Роль поверхности в создании устройств микро- и наноэлектроники

План лекции

1.1. Поверхность и её свойства.

1.2. Поверхностный потенциал.

1.3. Поверхностные состояния. Уровни Тамма.

1.4. Быстрые и медленные поверхностные состояния.

1.1. Поверхность и её свойства

Физические процессы на поверхности полупроводника оказывают большое влияние на электрические характеристики и параметры полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Поверхность служит местом взаимодействия с твердым телом различных фаз (газ, жидкость, твердая фаза), что определяет возникновение многих так называемых поверхностных явлений. Наиболее существенные из них – сцепление (когезия), прилипание (адгезия), смачивание, трение, скол (разрушение твердого тела), образование и развитие зародышей новой фазы при осаждении вещества на подложку, адсорбция (прилипание чужеродных атомов или молекул к поверхности из газообразной или жидкой фазы), хемосорбция (адсорбция с последующей химической реакцией и образованием устойчивого слоя нового химического соединения); гетерирование, включающее перенос вещества вдоль поверхности (миграция, поверхностная диффузия, поверхностный электронный или гравитационный дрейф) с последующим закреплением (абсорбцией, связыванием) чужеродных атомов и дефектов в поверхностном слое.

Особенности атомного и электронного состояния поверхности обусловливают появление характерных мод фундаментальных зонных квазичастиц – поверхностных фононов (сурфонов), поверхностных экситонов, поверхностных плазмонов, спектр которых является более длинноволновым (по сравнению с объемными модами), а константы взаимодействия с другими элементарными возбуждениями – большими. Иначе говоря, поведение поверхностных электронов, электронно-дырочных пар (в том числе экситонов) и атомных колебательных процессов будет существенно отличаться от таковых в объеме.

Изучение поверхностных эффектов имеет особое значение для микро- и наноэлектроники, где влияние их, как правило, необходимо ограничивать или исключать вообще. При этом в некоторых случаях поверхностные эффекты, напротив, используются для разработки полупроводниковых приборов нового поколения с уникально высокими параметрами.

Рассмотрим характеристику поверхности полупроводников. Различают несколько типов поверхности полупроводников: атомно-чистая, контактирующая со сверхвысоким вакуумом или peaктивной очищаемой средой; реальная, обычно получаемая методом химического травления, находящаяся в контакте с реальным воздушным окружением и в связи с этим содержащая адсорбированные гидроксильные, окисные и другие чужеродные (в том числе примесные) слои; содержащая гетеропереходы – специально сформированные тонкие слои неполупроводниковых фаз – диэлектрических, металли-ческих (структуры «диэлектрик – полупроводник», «металл – диэлектрик-полупроводник», «металл – полупроводник», рис. 1.1), а также полупроводники разной природы (тонкопленочные гетеропереходы). Кроме того, известна внутренняя поверхность полупроводников – граница бикристалла, двумерных дислокаций (дефектов упаковки).

а б

Рис. 1.1. Схематическое изображение структуры «металл – диэлектрик – полупроводник» с двухслойным диэлектриком (а) и ее энергетическая зонная диаграмма (б)

Донорный, или акцепторный, характер поверхностных примесных атомов определяется их химическим электронным сродством по отношению к веществу подложки. Поэтому для элементов, проявляющих значительное сродство, тип центра определяется однозначно (например, кислород, фтор, хлор всегда являются акцепторами, а водород и щелочные элементы – донорами). Для двухслойных гетероструктур поверхностные уровни границ разделов между фазами близки по природе к уровням свободной поверхности, они определяются главным образом искажением химической связи «диэлектрик – полупроводник», комплексами дефектов структуры, а также наличием на поверхности чужеродных атомов.