнення фізики поверхні напівпровідників послужили науковою основою розвитку мікроелектроніки, акустоелектроніки, емісійної електроніки, вакуумної техніки, елементної бази комп’ютерної техніки та багатьох інших галузей приладобудування. Фізику поверхні напівпровідників можна умовно розділити на два напрямки, які відрізняються колом задач та методами їх вирішення.

До першого напрямку входять дослідження енергетичного спектра електронів на поверхні та особливостей протікання електричних, фотоелектричних і оптичних явищ на поверхні і в приповерхневій області. Другий напрямок об’єднує вивчення структури поверхні кристалів, фононного спектра, природи і властивостей дефектів, хімічного складу поверхневих шарів і адсорбційних покрить у статичному режимі та кінетику зміни цих характеристик у ході адсорбції, окиснення та інших хімічних реакцій на поверхні. Формально перший напрямок можна умовно віднести до фізики, а другий – до діагностики поверхні, хоча цей напрямок об’єднує вивчення структури поверхні і хімічні перетворення на поверхні, які охоплюють широке коло явищ (адсорбція, каталіз, окиснення).

Впродовж останнього часу в області фізики поверхні досягнуті значні успіхи. Розроблені загальна феноменологічна теорія рівноважних і нерівноважних електронних процесів для експериментально обгрунтованих моделей поверхні; експериментальні методи визначення теоретичних параметрів. Наявні великі досягнення в області технології приготування та контролю атомарно чистої та реальної поверхні ряду напівпровідників, зокрема германію і кремнію.

1. Природа поверхні

1.1. Типи поверхонь

Під терміном “поверхня” в широкому змісті розуміють межу поділу двох фаз або двох матеріалів з різними фізико-хімічними властивостями. Наприклад, поверхнею є межа поділу твердого тіла і вакууму, газу чи рідини, межа поділу металу і напівпровідника або двох напівпровідників з різним типом провідності. При цьому властивості межі поділу двох фаз принципово відрізняються від властивостей кожної з них. Тому в літературі часто використовують термін “поверхнева фаза”.

Розрізняють ідеальну, атомарно чисту та реальну поверхні.

Ідеальною поверхнею вважають площину, що обмежує кристал, на якій розташування атомів (йонів) таке, як на відповідній кристалографічній площині в глибині кристала.

Атомарно чиста поверхня – поверхня реального кристала, на якій немає помітної кількості іншого типу домішок і структурних дефектів, ніж ті, що є в глибині кристала. Експериментально встановлено, що розташування атомів на атомарно чистій поверхні відрізняється від їх розташування в глибині кристала. Атоми поверхневих шарів зміщені зі своїх нормальних місць у глибині кристала і утворюють структуру з іншою симетрією і розмірами елементарної комірки. Періоди двовимірної трансляції на поверхні кристала можуть бути в декілька разів більшими, ніж відповідні періоди у кристалографічній площині в глибині. Такі поверхневі структури називають надгратками. Вид поверхневої надгратки залежить від способу виготовлення атомарно чистої поверхні кристала. Причиною утворення поверхневих надграток є перебудова кристалічної структури поверхневого шару, зумовлена енергетично вигідним взаємним насиченням обірваних вільних валентних зв’язків сусідніх атомів на поверхні.

Ще більше відрізняється від ідеальної моделі реальна поверхня кристала в атмосферних умовах. Реальною поверхнею вважають поверхню, яка одержується при стандартній обробці кристала (розрізування, шліфування, полірування, хімічне протравлювання) в атмосферних умовах. Внаслідок механічної і хімічної обробок на реальній поверхні є значна кількість дефектів структури – як макроскопічних, так і на атомному рівні. Розміри мікрорельєфу (заглиблення, виступи) реальної поверхні залежать від типу травника, який застосовують при хімічній обробці.

Мікродефектами на реальній поверхні є вакансії (або групи вакансій) атомів, виступи на атомарному рівні, виходи на поверхню дислокацій та інші дефекти об’ємної структури. Поверхня кристала може більше забруднюватися, ніж об’єм, оскільки там можуть залишатись домішкові атоми з травника, шліфувальних і полірувальних матеріалів.

Механічна обробка призводить до утворення на поверхні кристала шару з пошкодженою структурою (або аморфного поверхневого шару), для видалення якого застосовують хімічне протравлювання, внаслідок чого на поверхні можуть бути залишки окисних плівок, що утворюються в процесі травлення. Хімічна природа і склад таких плівок для різних напівпровідників різні. Навіть для одного і того самого кристала склад і конкретна будова окисної плівки може відрізнятися в залежності від складу травника та режиму травлення.

Наприклад, при протравлюванні германію у водному розчині перекису водню окисна плівка складається головним чином з гексагонального двоокису германію, в якому знаходяться гідроксильні групи в різних станах. Це зумовлює нестабільність свіжопротравленої поверхні, що пов’язано зі зміною вмісту гідроксильних груп у окисній плівці з часом. Для стабілізації поверхні при такій обробці застосовують спеціальне вакуумне просушування.

При використанні травника типу СР, до складу якого входять концентрована азотна кислота (окиснювач), плавикова кислота (розчинник), оцтова кислота (регулятор швидкості процесу окиснення) і розчин брому, на поверхні германію утворюються окисні плівки, які характеризуються значно кращою стабільністю у зв’язку з меншим вмістом води. Окисні плівки, які утворюються на поверхні германію при обробці в різних травниках, характеризуються різною гідрофільністю. Крім цього, на реальній поверхні наявні адсорбовані з навколишнього середовища атоми і молекули різних елементів.

Усі ці фактори призводять до того, що фізико-хімічні властивості поверхні напівпровідникових кристалів суттєво відрізняються від їх об’ємних властивостей.