1.4.4. Термічне травлення

На хімічно протравленій поверхні напівпровідника завжди є адсорбовані гази, водяна пара, окиси напівпровідника, окис і двоокис вуглецю, адсорбовані атоми металів. Очищення поверхні напівпровідника від цих забруднень провадять за допомогою нагрівання у вакуумі. Адсорбовані гази з поверхні Ge видаляють прогріванням у вакуумі при температурах 250– 400 °С, для кремнію при температурах 250 – 600 С. При вищих температурах видаляють молекули CO, CO₂, H₂O і окиси речовини напівпровідника. Подальше підвищення температури призводить до випаровування атомів напівпровідника, яке називають термічним або тепловим травленням. Швидкість термічного травлення залежить від кристалографічної орієнтації площини поверхні, тобто воно селективне. Цей метод травлення широко використовують при вивченні структури і ряду властивостей металів.

Процес термічного травлення залежить від початкової обробки поверхні зразка (шліфування, полірування, хімічне травлення). Наприклад, блискуча поверхня Ge після неселективного травлення в травнику СР-4 слабо травиться термічно, а матова – краще.

Перевагою методу термічного травлення є відсутність забруднення поверхні в процесі травлення. Оскільки термічне травлення проводять у надвисокому вакуумі, який не нижчий 10^-8 – 10^-9 Торр, то цим методом можна одержати чисту (або атомарно чисту) поверхню. Термічне травлення Ge провадять при температурі 800 °С, Si – при 1000 °С. Термічне травлення поверхні застосовують у випадку складних напівпровідників А^IIВ^VI, А^IIIВ^V та ін.

1.4.5. Електронні стани на реальній поверхні

Реальна поверхня напівпровідника характеризується наявністю великої кількості дефектів структури, адсорбованих молекул, окисних плівок. Все це призводить до утворення великої кількості точкових поверхневих дефектів як донорного, так і акцепторного типу, енергетичні рівні яких розташовані в забороненій зоні напівпровідника. Експериментально встановлено, що концентрація поверхневих електронних станів на реальній поверхні Ge і Si становить ~ 10¹⁰ – 10¹¹ см^-2, що на декілька порядків нижче, ніж на атомарно чистій поверхні (див. п. 1.3).

Однією з найважливіших проблем як фізичного, так і прикладного плану є встановлення фізико-хімічної природи електронних станів на реальній поверхні конкретних напівпровідникових кристалів. Ця проблема досить складна і її дослідження досить далеке від завершення навіть для германію і кремнію. Складність її вирішення полягає в тому, що при приготуванні реальної поверхні напівпровідникових кристалів проводять протравлювання, складовою частиною якого є окиснення поверхні Ge атомарним киснем. При протравлюванні Ge в пергідролі, наприклад, утворюється двоокис германію (GeO₂), який не повністю розчиняється у воді. Тому на поверхні протравленого Ge залишається плівка окисних сполук товщиною (20 – 50)10^-7 см, яка в основному складається з двоокису германію гексагональної структури. В окисній плівці наявні гідроксильні групи в різних станах. Вміст гідроксильних груп з часом може змінюватися, що призводить до нестабільності властивостей поверхні.

Необхідно зазначити, що окисні плівки наявні на поверхні Ge й у випадку протравлювання в інших травниках. Важливою особливістю окисної плівки на поверхні Ge є висока пористість і висока гідрофільність, що збільшує нестабільність властивостей поверхні.

Зазначимо також, що залишки не повністю розчинених окисних плівок після хімічного травлення можуть бути на поверхні й інших напівпровідників.

Побудова конкретної фізичної моделі поверхневих центрів є складна. Поверхневі центри розташовуються як між окисною плівкою і кристалом на межі напівпровідник-окис, так і в самій окисній плівці. Істотну роль в утворенні поверхневих центрів відіграють полярні молекули води, механізм закріплення яких остаточно не з’ясований.

Для інтерпретації більшості поверхневих явищ, які експериментально спостерігаються, необхідно знати тип поверхневих рівнів та їх основні параметри (концентрацію, енергетичне положення, перерізи захоплення носіїв заряду). Для одержання такої інформації не обов’язково знати природу поверхневих дефектів.