Поверхностная реком­би­­нация

Тонкий при­по­верх­но­с­тный слой полу­­про­вод­ни­ка содержит структурные на­ру­шения кристал­ли­­­­­ческой решетки и ад­сорбированные ато­мы. Эти дефекты со­з­да­ют вблизи середины за­пре­щен­ной зо­ны полупроводника по­­ве­рх­но­­­­стные уровни или по­верх­ностные состояния с поверхностной пло­­­­тностью 10^12... 10¹⁶ м^-2. Поверхностные уро­в­ни являются эф­фе­­­­к­тивными цен­т­ра­ми рекомбинации носителей за­­ряда в пле­­­ноч­­ных структурах при низ­кой концентрации объ­е­м­ных цен­т­ров ре­ко­­м­бинации. Сво­бо­д­ная поверхность кристалла та­к­­же является стру­­ктурным де­фек­том. Академик И. Е. Тамм в 1932 г. по­казал, что об­­рыв кри­ста­л­ли­чес­кой решетки на по­верх­ности при­водит к поя­влению в за­пре­щен­ной зоне по­лу­про­водника раз­ре­шенных дис­кретных уровней для электро­нов, рас­по­­ложенных в не­пос­ре­д­ст­венной бли­зос­ти от по­верх­но­с­ти крис­талла. При этом по­­верх­но­стные атомы по­лу­про­вод­ника ве­дут себя как типичные ак­­це­п­то­ры, которым в запре­щен­ной зоне со­ответствуют ак­це­п­то­р­­­ные уро­вни. Вид энерге­ти­чес­кой зонной диаграммы по­лу­про­во­­д­ни­ка вблизи по­верх­ности представлен на рис. 2.12, а.

В реальных условиях поверхностные свойства полу­про­во­д­ни­ков определяются поверхностными состояниями, соз­дан­ными, гла­­­­­­в­­ным образом, адсорбированными на по­верхность атомами или молекулами из окружающей сре­ды (ато­мами кислорода, мо­ле­­­­кулами воды). Например, на по­вер­х­но­сти германия ки­с­лород соз­дает акцепторные уровни, а вода - до­нор­ные. Ак­це­п­­­торные уровни зах­ватывают электроны и заряжают по­верх­ность полу­про­­вод­ни­ка отрицательно, сообщая ей поверхностный по­тенциал -j_s.

Если уровни ад­со­р­бе­нтов яв­­ляются до­но­р­ны­ми, то доноры, от­давая электроны кри­с­тал­лу, заряжают по­верх­ность полу­про­вод­ника положительно до зна­чения по­ве­рх­но­ст­ного потенциала +j_s. В результате возникает внутреннее эле­к­т­ри­чес­кое поле Е, а в при­­по­верх­ност­ном слое полу­про­во­д­ни­ка глу­би­ной d происходит из­­гиб границ энергетических зон, приводящий к появлению в при­­поверхностной области положительного или отрица­тель­но­го объ­емного заряда, как по­­казано на рис. 2.12, б и в, для слу­чая при­по­­верхностных ак­­цеп­то­р­ных и донор­ных уро­в­ней.

Вследствие диффузии и дрейфа в при­по­вер­х­­ностном элек­т­рическом поле Е существует на­п­ра­вленный к по­­вер­х­­ности по­ток но­­сителей заряда, ре­ком­би­ни­ру­ющих на при­по­­верх­но­с­т­ных цен­т­рах. Число пар носителей q_Rs, рекомбинирующих на 1 м² по­ве­р­х­ности в 1 с, будет равно

 q_Rs=r_s(n_sp_s-n_osp_os), м^-2с^-1,                                    (2.55)

где r_s- коэффициент поверхностной рекомбинации, м⁴/сек; n_s=n_os+Dn_s, p_s=p_os+Dp_s, концентрации электронов и дырок, м^-3; Dn_s=Dp_s - избыточные концентрации эле­к­т­­ро­нов и дырок вблизи по­верхности полупроводника по отношению к равновесным, n_os и p_os, м^-3.

Подставляя значения неравновесных концентраций носителей n_s и p_s в уравнение (2.55), по аналогии с (2.46) получаем, что

q_Rs=r_s(n_os+p_os)Dn_s=SDn_s=SDp_s,                              (2.56)

где S=r_s(n_os+p_os) - ско­рость поверхностной рекомбинации, име­ю­­­щая размерность скорости, м/с.

Значение S находится в пределах 1...10² м/с и может быть интерпретировано как ско­­рость потока но­сителей заряда к по­вер­х­­­­ности по­лу­про­­­во­д­ни­ка.

 Из (2.56) находим, что скорость поверхностной реком­би­на­ции S выражается следующими со­­­отношениями:

.                                      (2.57)

Процесс рекомбинации при наличии на поверхности по­лу­про­­­вод­ни­ка центров типа реком­бина­ци­он­ных ло­ву­­­­шек происходит обычным об­разом. Например, при присут­­ст­вии на поверхности акцепторных уров­ней (рис. 2.12, б), электрон из зо­­ны проводимости сначала пе­ре­­ходит на энергетический уро­вень незаполненного поверх­но­с­­т­ного цен­т­ра рекомбинации, а за­­тем с него в валентную зону. Ес­ли же на поверхности пре­об­ла­­­да­ют донорные уровни (рис. 2.12, в), то элек­троны с за­­пол­не­н­ных уров­­ней ловушек сна­ча­ла пе­реходят в ва­ле­нт­ную зону, за­тем на ос­во­­бо­див­шиеся уров­ни пе­ре­хо­дят электроны из зо­ны прово­ди­мо­сти.

Скорость поверхностной ре­ко­мбинации S зависит от зна­че­ния по­­верх­но­ст­­ного по­тен­ци­ала j_s. На рис. 2.13 пре­д­­став­лен гра­фик за­­ви­си­мости S=f(j_s), за свою сим­мет­рич­ную форму на­зы­­­­ва­­е­мый ре­­ко­мбина­ци­он­­ным ко­­ло­ко­лом.

 Из этого графика сле­­­­дует, что на­­и­бо­­­ль­шего зна­че­­ния вели­чи­­на S достигает при  j_s=0. Ес­­ли по­­­вер­х­ность по­­­лу­п­ро­во­д­ни­ка за­ряжена по­ло­жи­тельно или от­ри­­ца­тель­но, то вблизи по­ве­р­х­­­ности воз­ни­ка­­ет по­­тен­ци­аль­ный барьер для од­­­ного из ти­пов носителей за­ря­­да. При зна­­­­че­ни­ях j_s<<0 у по­­ве­рх­нос­ти почти от­сутствуют эле­­к­т­ро­ны и, вс­ле­д­с­т­вие умень­ше­­­ния числа актов ре­ко­­м­­би­на­ции q_Rs, ско­рость по­­верх­но­ст­ной ре­ком­би­на­ции S ока­зы­ва­ет­ся низкой. Ана­ло­­ги­ч­ная си­ту­а­­ция на­б­лю­­­да­ется при зна­че­ни­ях j_s>>0, когда из-за уме­нь­ше­ния ко­­н­­­це­н­т­ра­­­ции дырок  в при­по­ве­рхностной об­ла­сти по­лу­про­­­во­­д­ника так­же сни­­жа­ет­ся скорость рекомбинации. При до­с­та­то­­­ч­но больших абсолютных зна­­­­чениях j_s потоки но­си­те­лей за­ря­да од­ного типа (электронов или дырок) во­обще не мо­гут пре­о­до­ле­ть по­тен­ци­аль­ный барьер при пе­ре­ме­ще­нии к по­верх­­­­­ности, что в ре­зу­льтате при­водит к сни­же­нию ско­ро­с­ти ре­ком­­би­нации до ну­­ля.

Скорость поверхностной рекомбинации весьма чувствительна к состоянию поверхности полупроводника. Во-пер­вых, как уже от­­­ме­ча­лось, ад­сорбция на поверхности посторон­них  мо­ле­кул и свя­­­занное с этим увеличение или уменьшение потенциала по­верх­но­­­сти j_s мо­жет резко повли­ять на значение S. Кроме того, ме­­ха­ни­­ческая обработка поверхности (шлифовка,  полировка и т. д.), на­­­рушающая кристаллическую структуру поверхностного слоя, ве­дет к возникновению боль­шого числа поверхностных  ре­ко­­м­би­национных центров, увеличи­ва­ющих скорость по­верх­но­ст­ной рекомбинации. При химическом или электро­хи­ми­ческом  тра­влении  такой поверхности на­рушенный слой удаляется, при этом ве­личина S, как пра­вило, уменьшается.

Процесс поверхностной рекомбинации в полупроводнике обы­ч­но со­про­вождается объемной ре­ком­би­на­ци­ей.

При этом эф­фек­­ти­в­ное вре­мя жизни носителей заряда, t_эф, рас­счи­тывается по фор­­му­ле

1/t_эф=1/t_v+1/t_s,                                          (2.57)

где t_v - объемное время жизни; t_s - вре­мя жизни при поверх­но­ст­ной рекомбинации носителей за­ря­да, с.

Время жизни но­си­те­лей за­ря­да при поверхностной ре­ком­би­на­­ции определяется из вы­ра­же­ния

t_s ==d/2S,                                             (2.58)

где d - толщина приповерхностного слоя, м.

Различают быстрые и медленные поверхностные состояния.

При­­­рода бы­стрых поверхностных состояний связана с адсор­б­ци­­­ей атомов и молекул непосредственно на поверхность полу­про­­­­вод­­­ника и сказанное выше относится к этому виду поверх­нос­­тных состояний. Адсорбированные частицы находятся в хо­ро­­шем кон­­та­к­­те с поверхностью и объемом полупроводника. Бы­­с­трые по­­ве­рх­ностные состояния характеризуются малыми вре­ме­на­ми жиз­ни  но­­сителей заряда t_s, составляющими 10^-4...10^-8 с.

Медленные поверхностные состояния характеризуются времена­­ми жизни носителей от 10^-3 с до нескольких суток. Природа мед­­­­­лен­ных  поверхностных  состояний  свя­зана с тем, что в нор­ма­ль­­­­­ных условиях поверхность полу­про­во­дника  по­к­ры­та тон­ким (~1 нм) слоем окисла (SiO, GeO). При этом посто­ро­н­ние поверхностные атомы  сорбируются  на вне­ш­ней поверх­но­с­ти окисла. Большие времена жизни носителей за­ря­­да при по­яв­ле­нии медленных поверхностных состояний обус­ло­в­ле­ны тем, что ве­ро­ят­ность прохождения  электронов сквозь ди­э­лек­три­че­с­кий окис­ный слой очень низка. Естественно, что с уве­­ли­че­ни­ем тол­­щи­­ны окисной  пленки  возрастает и время жиз­­ни носителей за­­ря­да при поверхностной ре­ком­би­на­ции. Про­цесс заполнения при­­по­верх­ностных уровней носи­телями заряда называется пере­за­рядкой уровней.

Оценить длительность времени перезарядки уровней (вре­ме­ни жиз­­ни носителей заряда) t_пов для мед­ленных поверх­ностных сос­то­я­ний можно по следующей приближенной формуле:

,                                  (2.59)

где d - толщина слоя окисла, м; v_др = mE   - дрейфовая скорость но­­си­­телей заряда, м/c; m - подвижность носителей в окисле, м²/В×c; Е - напряженность электрического поля в окисле, В/м; DW - энер­гия ионизации поверхностного уровня, эВ.

Медленные поверхностные состояния находят практическое при­ме­нение при создании полупроводниковых элементов памя­ти, позво­ля­ющих сохранять информацию даже при выключенном на­пря­же­нии питания. Для этого на поверхность полупроводникового при­бо­ра спе­ци­а­ль­­­но на­ра­щивается тонкий слой окисла или другого диэ­лек­трика, поз­во­ля­ющий за счет перезарядки поверхностных уров­ней с по­мо­щью вне­шних эле­к­т­рических потенциалов, подаваемых на за­­твор, управлять процессами за­пи­си или счи­ты­ва­ния ин­формации. При­мером таких элементов памяти являются транзисто­ры со стру­к­ту­рой металл-нитрид-окисел-полупроводник (МНОП-транзисторы).