4.3. Швидкі і повільні поверхневі рівні

Дослідження ефекту поля показали, що на поверхні Ge, Se та інших напівпровідників існують дві системи поверхневих рівнів: швидкі і повільні (див. п.2.1).Швидкі рівні розташовані на межі напівпровідник-окис і перебувають у доброму електричному контакті з об’ємом напівпровідника. Швидкі рівні характеризуються малими часами релаксації ( 10^-8 – 10^-5 с). Повільні поверхневі рівні розташовані на поверхні окисної плівки (на межі окисної плівки і навколишнього середовища). Час релаксації повільних поверхневих рівнів  10^-3.

Швидкі рівні можуть відігравати роль рівнів рекомбінації або рівнів прилипання. Через повільні рівні рекомбінація не відбувається і вони відіграють роль рівнів захоплення, які взаємодіють з носіями заряду лише однієї енергетичної зони. Конценрації швидких рівнів для Ge i Si становлять ~10¹⁰–10¹¹ см^-2. Концентрації повільних рівнів значно вищі (10¹¹ – 10¹³ см^-2).

У зв’язку з великою концентрацією повільних рівнів, на них може нагромаджуватися значний заряд, який визначає величину викривлення енергетичних зон на поверхні. Цей факт використовують при необхідності виготовлення поверхневих бар’єрів Шотткі з великим викривленням зон. У цьому випадку на поверхню напівпровідника наносять спочатку шар окису, а потім метал.

Дослідження ефекту поля, швидкості поверхневої рекомбінації, фотопровідності та інших ефектів дозволили вивчити енергетичну структуру (спектр) та природу поверхневих рівнів для ряду напівпровідників (Ge, Si, Cu₂O, PbS та ін.).

На поверхні Ge i Si в області середини забороненої зони виявлено ряд дискретних рівнів (Ge – 4, Si – 5), концентрація яких становить 10¹⁰ – 10¹¹ см^-2). Виявлені на поверхні Ge рівні є швидкими і при кімнатних температурах вони відіграють роль рівнів рекомбінації, а при низьких стають рівнями прилипання. У випадку Si виявлені рівні при кімнатних температурах є рівнями прилипання, а при вищих – рівнями рекомбінації. В областях забороненої зони поблизу країв дозволених зон допускається можливість існування на поверхні Ge i Si безперервного спектру швидких поверхневих рівнів.

Швидкі рівні на поверхні Ge і Si пов’язуються з дефектами структури на межі напівпровідник-окис. Концентрація швидких рівнів на поверхні Ge збільшується при адсорбції кисню або десорбації води. Концентрація швидких рівнів на поверхні Si більша, ніж на поверхні Ge. Поверхня Si стабільніша, ніж поверхня Ge.Атмосфера слабо впливає на систему швидких рівнів на поверхні Si, тоді як у випадку Ge цей вплив істотний. Це пов’язано з утворенням міцних зв’язків Si - O, великою щільністю та хімічною стійкістю окисної плівки на поверхні кремнію.

Енергетичний спектр повільних поверхневих рівнів у Ge, Si та Cu₂O дискретний. При низьких температурах дискретність цих рівнів проявляється чіткіше, ніж при високих. На поверхні Ge i Cu₂O виявлено чотири, а на поверхні Si три повільні рівні. Повільні рівні відіграють роль центрів захоплення, які не беруть участі у поверхневій рекомбінації. Параметри повільних рівнів визначають з вимірів ефекту поля при сталій напрузі.

Встановлено, що існування повільних поверхневих рівнів на поверхні Ge та Si пов’язано з наявністю шару окису. На атомарно чистій поверхні повільні рівні не прояляються. При окисленні атомарно чистої поверхні утворюються повільні рівні, концентрація яких збільшується у вологій атмосфері. Вважається, що повільні рівні мають адсорбційне походження. У деяких роботах допускають можливість існування повільних рівнів не лише на поверхні окисного шару, але й в об’ємі окису.

Контрольні запитання

1. Сформулюйте визначення ефекту поля у напівпровідниках.

2. Поясніть як змінюється заповнення поверхневих рівнів електронами при накладанні зовнішнього електричного поля , перпендикулярного до поверхні.

3. Нарисуйте криву релаксації зміни поверхневої провідності при накладанні зовнішнього електричного поля .

4. Яку інформацію про основні характеристики та параметри поверхневих локальних рівнів можна отримати з досліджень ефекту поля?

5. Нарисуйте графічну залежність зміни поверхневої провідності _П від Y_S та поясніть можливість визначення величини заряду, локалізованого в ОПЗ для заданого значення Y_S.

6. Нарисуйте залежність величини локалізованого на поверхні напівпровідника заряду Q_SS від величини вигину зон Y_S для дискретних поверхневих рівнів.

7. Як виглядатиме графічна залежність Q_SS(Y_S) у випадку наявності на поверхні напівпровідника безперервного спектру локальних рівнів?

8. Які поверхневі рівні називають швидкими? Повільними?

9. Де розташовані швидкі поверхневі рівні та їх роль у фотоелектричних процесах, що протікають у напівпровіднику?

10. Поясніть у чому полягає різниця впливу швидких та повільних рівнів на фотоелектричні властивості напівпровідників.

11. Поясніть можливість використання повільних поверхневих рівнів для збільшення висоти бар’єру Шотткі.

45

Основи фізики поверхні напівпровідників. Навчальний посібник