1. Введение в теорию электронных явлений на поверхности полупроводников

1.1. Поверхностные состояния и поверхностный заряд

Подобно объемным свойствам полупроводников, которые во многом определяются локализованными примесными состояниями электронов в объеме кристалла, поверхностные свойства в значительной степени определяются наличием на поверхности так называемых поверхностных состояний (ПС). Эти состояния, как и объемные, характеризуются набором параметров: концентрацией на единицу площади, энергетическим положением уровней относительно краев запрещенной зоны, сечением захвата электронов и дырок.

Основная задача теории и эксперимента в физике поверхности полупроводников состоит, во-первых, в том, чтобы установить связь между параметрами ПС и физическими характеристиками поверхности, определяющимися непосредственно на опыте, и, во-вторых, в выяснении конкретной физико-химической природы ПС для наиболее важных в практическом отношении полупроводников (Si, GaAs, и др.). Вторая часть задачи по ряду причин является исключительно трудной и еще очень далека от решения.

Сейчас можно считать выясненным, что возможны несколько типов ПС.

Это состояния, непосредственно возникающие в результате обрыва кристаллической решетки на поверхности. Возможность существования таких состояний была впервые доказана в 1932 г. Таммом, в связи с чем они иногда называются таммовскими состояниями. Тамм рассмотрел простейшую одномерную модель кристалла (типа Кронинга-Пенни), но не бесконечную, которая обычно рассматривается в теории твердого тела, а полубесконечную (оборванную с одной стороны). Оказалось, что в таком кристалле наряду с нелокализованными состояниями электронов, которые описываются блоховскими волновыми функциями, возникают локализованные состояния, волновая функция которых экспоненциально затухает по обе стороны от границы. Позже Гудвином, Шокли, Каутцким и другими авторами были рассмотрены более сложные модели (двумерные, трехмерные, ковалентные, ионные кристаллы и др.). Общий вывод из этих работ состоит в том, что обрыв кристаллической решетки при некоторых условиях должен приводить к появлению локализованных на поверхности ПС (которые могут объединяться в двумерные зоны). Концентрация состояний этого типа обычно очень велика – порядка концентрации самих поверхностных атомов кристалла, т.е. ~ 10¹⁵ см^-2. Для ковалентного кристалла ПС этого типа можно трактовать как ненасыщенные (оборванные) валентные связи. Состояния этого типа, по-видимому, удается наблюдать на атомарно-чистых поверхностях некоторых полупроводников, но на обычной, так называемой реальной поверхности, покрытой пленкой окисла и адсорбированных газов и паров, проявление состояний этого типа не установлено.

Возможны также примесные поверхностные состояния. ПС этого типа вполне аналогичны по физико-химической природе объемным примесным состояниям и отличаются от них только тем, что расположены на поверхности или границах раздела (например, на границе полупроводник/окисная пленка). В качестве примесных ПС могут выступать чужеродные атомы примеси, в том числе и те, что имеются в объеме; атомы, молекулы адсорбированных газов и паров; поверхностные дефекты (вакансии, междоузельные атомы, места выхода дислокаций и комплексы дефектов, антиструктурные дефекты). Естественно, концентрация ПС этого типа может быть произвольной, но конечно ограниченной сверху (< 10¹⁵ см^-2). Практически концентрацию этих ПС не удается снизить < 10⁹ см^-2 (граница Si/SiO₂).

Еще один тип ПС, связан с разупорядочением кристаллической решетки на поверхности. Обрыв решетки или наличие гетерограницы (полупроводник-окисел) может приводить к разупорядочению решетки на границе и вблизи поверхности. С помощью современного электронно-лучевого микроскопа с разрешением ~ 0.1 нм установлено наличие вакансий и атомов Si в междоузлиях по крайней мере в трех поверхностных монослоях монокристалла Si c самой совершенной поверхностной обработкой. Предельным случаем такого разупорядочения может быть аморфизация поверхности. Подобное разупорядочение, как известно из теории аморфных полупроводников, может приводить к отщеплению состояний от разрешенных зон и образованию так называемых «хвостов плотности состояний». Они ведут себя как примесные состояния, имеющие квазинепрерывное распределение по энергии (плотность убывает экспоненциально при удалении от поверхности). Плотность таких состояний вблизи краев запрещенной зоны может быть весьма высокой 10¹⁴ – 10¹⁵ см^-2 эВ^-1. О состояниях последнего типа стали говорить сравнительно недавно при изучении поверхности бинарных полупроводников (GaAs).

Таким образом, обрыв решетки может приводить к образованию ПС, имеющих разную природу.