Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf

Молекулы могут днссоциировать на поверхности кристалла, кото­ рый затем действует как катализатор, эффективность которого меняется под действием излучения. Адсорбированные молекулы обладают характерным спектром оптического поглощения, кото­ рый может быть найден при помощи техники спектроскопии внут­ реннего отражения (стандартной техники физико-химического и химического анализа). Освещение кристалла в процессе выра­ щивания из паровой фазы позволяет улучшить его кристалличе­ скую структуру, поскольку при этом увеличивается подвижность атомов вдоль поверхности подложки, что способствует нахож­ дению и установлению более прочных связей.

1. Поверхностные состояния

На поверхности полупроводника, полученной в результате скола, появляются ненасыщенные связи. Эти связи могут сильно взаимодействовать с атомами п молекулами среды (хемисорбция).

Возникают поверхностные состояния, которые могут либо отдавать, либо при­ нимать электроны, в ре­ зультате чего устанавли­ вается связь между средой и кристаллом. Основы­ ваясь на теоретических со­ ображениях, следует ожи­ дать очень высокой плот­ ности поверхностных со­ стояний, так как разрыв

Ф и г . 16.1. Зависимость энер­ гии от волнового вектора и плотность состояний для неко­ торых возможных моделей по­ верхностных состояний [2].

кристаллической решетки на поверхности дает по крайней мере одну «болтающуюся связь» на атом. Ненасыщенная связь эквива­ лентна акцепторному состоянию. Эти поверхностные состояния называются «уровнями Тамма» [1]. Их максимальная плотность должна быть порядка ІО15 см-2. Однако на реальной поверхности обычно можно обнаружить только ІО11 состояний иа 1 см2.

Прежде чем пытаться объяснить это кажущееся уменьшение плотности, следует отметить, что мы только начинаем подходить

к пониманию поверхностных состояний [2]. Число обнаружен­ ных поверхностных состояний зависит от того, как расположены атомы на поверхности. Возмущение, вызванное разрывом решет­ ки в том месте, где образована поверхность, может привести к перестройке поверхностных атомов по сравнению с тем, как они расположены в такой же плоскости внутри кристалла; в ре­ зультате может происходить растяжение и изгиб связей.

Периодическое расположение атомов на поверхности обра­ зует двумерную решетку, которая определяет зависимость Е (к) для поверхностных состояний. Как показано на фиг. 16.1, по­ верхностные состояния могут оказаться сгруппированными глу­ боко в запрещенной зоне и обладать слабой дисперсией Е (к) — это означает высокую плотность поверхностных состояний в узком интервале энергий, что приводит к фиксации положения уровня Ферми на поверхности (мы касались этого явления в § 3 гл. 13), или же поверхностные состояния могут обладать большой дис­ персией Е (к) и частично перекрываться с разрешенной зоной. В этом случае в области перекрытия поверхностные состояния неотличимы от объемных. Далее, в ионных кристаллах или в кри­ сталлах с некоторой долей ионной связи поверхностные катионы и анионы действуют соответственно как доноры и акцепторы [3, 4] и могут образовывать компенсированные пары.

2. Адсорбция и десорбция

Поверхностные состояния вызывают изгиб зон вблизи поверх­ ности. Если поверхностное состояние может захватить электрон, оно действует как акцептор; поэтому зоны вблизи поверх­ ности изогнуты вверх, как по­ казано иа фиг. 16.2,а. Наобо­ рот, если ловушка донорного типа может отдать электрон,

Ф и г. 16.2. Изгиб зон вблизи по­ верхности полупроводника за счет поверхностных состояний с энерги­ ей £ с.

создавая на поверхности положительный заряд, то это вызы­ вает изгиб зон вниз (фиг. 16.2,6).

Изгиб зон можно обнаружить экспериментально, определяя изменение контактного потенциала или проводимости параллельно поверхности. Протяженный обедненный слой соответствует мень­ шей поверхностной проводимости.

Если у атома или молекулы газа, приближающихся к поверх­ ности, энергия электронного сродства больше, чем работа выхода из полупроводника, то они могут захватить электрон с поверхности и, действуя, таким образом, как акцептор, вызвать изгиб зоы вверх. Кислород, обладающий очень большой электроотрицательностыо, вызывает изгиб зон вверх (фиг. 16.3). Если кислород адсорбирует­ ся на полупроводнике ?г-типа, обедненный слой растет и поверхно­

стная проводимость умень­ шается. С другой стороны, кислород, адсорбирован­ ный па материале р-ти­ па, создает на поверхности

мости (фпг. 16.3).

Процесс адсорбции идет быстрее при оптическом возбуждении, создающем повышенную концентрацию электронов и дырок, кото­ рые могут захватываться соответственно газом, атомы которого обладают большой электроотрицательностью, или веществами, имеющими донорные свойства. Па фиг. 16.4 видно, что освещение белым светом ускоряет процесс адсорбции кислорода иа CdSe (полупроводник 7г-типа). При этом количество адсорбированного кислорода контролировалось путем измерений (в темноте) прово­ димости образца параллельно поверхности.

Адсорбция кислорода изучалась также на ZnS [6]. Было показано, что скорость адсорбции возрастает с увеличением интен­ сивности освещения (hv > Е g) и давления кислорода. В этом слу­ чае адсорбция контролировалась по изменению контактного потен­ циала, которое непосредственно связано с изменением поверхно­ стного потенциала.

Изменение поверхностного потенциала было обнаружено также в экспериментах с германием, который находился в контакте попеременно с влажным и сухим кислородом; наибольший эффект

был получен при освещении поверхности (фиг. 16.5). Водяной пар и кислород вызывают, по-видимому, эффекты противоположного знака, при этом вода действует сильнее. Изменения поверхностно­ го потенциала в германии п- и p-типа имеют разные знаки.

Освещение может вызывать либо увеличение адсорбции, либо, наоборот, увеличение десорбции [8]. Это зависит от природы газа,

(определяемого давлением газа, которое влияет на заполнение поверхности адсорбированным газом). Результаты такого рассмот­ рения суммированы на фиг. 16.6. Так, адсорбция кислорода (ак­ цептор) собственным полупроводником (уровень Ферми в середине запрещенной зоны) вызывает на поверхности изгиб зон кверху. Если на поверхности имеется незначительное количество кислоро­ да (низкое давление), то изгиб зон мал, чему соответствует на фиг. 16.6 область между точками а и Ь. В этой области наблю­ дается положительный фотоэффект, т. е. происходит фотоадсорб­ ция. При более высоких давлениях количество адсорбированного кислорода возрастает, система смещается в точку а и освещение вызывает фотодесорбцию.