Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика), страница 8

Свободная ~оверхность аггее хиласе) любого твердого тела представляет собой естественный потенциальный барьер. Разрешенные энергетические состояния электронов при переходе через поверхность изменяются скачкообразно. Высота и пространственная конфигурация такого барьера определяются расположением атомов твердого тела на поверхности и вблизи нее, а в особенности — чужеродными (примесными) атомами и молекулами, адсорбированными на поверхности.

Поверхностные свойства кристаллов, находящихся в вакууме, определяются несколькими приповерхностными моноатомными слоями, которые по своей атомной конфигурации отличаются от таковых в объеме кристалла. Поверхностный слой кристалла, свободный от адсорбнрованных частиц, обычно подвержен структурным изменениям, которые называют реконструкцией (гесонзггисг)он). З9 д2. Элементы низко е ых структур В некоторых редких случаях, однако, он может оставаться перепонструцюе аппахла (поп гесопзптзсгегз) . Реконструкция поверхности является следствием перестройки оборванных связей поверхностных атомов, как это показано на рис. 1.9. Нереконструированная поверхность Реконструированная поверхность Рис.

1.9. Реконструкпня поверхности кристалла вследствие перестройки связей поверхностных атомов. Стрелками показаны направления смешения атомов На нереконструированных поверхностях (их еще называют релаксированными — ге)ахеи) расположение атомов в поверхностном слое сохраняется таким же, как и в объеме, хотя расстояние между верхними моноатомными слоями уменьшается. Это находит свое объяснение в рамках представлений о двухатомной молекуле. Следуя этим представлениям, расстояние между атомами в приповерхностном слое характеризуется величинами промежуточными между межатомными расстояниями в объеме кристалла и в свободной двухатомной молекуле, состоящей из тех же атомов, что и кристалл.

Поскольку межатомные расстояния в двухатомной молекуле меньше, чем в кристалле, то существует движущая сила для релаксации атомов на поверхности. В процессе такой релаксации в плоскости поверхности атомы сохраняют свое взаимное расположение таким, как оно проецируется из объема, но расстояние между атомными плоскостями уменьшается. Другим возможным вариантом является латеральная (боковая) релаксация. При ней верхний моноатомный слой с сохраненным расположением атомов Гл а в а 1 .

Физические основы наноэлектроннкн в плоскости слоя сдвигается относительно плоскости нижележащего слоя. Поверхностные атомы с разорванными ковалентными или ионными связями могут сгруппироваться в ряды с межатомными расстояниями больше или меньше, чем в объеме. Ближайшие соседние поверхностные атомы сближаются для образования связей за счет своих незадействованных валентных электронов и таким образом понижают энергию системы. При этом происходит реконструкция поверхности, характеризующаяся измененными (по отношению к объему) позициями атомов и образованием новой элементарной ячейки.

Различают консервативную и неконсервативную реконструкции. При консервативной реконструкции число атомов в поверхностном реконструируемом слое сохраняется, как это показано на рис. 1.9. Реконструкция же состоит только в смешении поверхностных атомов из их идеальных для объема данного кристалла положений. При неконсервативной реконструкции число атомов в реконструированном слое уменьшается — часть их в результате перестройки связей покидает поверхность.

Особенности реконструированной поверхности влияют на ее электронные свойства и на последующее эпитаксиальное осаждение на нее других материалов. Адсорбированные на поверхности атомы и молекулы образуют связи, нетипичные для объема твердого тела. В результате атомная структура и, соответственно, фундаментальные электронные свойства приповерхностного слоя приобретают существенные отличия от свойств, типичных как для объема твердого тела, так и для его реконструированной или нереконструированной поверхности. Когда две свободные поверхности располагаются близко друг к другу (как, например, в квантовой пленке или квантовом шнуре), модифицированные приповерхностные слои могут перекрываться н кардинально изменять свойства таких структур.

Точный контроль потенциального барьера у свободной поверхности и управление им затруднены нз-за неконтролируемой адсорбции примесей. Более того, достаточно сложно реализовать инжекцию носителей заряда через такой барьер, что необходимо для приборных применений. Как следствие этого, свободные поверхности следует рассматривать в качестве одного из важнейших элементов низкоразмерных структур, хотя их непосредственное использование в приборных структурах обычно ограничено пассивными функциями. Меж4азные границы (Гнте~асез) образуются между материалами с различными физическими свойствами.

В случае полупро- 41 1.2 Элементы низко аамернык структур водников из всех возможных комбинаций монокристаллической, поликристаллической и аморфной фаз граница между двумя монокристаллическими областями имеет наиболее управляемые и воспроизводимые свойства. Для того чтобы получить потенциальный барьер на такой границе, должно удовлетворяться одно из следующих требований. Если контактирующие полупроводники имеют одинаковый химический состав, они должны отличаться типом основных носителей заряда, а при одинаковом типе основных носителей заряда их концентрации должны быть существенно различны.

Полупроводники же с разным химическим составом должны иметь близкие, а в идеальном случае — совпадающие параметры решеток. Потенциальные барьеры, образованные на границе двух материалов с одинаковым химическим составом, обычно являются широкими и гладкими.

Это — результат диффузионного перераспределения примесей, придающих определенные донорные или акцепторные черты контактирующим областям. Взаимная диффузия компонентов на границе материалов с различным химическим составом обычно ограничена несколькими моноатомными слоями (один моноатомный слой — это самый тонкий слой, содержащий полный стехиометрический набор атомов данного материала). Для таких границ характерны резкие, ступенчатые потенциальные барьеры. Они образуются в гегероэпитаксиальных структурах полупроводников, создаваемых из бинарных, тройных и четверных соединений групп Аи'В" и АнВч. Подходящие пары материалов в данном случае определяет требование согласованности кристаллических решеток.

Формируются такие структуры в виде сверхрешеток. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое реконструкция поверхности кристалла? 2. Каковы структурные особенности нереконструированной поверхности кристалла? 3. К чему приводит адсорбция примесных атомов на поверхности кристалла? 4. Что такое межфазная граница? 5. Чем определяется резкость межфазной границы? 1.2.2. Сверхрешетки Монокристадлическую пленку из одного материала, воспроизводящую постоянную решетки монокристаллической подложки из дру- Глава 1.Физическиеосноаынаноэле еники гого материала, называют сверхрегяеткой (гирек!ацгсе)а.

Когда оба материала имеют идентичные или очень близкие постоянные решеток, они образуя)т так называемые псввдалгор4иые (рдеигготогр)гге) сверхрешетки. Среди полупроводников таких материалов очень мало. Между тем и равенство постоянных решеток не является строго необходимым условием для псевдоморфного роста одного материала на другом. В пределах некоторой ограниченной толщины наносимой пленки возможно «заставить» осаждаемые атомы занимать позиции, соответствующие расположению атомов в подложке, даже если зто расположение отличается от равновесного расположения атомов в объемном материале пленки.

При этом образуется нашряжешггая (дуга(пег() сверхрешетка, структура которой, однако, совершенна. Формирование напряженной сверхрешетки в случае, когда постоянная решетки у материала подложки меньше, чем у материала пленки, схематически проиллюстрировано на рис. 1.1О.

Напряжения в такой пленке возрастают по мере увеличения ее толщины. По достижении некоторой критической толщины они релаксируют посредством образования дислокаций несоответствия, высвобождая накопленную в напряженном состоянии энергию и понижая полную энергию системы. Кристаллическая решетка наносимого материала приобретает свой естественный вид, и при дальнейшем поступлении материала на подложку пленка растет с уже релаксироваиной (ге(ахеИ) сверхрешеткой.