Методы исследования поверхности

Методы исследования поверхности весьма разнообразны. Общей их чертой является необходимость измерения параметров в очень тонком поверхностном слое, т. е. обеспечение возможности измерения в очень малом количестве вещества. Это предопределяет высокую, в отдельных случаях предельную чувствительность используемых измерительных систем.

Наиболее распространены три типа методов исследования электрических характеристик поверхности:

1. Изменение проводимости слоя поверхностной области пространственного заряда под воздействием внешнего поля (эффект поля);

2. Метод вольтфарадных характеристик, в котором вместо активной характеристики (продольной проводимости) измеряется реактивная величина - поперечная емкость, откуда рассчитываются параметры емкости области пространственного заряда и соответственно те же характеристики поверхности, что и в методе эффекта поля (изгиб зон уs, начальный заряд поверхности Qso и др.), но на более простых структурах и более экспрессным способом;

3. Методы измерения поверхностной рекомбинации, основанные на измерении фотопроводимости, неравновесной проводимости неосновных носителей, генерированных электрическим нолем, а также, но характеристикам так называемого тока насыщения р-n перехода, локализованного вблизи поверхности. Поверхностная рекомбинация определяет ряд параметров р-n переходов (генерационный ток в тонких образцах и др.), а также кинетические параметры биполярных планарных транзисторов в режиме слабых токов.

Эффект поля есть изменение приповерхностной проводимости под воздействием электрического поля, приложенного нормально к поверхности твердого тела. Обычно это явление реализуется для полупроводников, хотя возможно его проявление и для металлов и диэлектриков (особенно для их тонких пленок). Наведенный электрический заряд распределяется между областью пространственного заряда и локализованными поверх постными состояниями. Концентрации свободных электронов (или дырок) в этой области определяются поверхностным потенциалом φs (изгибом зон уs) и положением уровня Ферми в объеме полупроводника Eφ.

Внешнее поле задает три состояния области пространственного заряда: обогащение основными носителями (по отношению к объему; для полупроводника n-типа это соответствует образованию сильного изгиба зон вниз, т. е. ys<0); формирование вблизи поверхности слоя истощения, при этом зоны искривляются вверх (ys > 0). В этом случае проводимость уменьшается. При последующем искривлении зон вверх, по мере увеличения вблизи поверхности концентрации неосновных (по отношению к объему) носителей (например, дырок) наступает момент, когда число последних у поверхности превышает концентрацию электронов в объеме. Создается так называемый инверсионный поверхностный слой. Когда изгиб зон ys становится столь большим, что валентная зона пересекает уровень Ферми EF, концентрация носителей в инверсионном слое становится столь большой, что возникает слой вырожденного газа носителей (в определенных случаях с двумерным квантованием зонного спектра свободных носителей). Формирование инверсионного слоя дает возрастание проводимости уже за счет неосновных носителей.

Таким образом, зависимость проводимости от внешнего поля имеет вид кривой с минимумом. Анализ этой кривой позволяет получить данные о состоянии областей пространственного заряда, локализованных на поверхности центров захвата (так называемых поверхностных уровней), и объема полупроводника. Так, минимум проводимости поверхностной области пространственного заряда соответствует потенциалу, задаваемому параметрами объема: Начальный изгиб зон φso задает плотность заполненных поверхностных уровней в условиях обычного состояния образца. Измерение релаксации позволяет разделить поверхностные центры на быстрые (со временами релаксации <10-3 с) и медленные (≥10-1 с). Медленная релаксация имеет неэкспоненциальный характер, что, как правило, обусловлено гетерогенностью поверхности. Она может быть также вызвана ионными процессами (диффузией), адсорбционно-десорбционными процессами, поверхностными химическими реакциями, стимулированным полем. Вольтфарадные (С—V) характеристики. Измеряемой величиной является высокочастотная (f > 1 мГц) или низкочастотная (f < 0,1 Гц) емкость тройной структуры и ее зависимость от приложенного постоянного (или медленно меняющегося) напряжения смещения, прикладываемого между металлическим и полупроводниковым электродами. Исследуются также зависимости емкости структуры от температуры (С—Т-характеристики) и времени (С—t-характеристики).