Поверхностная рекомбинация

Поверхностная рекомбинация играет ключевую роль в процессах, определяющих работу полупроводниковых приборов. В отличие от объемной рекомбинации, где носители теряются в результате взаимодействия в кристаллической решётке, поверхностная рекомбинация связана с особенностями кристалла на его границе с окружающей средой. Именно поверхность полупроводника является областью, где симметрия решётки нарушена, появляются недостающие связи и дефекты, что приводит к появлению поверхностных энергетических состояний и, как следствие, к усиленной рекомбинации.

Механизмы образования поверхностных состояний

На поверхности полупроводника атомы оказываются в условиях, отличных от объёмных:

  • часть координационных связей оказывается незавершённой (так называемые «висячие связи»),
  • возможны химическая адсорбция и образование оксидной плёнки,
  • присутствуют механические дефекты и структурные несовершенства решётки,
  • может происходить диффузия примесей к поверхности, создающая дополнительные уровни.

Эти дефекты формируют энергетические уровни в запрещённой зоне — поверхностные состояния, которые захватывают и рекомбинируют носители заряда.

Поверхностные уровни и рекомбинация

Поверхностные уровни действуют аналогично ловушкам в объёме. Они могут быть как донорного, так и акцепторного типа, и участвуют в процессах рекомбинации через захват электронов и дырок. Наиболее эффективна рекомбинация вблизи середины запрещённой зоны, где вероятность захвата носителей обоих типов максимальна.

Рекомбинация через поверхностные уровни описывается уравнением, аналогичным модели Шокли–Рида–Холла для объёмных ловушек:

$$ U_s = \frac{s_n s_p (np - n_i^2)}{s_n (n + n_i) + s_p (p + n_i)}, $$

где

  • Us — скорость поверхностной рекомбинации,
  • sn, sp — поверхностные скорости рекомбинации для электронов и дырок,
  • n, p — концентрации электронов и дырок,
  • ni — собственная концентрация носителей.

Понятие скорости поверхностной рекомбинации

Для количественной характеристики вводится параметр скорость поверхностной рекомбинации S (см/с). Этот параметр показывает, с какой скоростью носители исчезают на поверхности.

Rs = S Δn,

где

  • Rs — плотность рекомбинирующих носителей на поверхности,
  • Δn — избыточная концентрация носителей.

Значения S могут сильно варьировать:

  • для «грязной» необработанной поверхности — порядка 105 − 106 см/с,
  • для обработанной и пассивированной поверхности — до 102 − 103 см/с,
  • в высококачественных структурах с идеальной пассивацией — ниже 10 см/с.

Влияние поверхностной рекомбинации на приборы

Поверхностная рекомбинация особенно критична для приборов с развитой поверхностью или малым объёмом:

  • Фотодиоды и солнечные элементы: сильная рекомбинация на поверхности приводит к снижению квантового выхода и уменьшению тока короткого замыкания.
  • Биполярные транзисторы: рекомбинация у поверхности базы уменьшает коэффициент усиления по току.
  • Полевые транзисторы: поверхностные состояния создают флуктуации в плотности носителей в канале, что вызывает шум и нестабильность характеристик.
  • Наноструктуры и тонкие плёнки: при высокой доле поверхности влияние рекомбинации становится доминирующим.

Методы снижения поверхностной рекомбинации

Для уменьшения потерь носителей применяют специальные технологические приёмы:

  1. Химическая пассивация

    • обработка поверхности реагентами, связывающими висячие связи;
    • например, обработка водородом, который эффективно насыщает свободные связи кремния.

  2. Окисление поверхности

    • создание тонкой оксидной плёнки (SiO₂ на кремнии);
    • оксид снижает плотность поверхностных состояний и стабилизирует поверхность.

  3. Диэлектрические покрытия

    • нанесение нитрида кремния (Si₃N₄) или других изоляторов;
    • такие покрытия обеспечивают электрическую пассивацию за счёт фиксированных зарядов.

  4. Гетероструктуры

    • выращивание слоёв с широкой запрещённой зоной на поверхности узкозонного материала;
    • барьерные слои снижают проникновение носителей к поверхности.

  5. Технологии обработки поверхности

    • плазменная обработка, термическое отжиг, ионная имплантация;
    • всё это уменьшает плотность поверхностных дефектов.

Экспериментальные методы измерения скорости поверхностной рекомбинации

Для изучения поверхностной рекомбинации применяются различные методы:

  • Временная зависимость фотопроводимости — по скорости затухания сигнала после импульса освещения оценивают S.
  • Метод фотолюминесценции — измерение интенсивности и времени затухания излучения носителей, локализованных у поверхности.
  • Электрические методы — анализ вольт-амперных характеристик и шумов.
  • Метод модуляции поверхности — изменение поверхностных состояний под действием электрического поля и последующее измерение параметров прибора.
Оглавление