7.2. Некоторые свойства атомарно чистых поверхностей полупроводников

Свойства атомарно чистых поверхностей Ge, Si, GaAs и ряда других полупроводников оказались в ряде случаев довольно необычными на первый взгляд, хотя при более глубоком рассмотрении становится ясно, что так и должно быть.

7.2.1. Структура

Оказалось, как показали исследования дифракции медленных электронов, расположение атомов кристалла на атомарно чистой поверхности обычно существенно отличается от структуры внутренних частей кристалла. Для обозначения поверхностных структур применяются следующие обозначения

, (7.1)

где М – материал (Si, Ge, GaAs); (hkl) – миллеровские индексы поверхности ((100), (111)…); a_s, a_v, b_s, b_v – параметры решетки в двух направлениях на поверхности (s) и в объеме (v).

Например, запись Ge (111)-(1х7), означает, что период решетки на поверхности вдоль одного из направлений в 7 раз больше, чем в объеме. По другому направлению периоды совпадают. На поверхности (111) Ge обнаружены структуры (1х7) и (12х8).

Отличие поверхностных структур от объемных можно понять, если учесть, что атомы, лежащие на поверхности, испытывают действие сил от соседних атомов только с одной стороны полупространства кристалла. Поэтому равновесная поверхностная структура вовсе не обязана совпадать с равновесной объемной структурой.

Заметим, что при адсорбции даже монослоя кислорода и других газов и паров, особые поверхностные структуры исчезают, что также понятно, так как при этом асимметрия сил, действующих на поверхностные атомы, в значительной степени ослабляется.

7.2.2. Плотность и энергетический спектр поверхностных состояний

Другим удивительным на первый взгляд результатом исследования атомарно чистых поверхностей полупроводников явилось обнаружение на такой поверхности очень высокой плотности быстрых поверхностных состояний В^-1см^-2.

Для Ge, Si предложены несколько моделей энергетической структуры ПС: квазинепрерывная, дискретная и квазидискретная. Эти модели иллюстрируются на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Энергетическая диаграмма (слева) и модели энергетической структуры ПС (справа).

Имеются две группы ПС, симметрично расположенные относительно уровня некоторого E₀. Состояния обладают акцепторными свойствами. Природа их не установлена.

Такие модели призваны объяснить ряд характерных свойств атомарно чистой поверхности. Как правило, атомарно чистая поверхность имеет дырочный тип проводимости, даже если объем электронный. Это связано с тем, что ПС лежат в нижней половине запрещенной зоны, и уровень Ферми из за высокой их плотности почти закреплен в интервале ∆Е от центра распределения. В результате на атомарно чистой поверхности возникает инверсионный слой. Наблюдается низкая эффективная подвижность дырок , что указывает на сильное поверхностное рассеяние. На такой поверхности также велика скорость поверхностной рекомбинации и не наблюдается эффекта поля из за высокой плотности быстрых ПС.

Можно заключить, что атомарно чистая поверхность очень плохая в отношении электронных свойств.