Поверхность полупроводника, Поверхностные и контактные явления

Раздел 8. Поверхность полупроводника. Поверхностные и контактные явления.

Лекция 22. Поверхность полупроводника, реконструкция поверхности. Поверхностные (Таммовские) состояния. Область пространственного заряда - ОПЗ.

Реконструкция поверхности, методы исследования реконструкции. Поверхность как двумерный дефект (оборванные связи), Таммовские состояния. Проникновение поля в полупроводник, область пространственного заряда.

1) При знакомстве с основами зонной теории кристаллов для описания волновых функций электронов в виде Блоховских функций мы пользовались трансляционной симметрией кристалла. Очевидно, что вблизи поверхности полупроводников трансляционная симметрия нарушается, поэтому из первых принципов расчёт энергетических уровней кристалла вблизи поверхности невозможен. По образному выражению Вольфганга Паули Бог создал объём, а поверхность – порождение Дьявола. Тем не менее, в реальных полупроводниковых приборах невозможно обойтись без поверхности и границ раздела, поэтому физика поверхности играет большую роль в физике полупроводников.

Начнём с того, что и атомы на поверхности обычно расположены в несколько другом порядке, чем в объёме кристалла. Как и любая физическая система приповерхностная область кристалла стремиться к минимуму свободной энергии. В поверхностную энергию вносят вклад энергия электронов на оборванных связях и упругая энергия смещения атомов. Оборванные связи «перезамыкаются» между собой и симметрия приповерхностных атомов становится другой Двумерная элементарная ячейка поверхностных атомов может составлять несколько векторов примитивных трансляций объёмного материала и обозначается (nxm), где числа n и m – количество «объёмных» примитивных ячеек [3.15, 3.16]. Смещение атомов относительно положения в объёме (реконструкция поверхности) обычно затрагивает 2-3 приповерхностных слоя атомов. В качестве примера на рисунке 8.1 приведено изображение реконструкции поверхности GaAs типа (2x4). В зависимости от внешних условий (температура и давление паров молекул и атомов составляющих кристалл или атомов примеси) реконструкция поверхности может меняться. Зачастую есть условия сосуществования доменов поверхности с различными реконструкциями.

Существуют методики исследования реконструкции поверхности как в процессе роста (in situ) так и после роста (ex situ). Поверхность кристалла периодична и представляет собой дифракционную решётку с периодом порядка нескольких ангстрем. Поэтому, длина волны дифрагирующих частиц должна составлять также ангстремы. Электроны с энергией несколько кэВ подходят для этой задачи. При почти касательном падении электронного пучка глубина проникновения электронов в кристалл мала, поэтому в рассеянии участвуют только приповерхностные атомы. Можно наблюдать как за интенсивностью зеркально отражённого пучка, так и за интенсивностями рефлексов, вызванных дифракцией. По углам между рефлексами можно определить период реконструкции в одном из направлений. Данная методика называется дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭО), в англоязычной литературе reflective high energy electron diffraction (RHEED).

Так как туннельный ток между остриём иглы и поверхностью полупроводника сильно (экспоненциально) зависит от расстояния, он очень чувствителен к появлению даже одного атома на поверхности. Поэтому, методика сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) позволяет исследовать реконструкцию поверхности и даже наблюдать отдельные атомы или точечные дефекты на поверхности. Отметим, что в случае крайне малых скоростей осаждения атомов на поверхность методика СТМ позволяет in-situ наблюдать кинетику формирования островков из адатомов (добавляемых к гладкой поверхности атомов).

Рисунок 8.1. Реконструкция поверхности GaAs типа (2x4) (данные из работы M.Itoh at al. Phys. Rev. Lett. v.81, p.633 (1998)).

2) Если пренебречь реконструкцией поверхности и считать поверхность просто состоящей из атомов с оборванными связями, в таком (сводящемся к одномерной задаче) случае можно показать, что возникающие локализованные поверхностные состояния всегда по энергии попадают в запрещённую зону полупроводника. Первым это показал еще в 1932 году советский физик Игорь Евгеньевич Тамм, поэтому эти поверхностные состояния называют Таммовские состояния. Волновая функция поверхностного состояния по экспоненте спадает вглубь кристалла.

Если считать что каждая оборванная связь, например, захватывает электрон (является акцептором), то полный заряд поверхностных состояний, можно оценить как @10¹⁵ элементарных зарядов на квадратный сантиметр. Таким образом, заряженная поверхность представляет собой одну из обкладок плоского конденсатора и создаёт по обе стороны электрическое поле равное , где s - поверхностный заряд. В диэлектрик электрическое поле проникает (испытывая на поверхности скачок из-за связанного заряда). В полупроводнике существуют подвижные носители заряда, которые своим зарядом будут экранировать внешнее поле. Таким образом, внешнее поле будет затухать вглубь полупроводника и практически сведётся к нулю на некоторой глубине. Область полупроводника, в которую проникает внешнее поле уже не будет являться электронейтральной и она называется область пространственного заряда - ОПЗ.