1.3. Атомарно чиста поверхня

Як зазначено раніше (п.1.1), атомарно чистою вважається поверхня, на якій не має помітної кількості інших типів точкових дефектів, ніж ті, що наявні на відповідних площинах у глибині кристала. На атомарно чистій поверхні відсутні адсорбовані домішкові атоми, кількість поверхневих дислокацій (або дефектів структури іншого типу) не більша, ніж у глибині кристала.

Дослідження атомарно чистої поверхні провадять з метою з’ясування властивостей поверхневих електронних станів, перевірки фізичних висновків, які випливають з квантово-механічних теорій поверхневих електронних станів, з’ясування механізму адсорбції молекул на поверхні напівпровідників і ролі поверхневих електронних станів у цих процесах, вивчення властивостей поверхневих надграток та умов їх утворення.

Одержання атомарно чистої поверхні напівпровідника. Методика приготування чистої поверхні напівпровідника досить складна. Хімічне протравлювання, наприклад, знімає забруднення, що вносяться при механічному обробленні поверхні, але при цьому на поверхні з’являється шар окису та значна кількість деяких домішок, адсорбованих з травника.

Найповніше властивості чистих поверхонь вивчені лише на германії і кремнії. Тому методи одержання чистих поверхонь розроблені лише для цих напівпровідників. Приготування атомарно чистих поверхонь складних напівпровідників (А^ІІВ^VІ, А^IIIВ^V та ін.) значно складніші, оскільки при цьому можливе порушення стехіометричного складу сполуки, що може призвести до зміни фізичних властивостей як поверхні, так і об’єму досліджуваного кристала. Тому ми розглянемо лише методи приготування атомарно чистих поверхонь елементарних напівпровідників.

Відомі чотири методи приготування атомарно чистої поверхні напівпровідника: розколювання кристала у високому вакуумі або в діелектрику; йонне бомбардування у високому вакуумі; прогрівання у високому вакуумі (термічне протравлювання); відновлення поверхневого окису воднем або іншим відновником.

Найчастіше використовують метод йонного бомбардування поверхні кристала у високому вакуумі (~10^-9 – 10^-10 Торр). У цьому методі обстрілювання поверхні кристала здійснюється йонами інертного газу, найчастіше аргону, енергія яких становить декілька сотень електронвольт. Звичайно використовують напругу 200 – 600 В і густину струму ~0,1 мАсм ^-2. При цьому за 1с з поверхні кристала видаляється від 0,1 до 1,0 моноатомного шару.

Потік йонів збиває поверхневі забруднення, але при цьому йони інертного газу проникають у кристал і порушують впорядкованість атомів на його поверхні. Видалення цих атомів (атомів інертного газу) проводять нагріванням кристала при високих температурах у високому вакуумі, який повинен бути не нижчим від 10^-9 Торр. Температура нагрівання приблизно на 200–250 К нижча, ніж температура топлення матеріалу. Наприклад, германій нагрівають до температури 973 К, кремній – 1173 К. Для приготування атомарно чистої поверхні провадять ряд послідовних йонних бомбардувань і відпалів у високому вакуумі (10 – 20 циклів).

Коефіцієнт прилипання молекул активних газів на поверхні Ge i Si невеликий (для Ge К  3^.10^-4, для Si К  1^.10^-3), тому утворення мономолекулярних шарів адсорбованих молекул на поверхні цих матеріалів триває десятки годин. Це дозволяє провадити дослідження чистої поверхні напівпровідників у звичайних атмосферних умовах.

Недоліком цього методу є необхідність нагрівання кристала до високих температур у високому вакуумі, що у випадку складних напівпровідників може призвести до порушення стехіометричного складу кристала. Крім цього, при високих температурах можлива зміна концентрації і стану домішок у гратці в глибині кристала.

Метод розколювання кристала у високому вакуумі або в рідкому діелектрику, наприклад, в рідкому азоті, значно простіший. Вимірювання фізичних властивостей можна розпочинати зразу після розколювання, що значно знижує ймовірність забруднення поверхні залишковими газами. У зв’язку з відсутністю потреби нагрівання кристала до високих температур, у даному методі не відбувається порушення стехіометричного складу матеріалу, а також відсутня дифузія домішок з об’єму до поверхні кристала. Тому цей метод можна застосовувати для приготування атомарно чистої поверхні складних напівпровідників.

Недолік методу – можливість механічного пошкодження (деформації) кристала в процесі розколювання, що особливо істотно у випадку відносно “м’яких” і шаруватих кристалів. З метою зменшення деформації кристала процес розколювання проводять при низьких температурах.

У випадку сильноокиснених поверхонь використовують метод розкиснення поверхневих окисів нагріванням у відновному середовищі (Н₂, СО). Недоліком методу є забруднення поверхні адсорбованими з травника та газового середовища атомами. Крім цього, можливе також поглинання атомів водню і його необхідно видаляти.

Для очищення поверхонь металевих електродів та інших конструкційних елементів, які використовуються в електроніці, успішно застосовують нагрівання у надвисокому вакуумі до температур, близьких до температури топлення.

Важливе питання оцінки ступеня чистоти поверхні. З цією метою використовують ряд методів: електронна та йонна Оже-спектроскопія, мас-спектроскопія вторинних йонів, Х-променеві методи, дослідження емісії електронів з поверхні напівпровідника, дослідження стимульованої десорбції та ін. (див. п.1.5).

Поверхневі електронні стани. Дослідження атомарно чистих поверхонь Ge, Si та інших напівпровідників показали, що такі поверхні характеризуються наявністю значного поверхневого заряду. У випадку n-Ge причиною цього ефекту вважають наявність рівнів Тамма, а також наявність адсорбованих атомів бору, які відіграють роль акцепторів. Забруднення германію бором пов’язують з можливістю дифузії його з матеріалу контейнерів (скло, графіт). Для одержання чистих без бору поверхонь германію використовують кварцові ампули.

Наявність локалізованого на поверхневих рівнях заряду призводить до викривлення енергетичних зон в області поверхні (див. п. 2.1). Атомарно чиста поверхня германію р- і n-типу характеризується викривленням енергетичних зон уверх, що зумовлено локалізацією на поверхні негативного заряду.

Поверхнева густина станів енергетичних рівнів для германію приблизно дорівнює 10¹⁵ см^-2, в окремих випадках – до 10¹⁶ см^-2. Природа поверхневих рівнів остаточно не з’ясована. Є підстави вважати, що істотну роль відіграють процеси адсорбції і дифузії домішок з об’єму на поверхню кристала.