Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 8
1.1. Электронная и атомная структура чистой поверхности полупроводниковых кристаллов - современная точка зрения и существующие проблемы 8
1.1.1. Кремний 8
1.1.2. Германий 22
1.1.3. Фосфид галлия 26
1.2. Метод спектроскопии поверхностной фото э.д.с. - высокочувствительный метод исследования поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводников 29
2. Методы и техника эксперимента 34
2.1. Свервысоковакуумная установка для исследования фотоэлектрических свойств чистой поверхности полупроводников 34
2.2. Приготовление образцов 39
2.3. Установка для исследования рельефа сколотой поверхности методом оптического отражения 43
2.4. Методики измерений работы выхода электрона, спектроскопии поверхностной фото-э.д.с. и фотопроводимости 48
3. Электронная струкіура сколотой поверхности (iii) кремния 61
3.1. Исследование рельефа сколотой поверхности (III) кремния методом оптическо-го отражения 61
3.2. Обратный фотовольтаический эффект на кремнии,околотом в вакууме 3 10" торр. с парциальным давлением В^О - 2-1Г9торр 65
3.3. Спектроскопия ПФЭДС чистой поверхности с (Ш) - 2x1 (Т=130 К) 71
4. Аномально большая пфэдс и модель поверхностного фотогальванического эффекта на чистой поверхности Sc. (Ш) - 2x1 84
4.1. Экспериментальные результаты 84
4.2. Обсуждение экспериментальных результатов 91
4.2.1. Введение 91
4.2.2. Аномально большая ПФЭДС,вызванная неоднородностью поверхности 94
4.2.3. Поверхностный фотогальванический эффект 95
4.3. Дополнительные эксперименты и их обсуждение 102
5. Электронная структура чистых поверхностей германия и фосфида галлия. сравнение со структурой /52(111) - 2x1 107
5.1. Спектроскопия ПФЭДС шстой поверхности е(ш)- 2x1 107
5.2. Электронная структура чистой поверхности Ga-P (НО) 114
5.3. Сравнение фотоэлектрических свойств чистых поверхностей кремния, германия и фосфида галлия 123
Выводы
- Метод спектроскопии поверхностной фото э.д.с. - высокочувствительный метод исследования поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводников
- Методики измерений работы выхода электрона, спектроскопии поверхностной фото-э.д.с. и фотопроводимости
- Спектроскопия ПФЭДС чистой поверхности с (Ш) - 2x1 (Т=130 К)
- Дополнительные эксперименты и их обсуждение
Введение к работе
Поверхность твердого тела превратилась в настоящее время в один из важных объектов физических исследований. Чистая поверхность представляет особое состояние конденсированного вещества, свойства которого существенно отличаются от объемных свойств твердых тел. Изучение физических свойств чистой поверхности является неотъемлемым этапом в понимании строения веществ в целом.
Несмотря на более чем двадцатилетнюю историю интенсивного экспериментального и теоретического исследования электронной и атомной структуры чистой поверхности полупроводников, данная проблема остается до конца не решенной.Получение новых экспериментальных сведений о фотоэлектрических свойствах чистой поверхности представляет интерес как с научной, так и с практической точек зрения. Уровень понимания электронных и оптических явлений на чистой поверхности полупроводников определяет сейчас дальнейший прогресс в таких областях как микроэлектроника, эмиссионная электроника, гетерогенный катализ и др.
Делью работы являлось изучение фундаментальных свойств чистых сколотых поверхностей кремния, германия и фосфида галлия - таких как термодинамическая работа выхода электрона, изгиб зон в приповерхностной области полупроводника, плотность и энергетическое расположение поверхностных состояний в запрещенной зоне, взаимодействие света с носителями зарядов на поверхностных состояниях (ПС), электронный обмен между поверхностью и объемом.
Научная новизна»
I. Обнаружен и изучен новый поверхностный фотоэлектрический эффект - возникновение аномально большой поверхностной фо-
то-э.д.с. (ПФЭДС) на чистой поверхности Sc (III) - 2x1, в несколько раз превышающей ширину объемной запрещенной зоны при оптическом межзонном (поверхностном) поглощении.
Впервые обнаружено значительное изменение работы выхода электрона (единицы вольт при Т = 90 К) на чистой поверхности Si (III) - 2x1 с понижением.температуры, начиная с Т = 120 К,
Для объяснения указанных выше экспериментальных результатов предложена модель поверхностного фотогальванического эффекта. Впервые проведена оценка проводимости по поверхностным состояниям при Т = 90 К.
Впервые на чистой поверхности Si (III) - 2x1 п-типа обнаружены отрицательные сигналы ПФЭДС и фотопроводимости в интервале энергий фотонов, соответственно, 0,36 эВ ^ /у < 0,72 эВ и 0,4 эВ < < 0,6 эВ.
Впервые изучены спектральная зависимость и кинетика ПФЭДС на чистой сколотой поверхности фосфида галлия и определены параметры ПС: энергетическое положение, концентрация, сечения захвата фотона и электрона.
Впервые прямым экспериментом по "спрямлению" энергетических зон светом определен изгиб зон на чистой поверхности (уСиР (ПО).
Впервые обнаружено отражение света в направлении [lI2] от сколотой поверхности (III) кремния. Предложена модель этой поверхности, в которой террасы, ограниченные моноатомными ступенями ІІ2,прерываются макроступенями 112 .
Впервые обнаружен обратный фотовольтаический эффект (увеличение первоначального изгиба зон) на кремнии, сколотом в
вакууме З-ІСГ^ торр.
Основные научные положения, выносимые на зашиту. I* Экспериментальные результаты по электронной структуре сколотой поверхности кремния.
Аномально большая поверхностная фото-э.д.с. и модель поверхностного фотогальваничбского эффекта на чистой поверхности Si (III) - 2x1 .
Экспериментальные результаты по электронной структуре чистой поверхности С-аР (ПО) .
Экспериментальные результаты по спектроскопии ШЭДС чистой поверхности Ge, (ш) - 2x1
Метод спектроскопии поверхностной фото э.д.с. - высокочувствительный метод исследования поверхностных состояний в запрещенной зоне полупроводников
В последние годы применение электронной, ионной и оптической спектроскопии позволило получить новые сведения об электронной структуре поверхностных состояний (ПС). Основная проблема оптической спектроскопии поверхности - слабая чувствительность [114J . Однако для полупроводников электрический фотоответ с высокой чувствительностью может быть измерен вместо измерения оптического отражения или поглощения. Одним из примеров электрического фотоответа может служить поверхностная фото-э.д.с. (ПФЭДС) - изменение поверхностного потенциала под действием освещения [115J . До недавнего времени (1971 г.) изучение ПФЭДС проводилось с использованием энергии фотонов света, превшнавдей ширину запрещенной зоны полупроводника и приводящей к генерации свободных носителей заряда [II6-II8]. Влияние ПС на ПФЭДС проявлялось через захват и рекомбинацию избыточных носителей заряда [115,119,120] . В 1971 г. Балестра, Лаговски и Гатос [121] предложили метод исследования ПФЭДС при облучении светом с энергией фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника. Віли обнаружены оптические переходы электронов с ПС в зону проводимости US [121] и из валентной зоны Сс1$ на ПС [122] . Последний переход вызывал обратный фотовольтаический эффект: увеличение первоначального изгиба зон при освещении. Анализ ПФЭДС как функции энергии падающего света [123] , а также кинетики нарастания и спада сигнала при включении и вык- лючений света [124,125] приводит к прямому определению энергетического положения и динамических параметров ПС, Существуют три метода измерения ПФЭДС [114] : 1. Контактная разность потенциалов (КРП) измеряется мето-дом Кельвина [127], а ее изменение (ПФЭДС) происходит за счет постоянного освещения. 2. Электрод Кельвина неподвижен, а модуляция изменения КРП осуществляется переменным освещением. 3. Переменное освещение модулирует ток электронного луча между электронной пушкой и полупроводниковой поверхностью [128]. Третий метод обладает самой высокой чувствительностью к изменению поверхностного потенциала I мкВ. К достоинству первых двух методов по отношению к третьему относится то, что они - бесконтактны и отсутствует зарядка поверхности для высокоомных образцов.
Кроме того, для больших времен релаксации (десятки и сотни секунд) измерение ПФЭДС возмож-но только первым методом. Остановимся подробнее на методе измерения КРП методом Кельвина. В классическом его варианте [127J эталонный электрод с известной работой выхода и поверхность исследуемого образца образуют плоский конденсатор емкостью С . При отсутствии внешнего напряжения заряд конденсатора: а - CLLAg (1.4) где UAS - контактная разность потенциалов. Если теперь приложена внешняя разность потенциалов Utто Изменение емкости конденсатора на величину л С приводит к изменению заряда: Если U подобрать таким образом, чтобы не было потока заряда при изменении емкости, т.е. чтобы & Q 0, то: Обычно для изменения емкости эталонный электрод делают вибрирующим [129J . При этом поток заряда принимает форму переменного тока. Анализ и усовершенствование метода Кельвина для измерения разностей работы выхода проведено в работе [I30J , Метод спектроскопии ПФЭДС нашел широкое применение не только при исследовании широкозонных полупроводников [123,131] , но и для узкозонных, таких как германий и кремний [96,22 -24] при низких температурах. К недостатку метода спектроскопии ПФЭДС по отношению к выявлению ПС нужно отнести возможное щявление дополнительного сигнала благодаря возбуждению глубоких примесей в области пространственного заряда [126,132] . Этот недостаток устраняется применением чистых полупроводников и использованием дополнительных методов исследования (например, фотопроводимости). Среди чистых поверхностей кремния к настоящему моменту только реконструированная структура Si (II0)-2xI считается понятой с точки зрения расположения атомов на этой поверхности (модель асимметричных димеров). длительное время принятая мо-дель Хайнемана ("приподнятые" и "опущенные" атомы) для структу-ры Si (111) 2x1 сейчас пересматривается и предпочтение во многих работах отдается новой цепочечной модели Пенди с 3" -"оборванными" связями поверхностных атомов. Установлено, что различие в электронной структуре для поверхностей Si (III) -7x7 и Si (ІІІ)-ІхІ мало, что обусловливается схожестью локальной геометрии химической связи поверхностных атомов, В настоящее время отдается предпочтение модели островковой структуры Si (III)-7x7, ограненной моноатомными ступенями ЇЇ2.
Однако экспериментальное свидетельство в пользу наличия ступеней ЇІ2 в исследованиях по электронной структуре Si (III) -7x7 отсутствуют. Метод спектроскопии поверхностной фото-э.д.с. : оказался очень полезным и информативным при исследовании ПС в запрещенной зоне полупроводников. На чистой сколотой поверхности кремния этим методом было проведено изучение ПС в нескольких работах, иопольззгющих различные методики и приводящих к отличающимся результатам. Однако ряд вопросов остались открытыми: 1. Отсутствуют спектральные зависимости ПФЭДС для кремния р и п-типа при использовании метода Кельвина с модулированным освещением. 2. Не известен спектр ПФЭДС для кремния п-типа при использовании метода Кельвина с вибрирующим электродом. 3. Необходимость тщательного изучения сигнала ПФЭДС в области энергий фотонов / ) 0,45 эВ, связанного с межзонным (поверхностным) оптическим переходом. На чистой сколотой поверхности германия р-типа не было получено информации о ПС при измерении спектра ПФЭДС (метод Кельвина с модуляцией освещением, экспериментальные данные только одной работы). Представляется целесообразным исследовать спектр ПФЭДС методом Кельвина с вибрирущим электродом с использованием как р- так и п-типа германия. Поверхность 2./ (110) является, по-видимому, единственной среди соединений А3В5 , содержащей зону незаполненных поверхностных состояний, перекрывающуюся с запрещенной зоной. Целесообразно применить метод спектроскопии ПФЭДС для исследования ПС на этой поверхности.
Методики измерений работы выхода электрона, спектроскопии поверхностной фото-э.д.с. и фотопроводимости
Измерение работы выхода электрона (РВЭ) осуществлялось методом Кельвина в варианте, предложенным Зисманом [1293 . Елок -схема данного измерения приведена на рис. 2.9. При модуляции эталонного электрода модулируется емкость меяду образцом и эталонным электродом. Если внешняя контактная разность потенциалов между эталонным электродом и образцом отлична от нуля, то модуляция емкости приводила к появлению переменного тока во внешней пени. .0 высокоомной нагрузки переменный сигнал напряжения поступал на предварительный усилитель и затем на узкополосный усилитель В6-4. Усиленный сигнал далее следовал на основной вход синхронного детектора В2-9. С генератора ГЗ-І09 на опорный вход детектора поступал синхронизирующий сигнал, предварительно усиленный усилителем В6-2, и параллельно подавалось напряжение на вибратор. Вибратор приводил в движение эталонный электрод. С синхронного детектора В2-9 постоянный сигнал следовал на самописец КСП-4. Для того чтобы узнать величину контактной разницы потенциалов между эталонным электродом и образцом, на последний подавалось напряжение смещения такое, чтобы выходной сигнал обратился в ноль. Величина напряжения компенсации и служила мерой контактной разности потенциалов. Зная работу выхода электрона эталонного электрода, можно определить работу выхода исследуемого образца. РВЭ эталонного электрода была откалибрована по измерению контактной разности потенциалов относительно чистой сколотой поверхности кремния. Работа выхода для такой поверхности взята из общепризнанных результатов Аллена и Гобели [5J , подтвержденных во многих последующих измерениях (см.литературный обзор).Предварительный усилитель служил для согласования высоко-омной нагрузки ( &н = 100 м ) с низкоомным входом усилителя. В качестве предварительного усилителя (рис. 2.10) выбран эмит-терный повторитель на полевом транзисторе КП-І02. Коэффициент усиления ПУ по напряжению I, коэффициент усиления по току З Ю . Сопротивление & = 100 М служило в качестве обратной связи для уменьшения входной емкости Свх и увеличения входного сопротивления. Полевой транзистор КП-І02 был выбран как малошумящий (фактор шума 3 дб). Напряжение питания ПУ составляло 20-40 В и выбиралось для каждого конкретного транзистора таким образом, чтобы нагрузочная характеристика проходила через пологий участок вольтамперной характеристики транзистора J-f (Уж).
Питание ПУ осуществлялось высокостабилизированным источником БП-30. Для устранения шумов высокоомная нагрузка и ПУ смонтированы в железном корпусе (армко, толщина стенок 7мм), который непосредственно сообщается с фланцем вакуумной камеры (нежестко). Благодаря этому отсутствовал соединительный экранированный кабель между вводами фланца и ПУ, что уменьшало входную емкость и повышало чувствительность электрической схемы. Нежесткое крепление ПУ на фланце вакуумной камеры необходимо для предотвращения микрофонного эффекта при вибрации эталонного электрода. Чувствительность приведенной схемы (при исполь-зуемых размерах эталонного электрода) составляла 0,5 мВ, точность измерения + 20 мВ.Вибратор состоял из постоянного магнита и катушки, надетой на гибкое основание. При подаче переменного напряжения определенной частоты со звукового генератора ГЗ-І09 на катушку она начинала колебаться с той же частотой, приводя в движение гибкое основание. Весь вибратор жестко связан с железным корпусом, внутрь которого он помещен для подавления производимых им шумов. Этот корпус, в свою очередь, приворачивался к подвижному рычагу (рис. 2.II), передающему механические колебания че-рез сильфон к эталонному электроду. Эталонный электрод представлял собой сетку, натянутую на тонкое медное кольцо. Результаты экспериментов не зависели от материала электрода (медь, золото). Диаметр электрода состав-ляп 2 мм, прозрачность - 70$. Этот электрод посредством никелевой полоски прикреплялся к жесткой полоске из нержавеющей стали (ширина 1мм, толщина 0,1 мм и длина 20 мм), верхний конец которой был жестко зажат между двумя плоскими пластинками из нержавеющей стали и поликорундовой прокладкой. Таким образом, нижний конец этой конструкции колебался в горизонтальном направлении, причем частота колебаний зависела от длины полоски из нержавеющей стали. Собственная частота эталонного электрода составляла 180 Гц.
Вся эта конструкция через поликорундовую пластину и пластину 3 присоединялась к сильфону. На конце рычага был установлен микрометрический винт, посредством которого плавно подводился эталонный электрод к исследуемому образцу. Кроме горизонтального перемещения эталонного электрода в направлении к исследуемому образцу, имелась также возможность его смещения в двух других направлениях посредством четырех винтов, воздействующих на положение сильфона. Таким образом, в данной работе использовался резонансный метод колебаний эталонного электрода. При этом частота колебаний выбиралась такой, чтобы в движение приходил только эталонный электрод (для того чтобы исключить паразитные сигналы). С этой же целью подводимая мощность должна быть как можно меньше. При этом масса резонирующей системы должна быть малой, чтобы обеспечить необходимую амплитуду колебаний эталонного электрода. Данная схема измерения работы выхода электрона применялась и для измерения поверхностной фото-э.д.с. (ПФЭДС) ( метод с вибрирующим электродом). Эталонный электрод сделан в виде прозрачной сетки не только из-за уменьшения массы, но и для того чтобы имелась возможность освещать через него исследуемый образец. Оптическая схема для исследования фотоэлектрических свойств чистой поверхности приведена на рис. 2.12. Свет от вольфрамовой лампы (Т = 2800 К) проходил через монохроматор СДІЇ-І (рабочая область длин волн 0,2 мк nv 6 мк), оптический вакуумный ввод (сапфир) и далее фокусировался сапфировой линзой на эталонный и исследуемый образцы. Свет, попадая на образец (полупроводник), изменял изгиб зон в приповерхностной области и тем самым контактную разность потенциалов между эталонным электродом и исследуемым образцом.
Спектроскопия ПФЭДС чистой поверхности с (Ш) - 2x1 (Т=130 К)
Данное исследование было проведено на кремнии р- и п-типа с использованием двух методик измерения ПФЭДС (с вибрирующим электродом и с модуляцией освещением). Первая методика (модуляция освещением с / = 40 Гц). Спектральная зависимость ПФЭДС для кремния р-типа (рис. 3.8а) содержит две характерные области энергий фотонов: 0,55 эВ кд Ef и kv E . Сигнал ПФЭДС в первой области энергий для чистой поверхности значительно превосходит значение ПФЭДС для окисленной поверхности, В области энергий фотонов hi?Ea оба сигнала совпадают. Во всем спектральном диапазоне наблюдается отрищтельный знак сигнала ПФЭДС (знак сигнала при Ш?Е$ был измерен методом Кельвина с вибрирующим электродом; при измерении первой методикой наблюдалось малое изменение фазы во всем спектральном диапазоне). Для кремния п-типа (рис. 3.86) знак сигнала ПФЭДС во всем спектральном диапазоне - положительный. Пороговое значение сигнала ПФЭДС для чистой поверхности, превосходящего сигнал для окисленной поверхности, составляет 0,8 эВ. В области энергий (Шр фотонов сигналы ПФЭДС для чистой и окисленной поверхности совпадают. Используя литературные данные (см.литературный обзор) по положению уровня Ферми на сколотой поверхности кремния, а также расчетные положения уровня Ферми в объеме для исследуемых образцов, построены зонные диаграммы чистых поверхностей /& р- и п-типа (рис. 3,9), Знак сигнала ПФЭДС для энергий фотонов hv E$ свидетельствует о преобладающем вкладе в ПФЭДС барьерного механизма как для кремния р-типа, так и для кремния п-типа (изгиб зон равен, соответственно, 0,25 эВ и 0,6 эВ). Различие спектральных характеристик ПФЭДС чистой и окисленной поверхностей свидетельствует в пользу того, что эта разница обусловлена существованием оптических переходов электронов между поверхностью и объемом. Из знака сигнала ПФЭДС для кремния р-типа и его порогового значения для чистой поверхности можно сделать заключение, что этот сигнал обусловлен оптическим переходом электронов из объемной валентной зоны (ОВЗ) в зону незаполненных ПС, дно которой расположено на 0,55 эВ выше потолка ОВЗ.
Для кремния п-типа сигнал ШЭДС чистой поверхности обусловлен оптическим переходом электронов из зоны заполненных ПС в объемную зону проводимости. Потолок ЗЗПС расположен на 0,8 эВ ниже дна зоны проводимости. Сопоставление полученных экспериментальных данных и величины ширины объемной запрещенной зоны приводит к выводу о величине запрещенной щели между зонами ПС 0,21 Дяизкие результаты были получены Клейбесом и Зенпдером 122] при измерении ШЭДС электронно-лучевой техникой. Они обратили внимание на связь знака сигнала ШЭДС с типом проводимости для кремния р-типа и связали этот факт с действием электрического поля на поверхности, препятствувдего разделению неравновесных неосновных носителей заряда. В работе [23] была получена формула для вклада в ПФЭДС различных оптических переходов в пределе, когда время жизни неосновных носителей заряда равно нулю: где G-V t f -»c) - скорость оптической генерации электронов из ОВЗ (с ПС) на ПС (в зону проводимости), П/ (Гс ) - коэф-фициент рекомбинации между ПС и ОВЗ (между ОЗП и ПС). Проведенный нами анализ показывает, что для реально наблюдаемых величин для времени жизни неравновесных носителей заряда и коэффициентов рекомбинации f23j для кремния р-типа формула (3.6) не изменяется. Для кремния д-типа формула (3.6) несколь-ко видоизменяется (заметим, что в работе Г233 допущена неточ-ность: в выражении для Cz - (l+ ґс /bso Д0 ) (Ър/Za) вместо %[ должен стоять &J: где UL& (EF-L)/KT - объемный электростатический потенциал. Таким образом, отношение вкладов двух типов оптических переходов несколько уменьшается (множитель e.fp(U&/z-iPkf] по сравнению с ъур ( &ft$) [231). Вторая методика измерения ШЭДС (с вибрирующим электро-дом). В спектральной зависимости ПФЭДО (рис. 3.10а) кремния р-типа проявляется новый положительный сигнал в области энергий фотонов 0,4 эВ hv 0,5 эВ (по сравнению с первой методикой). Величина максимума ПФЭДО составляет 0,25 эВ при энергии фотонов л77дх.= t45 эВ» ДРИ экспозиции в кислороде Ю 3 торр,- мин. отрипательный сигнал остается таким же как и для случая чистой поверхности, а положительный сигнал исчезает. В спектральной зависимости ПФЭДС Si п-типа (рис.3.106) в области энергий фотоной 0,43 эВ 0,60 эВ впер- вые обнаружен отрипательный сигнал ШЭДС, который достигает максимума при п та . = 0,45 эВ, Результаты эксперимента для Si р и п-типа свидетельствуют о зависимости знака ШЭДС от типа проводимости.
Можно предположить следующий механизм возникновения ШЭДС в области к) 0,45 эВ. Сигнал ШЭДС связан с переходом электронов из ЗЗПС в ЗШС (рис. З.П). В результате в зонах ПС возникают неравновесные носители: в ЗЗПС - дырки Лрй , а в ЗШІС - электроны мъ±. Сигнал ПФЭДС обусловлен обменом заряда меаду поверхностью и объемом. Анализируя возможные пути рекомбинационного обмена, мы сделали следующие предположения: I - основной рекомбинационный путь для ДЛ-- обмен с дырками ОВЗ (скорость рекомбинации ., ); для лрА - обмен с электронами ОЗП (скорость рекомбинации Uc t); в обоих случаях терми-ческой генерацией носителей заряда пренебрегаем; 2 - обменом между ОВЗ и ЗЗПС, а также обменом между ЗШС и ОЗП пренебрегаем; 3 -А/1 л/ й; 4 - справедливо условие квазиравновесия в области пространственного заряда (ОПЗ) (квазиуровни Ферми для электронов и дырок в слое ОПЗ постоянны); 5 - Al}$ &I , где Ai s - ПФЭДС в единицах кТ/е , к - постоянная Больцмана, Т - температура, е - заряд электрона.
Дополнительные эксперименты и их обсуждение
Для проверки указанных выше результатов необходимо было провести измерение характеристик приповерхностной области при облучении tf- 0,45 эВ другими методами. Спектроскопия поверхностной фотопроводимости (ФП) может существенно дополнить эк-спериментальные данные по ПФЭДС. Спектр ФП для чистой поверхности кремния (рис. 4.II) так- же содержит два интервала энергии фотонов, отличающихся знаком. .Для Si р-типа (рис. 4.П6) области положительной ПФЭДС соответствует отрицательная ФП, а отрицательной ПФЭДС - положительная ФП. Для п-типа (рис. 4.II а) области энергий фотонов, в которой наблюдается отрипательная ФП несколько уже, чем соответствующая ей область отрицательной ПФЭДС, а именно занимает интервал 0,4 аВ 0,6 эВ. Относительная отрицательная ФП 100$ (где да - полная проводимость) достигает мак-симума при М/пах. = 0»45 эВ и составляет 0,6 % для Si п-типа и 0,8 % для Si р-типа. При "окислении" чистой поверхности отрицательная ФП исчезает. Данные результаты подтверждают объяснения, указанные в п.4.2.3. Если до освещения область пространственного заряда (ОПЗ) для Si ті ж р-типа представляла обедненный слой, то пос-ле освещения ( hd 0,45 эВ) первоначальный изгиб зон увели-чивается и область обеднения расширяется (рис. 4.7). Инверсион-ный слой не образуется из-за низкой скорости генерации неосновных носителей заряда вследствие низкой температуры, а также в связи с рекомбинацией этих носителей о неравновесными носителями заряда одной из зон на поверхности: для Si п-типа - ЗНПС, для Si р-типа - ЗЗПС. Отсутствие инверсионного слоя было непосредственно проверено измерением ФП на образцах с выпрямляющими контактами (омическими для противоположного типа проводимости). Расширение слоя вызывает уменьшение полной проводимости, другими словами, приводит к отрицательной ФП.
Однако из простого расчета, использующего теорию для барьера Шоттки, следует, что для наблюдаемых изгибов зон относительная отрицательная ФП должна составлять 1,2 %, Несоответствие с экспериментальными результатами может быть обусловлено пренебрежением в слое ОПЗ концентрациями ионизированных глубоких примесных уровней или же неравновесных неосновных носителей заряда. Более узкий интервал энергий фотонов отрицательной ФЇЇ для Sc п-типа по сравнению с интервалом энергий фотонов отрицательной ПФЭДС связан с переходом электронов из QB3 в ЗШС ( /)У/ о/ . = 0,55 эВ), не приводящим к изменению ПФЭДС в силу того, что неравновесные носители заряда не разделяются электрическим полем (см.гл. 3), но увеличивающим положительную ФЩ Для проверки влияния фоновой засветки (п.4.2.3) в камеру рядом с образцом устанавливалась нихромовая проволочка. При повышении ее температуры на 50С (температура определялась по из-менению сопротивления) на образцах St р и п-типа, сколотых в сверхвысоком вакууме, наблюдалось изменение КРП. Эти экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изменение РВЭ на образцах Si р и п-типа с понижением температуры, действительно, обусловлено влиянием фоновой засветки. 1. Проведено исследование спектральных зависимостей по верхностной фото-э.д.с. (ПФЭДС) и фотопроводимости (ФП) чистой поверхности St (ПІ)-2ХІ р- и п-типа (соответственно, f = = 2000 Ом-см и 750 0м-см), полученной сколом в сверхвысоком вакууме 5 ІО торр., в температурном интервале 90 + 300 К. Впервые обнаружены на кремнии п-типа отрицательные сигналы ПФЭДС и ФП в интервалах энергий фотонов, соответственно, 0,36 эВ / $ 0,72 эВ и 0,4 эВ h-i 0,6 эВ. При низких температурах (Т = 90К) обнаружен новый поверхностный фото-электрический эффект - возникновение аномально большой ПФЭДС, в несколько раз превышающей ширину объемной запрещенной зоны при межзонном (поверхностном) оптическом поглощении ( / 0,45эВ)# 2. Установлено, что термодинамическая работа выхода электрона (РВЭ) чистой поверхности Si (ill)-2x1 р- и п-типа прак-тически не изменяется в температурном интервале 300 120 К, что подтверждает модель закрепления уровня Ферми. При понижении температуры от 120 К до 90 К впервые обнаружено значительное изменение РВЭ (единицы вольт), причем для Si- р-типа работа вы-хода уменьшается, становится даже "отрицательной", а для $с п-типа увеличивается. 3. Предложен механизм образования аномально большой ПФЭДС и изменения РВЭ через модель поверхностного фотогальванического эффекта (ПФГЭ). Модель основана на появлении фототока по поверхностным состояниям (ПС) вдоль полярного направления [П2]([П2]) плоскости (III) при оптических переходах электронов между двумя зонами ПС "оборванных" связей кремния.
Впервые проведена оценка проводимости по ПС при Т = 90 К . На рис, 5,1 а приведена спектральная зависимость ПФЭДС (метод Кельвина с вибрирующим электродом) для германия р-типа, сколотого в сверхвысоком вакууме при температуре 100 К [145] Отметим три характерные области энергий фотонов, в которых происходит резкое изменение сигнала ПФЭДС; 0,55 эВ М 0,7 эВ, /4 У 0,7 эВ и / -0,8 эВ. Знак сигнала во всем спектральном диапазоне энергий фотонов - отрицательный. При экспозиции в кис-лороде до 10 торр,- мин. наблюдается увеличение сигнала в обоих интервалах энергий фотонов. Величина работы выхода чистой поверхности германия составляет 4,82 эВ. Во всем температурном диапазоне 300 К 100 К работа выхода остается практически постоянной. Спектральная зависимость ПФЭДС германия п-типа представлена на рис, 5.16. Сигнал ПФЭДС существует только при энергиях фотонов (в отличие от германия р-типа). При экспозиции в кислороде 10 3торр,- мин. величина сигнала ПФЭДС при hy Ey уменьшается. В отличие от германия р-типа, знак сигнала ПФЭДС для германия п-типа - положительный. Величина работы выхода чистой поверхности германия п-типа составила 4,82 эВ, т.е. такая же как для германия р-типа, с точностью + 0,04 эВ. С той же точностью она остается неизменной в температурном интервале 300 К 100 К.
