Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники: курс лекций [Г. Н. Шелованова] (pdf) читать постранично, страница - 4

Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Курс лекций

7

ЛЕКЦИЯ 1
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.
Литература: [3, 5, 17].

1.1. Поверхность и её свойства
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, обладающем либо особым (по отношению
к объему или другим, очищаемым, участкам поверхности), либо иным
фазовым составом, коэффициент растворения в которых повышен.
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.

 Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Курс лекций

8

ЛЕКЦИЯ 1. РОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ В СОЗДАНИИ УСТРОЙСТВ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Поверхность и её свойства

M
Al
Si3N4

Д

П
YS

SiO2

EC
EF

Si

EV

а

б

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

Изучение всех 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, металлических (структуры «диэлектрик – полупроводник», «металл – диэлектрикполупроводник», «металл – полупроводник», рис. 1.1), а также полупроводники разной природы (тонкопленочные гетеропереходы). Кроме того, известна внутренняя поверхность полупроводников – граница бикристалла,
двумерных дислокаций (дефектов упаковки).
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 – доно-

 Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Курс лекций

9

ЛЕКЦИЯ 1. РОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ В СОЗДАНИИ УСТРОЙСТВ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Поверхность и её свойства

рами). 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.

1.2. Поверхностный потенциал
Параметр, характеризующий изгиб зон в полупроводнике на поверхности раздела «полупроводник – окисел», называется поверхностным потенциалом (на рис. 1.1 это Ys). Методы определения поверхностного потенциала
основаны на измерении ряда параметров поверхности, таких как поверхностная проводимость, поверхностная емкость и