3 Поверхность кристалла

У атомов, расположенных на поверхности кристалла, часть ковалентных связей неизбежно нарушается из-за отсутствия «соседей» по другую сторону границы раздела. Количество нарушенных связей зависит от кристаллографической ориентации поверхности. Например, для кремния в плоскости (111) оказывается оборванной одна из четырех связей, а в плоскости (100) — две (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Нарушение ковалентных связей на поверхности кристалла:

а—в плоскости (100); б—в плоскости (111)

Нарушение ковалентных связей влечет за собой нарушение энергетического равновесия на поверхности. Равновесие восстанавливается разными путями:

может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое, т.е. структура элементарных ячеек кристалла;

может произойти захват — адсорбция — чужеродных атомов из окружающей среды, которые полностью или частично восстановят оборванные связи;

может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т.п.

В любом случае структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров и менее) отличается от структуры основного объема кристалла.

Как следствие, электрофизические параметры приповерхностного слоя заметно отличаются от параметров объема, причем этот вывод не зависит от того, граничит ли кристалл с вакуумом, воздушной средой или другим твердым телом. Поэтому приповерхностный или граничный слой (часто говорят просто — поверхность или границу) следует рассматривать как особую область кристалла.

Эта область играет важную роль в микроэлектронике, поскольку элементы планарных ИС расположены непосредственно под поверхностью, а размеры рабочих областей часто соизмеримы с толщиной граничных слоев.

Поверхность кристалла, разумеется, может быть загрязнена самыми различными веществами: остатками кислот или щелочей, использованных при ее обработке, жировыми пятнами и т.п.

Выводы по лекции

Таким образом, полупроводники, как правило, имеют кристаллическую структуру алмазного типа, представляющую собой совокупность множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек.

Регулярность (периодичность) структуры кристалла приводит к зависимости его свойств от направления в кристаллической решетке — к анизотропии. Оценивать направление, т.е. «ориентироваться» в кристаллической решетке принято с помощью кристаллографических плоскостей. Эти плоскости обозначают трехзначными индексами Миллера.

Структура кристалла никогда не бывает идеальна — ни в объеме, ни тем более на поверхности. Всегда имеются различные искажения, среди которых различают дефекты решетки и дислокации.

Нарушение ковалентных связей на поверхности влечет за собой нарушение энергетического равновесия, которое восстанавливается либо за счет изменения расстояния между атомами, либо за счет адсорбции, либо образования на поверхности химических соединений, например, окислов.

Дефекты кристаллов и эффекты на поверхности сильно влияют на работоспособность полупроводниковых приборов, часто являются основной причиной брака при изготовлении особенно интегральных микросхем.

Теоретические вопросы для самоконтроля

1. Краткая историческая справка 2. Классификация твердых тел по проводимости 3. Понятие ковалентной связи 4. Энергетические диаграммы уединенных атомов и твердых тел 5. Обобщение некоторых выводов зонной теории для объяснения электропроводности твердых тел 6. Электроны в твердом теле 7. Структура полупроводников 8. Дефекты кристаллической решетки 9. Поверхность кристалла