Поверхностные состояния

Общие сведения

Поверхностные состояния возникают на границе полупроводника с другим материалом (металлом, диэлектриком, вакуумом, воздухом). В отличие от объемных энергетических уровней, определяемых периодическим потенциалом кристаллической решётки, поверхностные состояния обусловлены нарушением периодичности решётки, наличием дефектов, адсорбированных атомов, а также различием в химическом строении поверхностного слоя. Эти состояния оказывают фундаментальное влияние на электронные свойства полупроводников и играют ключевую роль в работе большинства приборов, включая транзисторы, фотодиоды, сенсоры.

Физическая природа поверхностных состояний

При выходе кристалла на поверхность разрываются межатомные связи, что приводит к появлению несвязанных валентностей (dangling bonds). Эти несвязанные связи создают энергетические уровни в запрещённой зоне, которые и являются поверхностными состояниями.

К поверхностным состояниям относятся:

Химически индуцированные уровни — возникающие при адсорбции кислорода, водорода, углерода, металлов.
Структурные уровни — вызванные нарушением периодичности решётки и наличием поверхностных дефектов.
Электронные резонансные уровни — формирующиеся за счёт взаимодействия электронов с локализованными колебаниями или поляризацией поверхностного слоя.

Энергетическое распределение поверхностных состояний

Поверхностные состояния могут располагаться вблизи дна зоны проводимости, около вершины валентной зоны или внутри запрещённой зоны.

Вблизи зоны проводимости поверхностные уровни действуют как акцепторные.
Вблизи валентной зоны — как донорные.
Внутри запрещённой зоны возможен широкий спектр локализованных уровней, которые определяют поверхностный заряд и поведение при контакте с другими материалами.

Плотность поверхностных состояний D_it измеряется в единицах см⁻²·эВ⁻¹ и может достигать значений 10¹⁰ − 10¹³ см⁻²·эВ⁻¹ в зависимости от материала и состояния поверхности.

Поверхностный заряд и фиксация уровня Ферми

Наличие поверхностных состояний приводит к фиксации уровня Ферми на поверхности. Это означает, что положение уровня Ферми относительно запрещённой зоны определяется не концентрацией легирующих примесей в объёме полупроводника, а именно поверхностными состояниями.

Если плотность поверхностных состояний высока, то заряд в них компенсируется изменением изгиба зон вблизи поверхности. Таким образом формируется поверхностный барьер, который играет роль в создании:

потенциальных ям и барьеров для носителей заряда,
обеднённых или обогащённых слоёв,
каналов для транспорта носителей в полевых транзисторах.

Влияние на электрические свойства

Поверхностные состояния определяют ряд ключевых характеристик полупроводниковых приборов:

Поверхностная проводимость — наличие подвижных носителей на поверхности. В некоторых случаях образуются двумерные электронные или дырочные газы.
Ширина обеднённого слоя — регулируется балансом заряда в объёме и на поверхности.
Время жизни носителей — поверхностные состояния служат центрами рекомбинации, уменьшая время жизни и диффузионную длину.
Скорость поверхностной рекомбинации S — характеризует интенсивность рекомбинации на поверхности и имеет значения от 10² до 10⁶ см/с.

Методы управления поверхностными состояниями

Для практического применения необходимо контролировать плотность и распределение поверхностных состояний. Основные методы:

Пассивирование поверхности — насыщение несвязанных связей атомами водорода или другими химическими агентами.
Оксидирование — образование диэлектрической плёнки (например, SiO₂ на Si), которая изолирует поверхность и уменьшает плотность поверхностных уровней.
Химическая обработка — травление, гидрирование или сернистая обработка, снижающая количество дефектов.
Эпитаксиальный рост — создание контролируемых гетероструктур с минимизацией дефектов на границе раздела.

Поверхностные состояния в контактах и структурах

В металл–полупроводниковых переходах (Шоттки) поверхностные состояния определяют высоту барьера, так как они фиксируют уровень Ферми на поверхности полупроводника.
В полевых транзисторах (МОП, JFET) поверхностные состояния формируют инверсионный или обеднённый канал. Их плотность напрямую влияет на подвижность носителей и параметры прибора.
В солнечных элементах поверхностные состояния снижают квантовый выход за счёт усиленной рекомбинации.
В сенсорах адсорбция молекул на поверхности изменяет заполнение поверхностных уровней, что приводит к изменению проводимости.

Экспериментальные методы исследования

Для анализа поверхностных состояний используют:

Спектроскопию фотоэлектронов (XPS, UPS) — определение химического состава и положения уровней.
Капацитивно-частотный метод (C–V-характеристики) — измерение плотности поверхностных состояний на границе полупроводник–диэлектрик.
Метод глубоких уровней (DLTS) — регистрация динамики заполнения и опустошения поверхностных уровней.
Сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) — прямую визуализацию локализованных состояний с атомным разрешением.

Роль в наноструктурах и современных приборах

В нанокристаллах, квантовых точках и тонких плёнках отношение поверхности к объёму существенно возрастает, и поверхностные состояния начинают доминировать над объемными свойствами. Они определяют спектр фотолюминесценции, эффективность излучения и стабильность наноматериалов.

В современных МОП-транзисторах с каналами размером в несколько нанометров именно управление поверхностными состояниями позволяет достичь высокой подвижности и минимизировать токи утечки.