Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
поверхности этих полупроводников. Модельные расчеты таких структур, когда
в ячейке содержится 49 атомов и одна разорванная связь, весьма трудоемки
и требуют многих дополнительных предположений. Достаточно
непротиворечивые теоретические модели таких сверхструктур пока еще не
созданы.
Заметим, что часто ПЭС на атомарно-чистой поверхности Si(lll)
отождествляют только с шоклиевскими состояниями (разорванными связями) и
сопоставляют данные электронной спектроскопии (несущей информацию о всех
ПЭС) с данными ЭПР от парамагнитных незаполненных спиновых центров А.
Однако явная корреляция между этими группами состояний отсутствует. Мы
неоднократно подчеркивали, что парамагнитные состояния составляют лишь
незначительную часть всех ПЭС, которые определяют электрофизические
параметры поверхности. Обе группы состояний обладают разными
зависимостями заселенности от температуры.
Атомарно-чистые поверхности полупроводниковых соединений изучены гораздо
меньше. Наибольшее внимание уделялось соединениям АШВУ (в особенности
GaAs), которые представляют значительный интерес для опто- и
микроэлектроники.
Кристаллическая структура материалов AIHBV - типа цинковой обманки - по
существу такая же, как полупроводников IV группы, с той только разницей,
что элементы кристаллической решетки АИ1ВУ - тетраэдры - составлены из
атомов двух типов. Каждый атом А111 окружен четырьмя ближайшими соседями
- атомами Bv, и наоборот. Из четырех ковалентных связей атома А111 или Bv
одна является координационной - она образуется за счет неподелен-ной пары
электронов атома Bv. Ввиду того, что электроотрицательность элементов V
группы больше, чем металлов III группы, электронные оболочки несколько
смещены к атомам Bv, поэтому связь в AIHBV носит частично ионный характер
[(А111)+6 (Bv)'8, где 5 << 1].
Обычно при исследовании атомарно-чистых поверхностей соединений AmBv
предпочтение отдается грани естественного скола кристалла (110). На ней в
равных количествах присутствуют атомы А111 и Bv. Данные ДМЭ указывают,
что на этой грани отсутствует ре-
Рис.5.10. Закрепление уровня Ферми на атомарно-чистой поверхности п-Ge
(а), р-Ge (б) и л-Si (в). Заштрихованы заполненные ПЭС
172
Глава 5
конструкция (период решетки вдоль поверхности такой же, как в объеме),
структура таких поверхностей обозначается символом 1x1. Однако атомы А111
и Bv в верхнем кристаллическом слое смешаются в разные стороны от
геометрической поверхности - А111 в сторону объема, a Bv - в сторону
вакуума (релаксация поверхности). Достигается это почти исключительно за
счет поворота верхней связи Ain-Bv на некоторый угол при сохранении длин
связей.
Теоретические расчеты энергетического спектра поверхности (110) АШВУ
указывают на то, что на идеальной поверхности должны существовать ПЭС,
энергетические
уровни которых частично попадают в запрещенную зону объемных состояний -
см. рис.5.11. Релаксация поверхности приводит к смешению зон ПЭС к краям
запрещенной зоны, так что зависимости интегральной плотности ПЭС от
энергии накладываются на разрешенные энергетические зоны в объеме. Этот
вывод теории подтверждается многочисленными экспериментальными
исследованиями атомарно-чистых поверхностей (110) соединений AMIBV.
Наибольший интерес с точки зрения практических приложений представляет
поверхность GaAs (100) - на базе этой поверхности изготавливают, в
частности, гетеропереходы GaAs-AlGaAs. В направлениях [100] и [111]
кристаллы АШВУ представляют собой последовательность чередующихся
монослоев элементов А111 и Bv. При идеальном делении кристалла по
плоскостям (100) или (111) одна половина кристалла должна заканчиваться
атомами А111, а другая - Bv. Поскольку связи в соединениях AinBv частично
ионные, поверхности (100) и (111) являются полярными. Информация об их
электронной структуре, а также об атомном строении, значительно более
скудная, чем о поверхности (110). Исследования полярных граней соединений
AmBv, как экспериментальные, так и теоретические, осложняются отсутствием
надежных методов управления стехиометрией таких поверхностей. Отношение
концентраций атомов А111 и Bv на полярных поверхностях может изменяться в
очень широких пределах,
к р >
Рис.5.11. Результаты теоретических расчетов (сплошные и пунктирные линии)
и экспериментальных исследований (точки) энергетического спектра ПЭС на
поверхности (110) InP. Пунктир - идеальная, сплошные линии -
релаксированная поверхность. Заштрихованные области соответствуют
разрешенным состояниям в объеме, б. Поверхностная зона Бриллюэна [21]
Природа атомарно-чистых поверхностей твердого тела
173
при этом происходят разнообразные структурные перестройки поверхностного
слоя кристалла.
Еще в меньшей степени изучены атомарно-чистые поверхности
полупроводниковых соединений AnBVI и AIVBVI. Немногочисленные
экспериментальные данные свидетельствуют в пользу того, что для таких
материалов, как CdTe, ZnSe, ZnO, PbS, как и для соединений АШВУ,
