Введение
Физика поверхности полупроводников (ФПП) ЁC один из разделов физики полупроводников, приобретающий в последние годы все более важное и самостоятельное значение благодаря быстро растущим практическим приложениям.
Целью этого пособия является обучение студентов основам физики поверхностных электрических явлений в полупроводниках для понимания той роли, которую играют эти явления в работе полупроводниковых приборов.
Пособие содержит краткое описание классической феноменологической теории электронных явлений на поверхности полупроводников, основных электрофизических методов исследования и определения электрофизических параметров поверхности, а также описание свойств атомно-чистой, реальной и пассивированной поверхности полупроводников (Si, GaAs).
Место и значение физики поверхности в физике и технике полупроводников
С поверхностью полупроводников связан ряд важных в научном и практическом отношении физических и физико-химических явлений: адсорбция газов и паров поверхностью, химические реакции на поверхности, различные виды эмиссии электронов с поверхности (термоэлектронная, фотоэлектронная, полевая и др.), приповерхностные электронные явления (поверхностная проводимость, эффект поля, поверхностная рекомбинация) и др.
Изучение их в чисто научном плане важно для определения электронной структуры поверхности, параметров так называемых поверхностных состояний, механизма электронных процессов на поверхности также имеет большое практическое значение. Практическое значение этого раздела физики полупроводников определяется следующими обстоятельствами.
Во-первых, состояние поверхности полупроводника оказывает сильное и подчас решающее влияние на многие технические характеристики полупроводниковых приборов. От нее во многом зависит выход годных изделий и их стоимость. Например, такие важные характеристики диодов и транзисторов как величина обратного тока и пробивное напряжение p-n перехода в основном определяются обработкой поверхности. Обработка поверхности полупроводника является очень важной технологической операцией в процессе изготовления полупроводниковых приборов и схем. В связи с развитием микро- и наноэлектроники происходит уменьшение размеров элементов и увеличивается отношение поверхности к объему (V ~ L3, S ~ L2), т.е. отношение S/V ~ 1/L растет с уменьшением габаритов приборов и, следовательно, растет степень влияния поверхности.
Во-вторых, поверхность в сильнейшей степени влияет на эксплуатационные характеристики объемных приборов: стабильность характеристик и, следовательно, выход годных приборов и их надежность при эксплуатации. С течением времени характеристики приборов изменяются и плывут, выходят за установленные стандартом допуски, и прибор выходит из строя. Это явление называется деградацией. Всякое изменение начинается с поверхности и связано с процессами адсорбции-десорбции, диффузии и т.д. Поэтому в технологии применяются специальные методы поверхностных обработок, направленные на сохранение состояния поверхности (пассивация поверхности, герметизация и др.).
Наконец, ряд поверхностных явлений в полупроводниках находят непосредственное практическое применение, лежат в основе принципа действия ряда полупроводниковых приборов и схем. Все наиболее эффективные эмиттеры электронов: термокатоды, фотокатоды, автоэмиссионные катоды ЁC полупроводники. Они используются в разных вакуумных приборах в радиолампах, вакуумных фотоэлементах, фотоэлектронных умножителях и др. На использовании поверхностного явления ЁC эффекта поля основан принцип действия так называемых полевых транзисторов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и транзисторов Шоттки. В последнее время на основе последнего типа полевых транзисторов получены полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), содержащие квантовую яму (КЯ) и дельта-легированный слой на основе A3B5, работающие в терагерцовом диапазоне частот благодаря высокой подвижности носителей в КЯ. Цифровые МДП-транзисторы являются основой элементной базы оперативной памяти современных компьютеров. Изменение поверхностной емкости при изменении напряжения на ней используется также в варикапах, а явление возникновения фотоэдс на поверхностном барьере ЁC для преобразование солнечной энергии в электрическую. На явлении неравновесного обеднения поверхности полупроводника недавно создан новый класс приборов и схем функциональной электроники с переносом заряда, на явлении перезарядки поверхностных состояний в МДП-структурах с двухслойным диэлектриком работает флеш-память.
Краткая история ФПП
Изучение поверхностных явлений, в основном на поверхности металлов, началось задолго до начала развития физики полупроводников. Оно было стимулировано развитием вакуумной электроники и касалось главным образом изучения различных видов эмиссии электронов с поверхности металлов и полупроводников (термоэлектронной, фотоэлектронной, полевой или автоэлектронной и др.) и нахождения важнейшего параметра, определяющего эти явления, ЁC работы выхода электронов. Интенсивно изучались также явления адсорбции газов и паров на поверхности твердых тел и в этой области были получены важные результаты.
В 1932 г. советский физик-теоретик И.Е. Тамм впервые рассмотрел влияние обрыва периодичности решетки на поверхности полупроводника на ее энергетический спектр и показал, что при этом возникают локализованные связанные состояния электронов, получившие название поверхностных состояний (ПС). Эти состояния были названы таммовскими ПС. Однако эта пионерская и оказавшаяся впоследствии очень важной работа не обратила на себя в свое время особенного внимания.
Современный этап развития ФПП, по-видимому, начался в 50-е годы, когда появились признанные теперь классическими работы Браттэна, Бардина и Шокли (американских физиков, авторов изобретения транзистора) «Поверхностные свойства германия» и Гаррэта, Браттэна «Физическая теория поверхности полупроводников». В этих работах было четко введено понятие поверхностных состояний, показано, что наличие заряда на ПС приводит к формированию в приповерхностном слое полупроводника области пространственного заряда (ОПЗ), в результате чего свойства этой области становятся отличными от свойств объема (отличие концентрации и подвижности носителей тока). Теория сохранила свое значение до сих пор. С тех пор было опубликовано огромное количество работ по поверхностным свойствам различных полупроводников и их влиянию на работу полупроводниковых приборов.
В середине 60-х годов были разработаны полевые транзисторы, в которых используется для усиления сигнала поверхностное электронное явление ЁC эффект поля. Это еще более стимулировало развитие ФПП.
В СССР сложилось несколько известных научных школ, успешно работающих в области физики полупроводниковых приборов. Это школа Ржанова А.В. в Новосибирске, школа Литовченко В.Г и Снитко О.В в Киеве, школа в Москве в МГУ (основатель Киселев В.Ф.), в Санкт-Питербурге в госуниверситете (основатель Коноров П.П.).
Две нобелевские премии по физике получены в области физики поверхности за открытие квантового эффекта Холла и создание сканирующего зондового туннельного микроскопа.
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 ЁC 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 ЁC 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.
1.2. Поверхностный и объемный заряды. Свойства ОПЗ (качественное рассмотрение). Энергетическая диаграмма поверхности
Обозначим поверхностную плотность ПС через Nss [см-2], а заряд на них Qss [Кл см-2]. Для простоты будем считать ПС моноэнергетическими. ПС могут быть донорного и акцепторного типов, как и объемная легирующая примесь водородоподобного типа. Следовательно, на них может возникать положительный или отрицательный заряд соответственно. Знак заряда определяется типом ПС (доноры ЁC плюс или 0,акцепторы ЁC минус или 0), а величина заряда ЁC положением уровней ПС относительно уровня Ферми на поверхности и концентрацией уровней.
Результирующий заряд поверхности на ПС тогда можно записать в виде
µ § (1.1)
где Qsd+ ЁC положительный заряд донорных ПС, Qsa- ЁC отрицательный заряд акцепторных ПС, psd ЁC концентрация дырок на донорах и nsa ЁC концентрация электронов на акцепторах. Формула (1.1) легко может быть обобщена и на случай нескольких сортов поверхностных уровней каждого типа.
При отсутствии внешнего поля, приложенного к поверхности полупроводника, полупроводник в целом должен быть электронейтральным. Следовательно, заряд на ПС должен быть скомпенсирован равным по величине и противоположным по знаку зарядом в объеме полупроводника Qsv. В силу условия электронейтральности объемный заряд очевидно должен быть локализован непосредственно в приповерхностной области полупроводника. Сосуществование Qss и Qsv в разделенном состоянии обеспечивает наличие энергетического барьера, препятствующего их смещению. Таким образом, на поверхности полупроводника обычно имеется дипольный слой, состоящий из заряда на поверхностных состояниях Qss и уравновешивающего его заряда в ОПЗ Qsv. Ширина ОПЗ определяет глубину проникновения поля поверхностного заряда в объем полупроводника, т.е. фактически глубину экранирования поля.
Если обозначить плотность объемного заряда в ОПЗ с(х), то полный заряд ОПЗ, рассчитанный на единицу поверхности,
µ § [Кулон см -2]. (1.2)
Под физической поверхностью понимается геометрическая поверхность с прилегающей к ней ОПЗ. Все явления, происходящие не только на геометрической поверхности, но и в ОПЗ, относятся к поверхностным явлениям.
