2.4.2. Влияние поверхностных состояний на электрические свойства гетеропереходов

Существование на границе раздела гетероперехода большого количества электрически активных состояний вызывает следующие эффекты.

1. Под влиянием заряда, содержащегося в этих состояниях, зона проводимости на границе раздела поднимается или опускается по отношению к уровню Ферми, соответствующему состоянию равновесия, что приводит к изменению энергетической зонной диаграммы. Значение поверхностной плотности этого заряда можно измерить емкостными методами.

2. Энергетические состояния образуют большое количество рекомбинационных центров, существованием которых объясняются большие значения Рекомбинационные характеристики поверхностных состояний можно описать количественно с помощью эффективной скорости рекомбинации

Рис. 2.22. Энергетическая зонная диаграмма изотопного гетероперехода иллюстрирующая влияние заряженных состояний на границе раздела (степень несоответствия параметров кристаллических решеток 3,8%) [Van Ruyven е. а., 1965] носителей заряда на поверхности раздела. Для простых структур значение определяют исходя из модели Шокли-Рида [Many е. а., 1971].

Полагают, что при изменениях облученности и напряжения смещения меняются как так и

Во многих случаях вследствие очень высокой плотности заряженных состояний, которым отвечает определенный уровень энергии на поверхности, уровень Ферми занимает строго фиксированное положение, соответствующее этой энергии. Данный эффект, ранее наблюдавшийся на дислокациях и границах зерен, иногда вызывал даже инверсию тина проводимости и образование -структуры на границах зерен в [Weinreich е. а., 1960]. Значительная часть монографии [Matere, 1971] посвящена рассмотрению этих явлений в бикристаллах

Наиболее убедительное подтверждение наличия фиксированного уровня Ферми было получено при исследовании изотипных гетеропереходов [Van Opdrop, Vrakking, 1967], Ge -GaP [Van Ruyven e. a., 1965; Van Ruyven, 1964] и Ge-Si [Donnelly, Milnes, 1966]. Анализ измеренных вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик с учетом того обстоятельства, что при изменениях длины волны света фототок несколько раз меняет направление, позволил построить [Van Ruyven е. а., 1965] зонную диаграмму гетероперехода (рис. 2.22), согласно которой вследствие фиксированного положения уровня Ферми в области границы раздела энергетические зоны изгибаются вверх и в результате увеличивается высота пика, представляющего собой барьер, который служит препятствием для перемещения электронов в зоне проводимости.

Эффект фиксации уровня Ферми в определенном положении для свободных поверхностей и изотипных гетеропереходов изучен довольно подробно в отличие от анизотипных гетеропереходов, где он проявляется значительно слабее. В последнем случае следствия этого эффекта могут быть совершенно иными, поскольку свойства состояний, обусловливающих фиксированное положение уровня Ферми, существенно отличаются от их свойств на свободной поверхности в зависимости от типа основных носителей (обычно это состояния акцепторного типа в электронных полупроводниках и донорного типа в дырочных материалах), при этом возможна частичная нейтрализация заряда. Существует, однако, и другое мнение [Van Ruyven, 1964], согласно которому уровни Ферми сохраняют свое фиксированное положение на каждой из двух соединяемых поверхностей, что приводит к образованию диполей на границе раздела.

Пространственное распределение состояний по энергиям и на свободных поверхностях подробно изучено. Были исследованы аналогичные

свойства на границах зерен и дислокациях, а также (хотя и менее глубоко) на поверхностях раздела изотипных переходов. Однако определить параметры энергетических состояний в анизотипных переходах намного сложнее, и к тому же получаемые результаты существенно зависят от выбора модели гетероперехода. В обедненном слое, прилегающем к границе раздела, их распределение по энергиям исследуют методом емкостной спектроскопии глубоких уровней в сочетании с термо- и фотовозбуждением. Имеется обзор работ [Miller е. а., 1977] по методам измерений параметров энергетических состояний. Кроме того, проведено сопоставление [Sah, 1977] термо- и фотостимулированных емкостных методов измерений. К сожалению, чувствительность этих методов снижается при зондировании областей, находящихся вблизи границы раздела, поэтому распределение состояний можно измерить лишь при наличии диэлектрического слоя.

Анализ вольт-фарадных характеристик позволяет получить существенно более полную информацию об энергетических уровнях, плотности и сечениях захвата состояний на границе раздела, определяемых обычно из результатов оптических и температурных измерений. Экстраполяция кривой, характеризующей зависимость от V к позволяет определить диффузионный потенциал, который изменяется под влиянием сосредоточенного на границе раздела заряда плотностью и напряжения на переходе Ф, обусловленного диполями. Рассмотрим гетеропереход, в состав которого входят полупроводники -типа с концентрацией акцепторов -типа с концентрацией доноров При введении промежуточного слоя толщиной с концентрацией доноров новое, изменившееся значение диффузионного потенциала

где - диффузионный потенциал при отсутствии промежуточного слоя. При нулевой толщине этого слоя плотность поверхностного заряда равна при условии, что . В этом случае уравнение (2.45) принимает вид

Таким образом, при наличии тонкого промежуточного слоя можно представить, что все состояния вблизи поверхности раздела находятся непосредственно на этой поверхности, и при отсутствии дополнительной информации трудно (или даже невозможно) различить поверхностные заряженные состояния и диполи. Измеряя частотные характеристики гетероперехода или зависимость степени заполнения состояний на границе раздела от напряжения смещения, можно отделить зависящую от времени составляющую обусловливающую ее изменения, связанные с населенностью состояний, от независящей, определяемой разрывом зоны проводимости АЕС. Эти вопросы обсуждались [Donnelly, Milnes, 1967]. Для нахождения плотности состояний на границе раздела в диоде Шоттки на основе [Borrego е. а., 1977] рассматривались совместно данные по вольт-амперным и вольт-фарадным характеристикам.

При изучении процесса рекомбинации на поверхностных состояниях также существуют трудности в измерении их пространственного распределения. Для того чтобы выявить роль туннелирования носителей в рекомбинационном процессе, эти измерения следует осуществлять с разрешением 2—5 нм. Кроме того, было бы желательно изучить раздельно рекомбинацию носителей в области, близкой к границе раздела (в пределах около 10 нм), обусловленную дислокациями (образующимися из-за несоответствия параметров решеток), взаимной диффузией компонентов и другими объемными эффектами, и в тонкой области (содержащей 2—5 атомных слоев) непосредственно у границы раздела, вызванную наличием электрически активных ненасыщенных связей и оксидного слоя, образованием сложного химического соединения и т. п. В большинстве случаев совместный эффект двух видов рекомбинационных процессов характеризуют эффективной скоростью поверхностной рекомбинации

Ниже перечислен ряд экспериментальных методов определения скорости рекомбинации на границе раздела.

1. Определение потерь фототока. Для нахождения эффективного значения используют соотношение, которое устанавливает взаимосвязь между и напряженностью поля в переходе. Получаемые результаты могут в некоторой степени зависеть от выбора модели.

2. Рекомбинация в двойных гетероструктурах. Приближенные значения можно получить, изучая инетику рекомбинации в тонком центральном слое структуры или Во второй структуре плотность рекомбинационного тока в центральном слое -типа проводимости приблизительно равна где W — толщина промежуточного слоя; U — скорость рекомбинации в его объеме. Время жизни носителей заряда в слое полупроводника может быть измерено различными методами, в том числе по продолжительности затухания электролюминесценции [Ettenberg, Olsen, 1977; Ettenberg, Kressel, 1976] и фотолюминесценции [Nelson, 1978], по релаксации тока, возбуждаемого импульсным лазерным излучением (в первой структуре, где ) и по продолжительности восстановления тока после подачи импульса обратного напряжения смещения [Dean, Nuese, 1971].

3. Анализ зависимости от V. Изучая вольт-фарадные характеристики [уравнение (2.46)] при изменениях температуры или облученности и длины волны света, можно определить энергию, плотность, термическое и оптическое сечения захвата состояний, а затем использовать их для описания процесса рекомбинации (однако для этого также необходима очень подробная информация о структуре перехода и объемных свойствах материалов). Измерения указанных параметров были выполнены для МОП-структур на основе -типов [Schulz, Johnson, 1977] и [Stannard, 1979] с помощью данного метода, а также емкостной спектроскопии глубоких уровней. Аналогичных измерений для анизо-типных гетеропереходов, по-видимому, не проводилось.

4. Метод поверхностной фото-ЭДС. Данные о рекомбинационных потерях носителей заряда у интересующей нас поверхности полупроводника

(в узкозонном материале, входящем в состав гетероперехода) можно получить, исследуя затухание фото-ЭДС на свободной поверхности (1.6.3) или напряжения холостого хода в гетеропереходе (1.6.6). Рекомбинационный ток в общем случае может быть представлен в виде суммы для нахождения же требуется тщательный анализ, особенно при необходимости сравнения значений в идентичных приборах.

Измеренные или рассчитанные по результатам измерений значения заключены в диапазоне примерно от (когда они оказывают несущественное влияние на протекание тока) до более чем при условии, что вся эквивалентная атомная плоскость кристаллической решетки электрически активна, а протекание тока через переход обусловлено рекомбинацией на границе раздела.