Германий в соответствии с зонной энергетической структурой является перспективным материалом для приемников красного и ИК-излучения. Попытки снизить сродство к электрону на поверхности Ge и получить эффективные приемники указанного диапазона проводятся с 70-х годов прошлого столетия. Однако в связи с поверхностными особенностями Ge эти попытки не увенчались успехом.
Методами дифракции электронов низких энергий (ДЭНЭ), ИК- спектроскопии, поверхностной фотопроводимости исследованы образцы германия дырочной проводимости (P≈(5...8)∙1018 см-3). Исследованы грани двух ориентации: (111) и (100). Методом ДЭНЭ установлено, что кристаллографическая структура атомарно-чистых поверхностей граней (111) и (100) различна. На грани (111) в вакууме не ниже 1∙10-9 тор обнаружена так называемая сверхрешетка (2×1) (рис. 1 а), которая метастабильна. При нагревании образца до T≈110...120°C или длительной выдержке в вакууме с остаточным присутствием паров воды и кислорода (Pпарц≈10-10...10-11 тор) сверхструктура (2×1) переходит в (1×1). Кристаллографические исследования грани (100) в сверхвысоком вакууме показали отсутствие сверхрешеток на ней (рис. 1 б).
Далее были проведены исследования атомарночистой поверхности граней методом фотопроводимости. На обеих гранях (111) и (100) обнаружен фотосигнал при энергии облучающих фотонов 0,7 эВ и более. Фотосигнал при энергии облучающих фотонов больше ширины запрещенной зоны германия (∆Eg=0,7 эВ) связан с собственным поглощением и началом электронно-дырочных переходов. Однако на грани (111) обнаружен фотосигнал при энергии hν<∆Eg, который появляется при энергиях фотонов в 0,15 эВ. Данная фоточувствительность обусловлена оптическими переходами между разрешенными зонами и поверхностными состояниями.
Термическая обработка (при T≈120°C) неодинаково влияет на различные области спектра: если собственная фотопроводимость почти не изменяется, то в спектральном распределении поверхностной фотопроводимости наблюдается два новых процесса возбуждения с пороговыми энергиями при 0,4 и 0,47 эВ. Это, вероятно, связано с перестройкой поверхностной структуры (2×1) в обычную (1×1) (рис 2).
а б
Рис. 1. Электграмма от поверхностей а) Ge (111), б) Ge (100)
Рис. 2. Спектр поверхностной фотопроводимости атомарночистой, сколотой поверхности (111) германия до и после термических обработок: 1 - непосредственно после скола; после отжига: 2 -при 50°C; 3 - при 100°C; 4 - при120°C; 5 - при 200°C
Учитывая, что положения уровня Ферми на поверхности (EF ‒ EV)=0,01 эВ, можно заключить: наблюдаемая на грани (111) поверхностная фотопроводимость обусловлена переходом электронов из валентной зоны на пустые (акцепторные) поверхностные состояния, расположенные выше потолка валентной зоны до энергий в 0,55 эВ. Этот факт подтверждается измерениями работы выхода электрона, которые установили, что при измерении типа проводимости от сильного p-типа, не меняя работу выхода, она составляет 4,72 эВ [1]. Измерения работы выхода проводились методом контактной разности потенциалов.
Из спектра фотопроводимости грани (100) следует, что на ней поверхностные состояния отсутствуют. Отсюда следует, что грань (100) является более предпочтительной для получения на ней близкого к нулевому электронного сродства.
ИК-Фурье спектроскопией установлено, что поверхность германия покрыта окисной пленкой, которую полностью невозможно удалить термической обработкой. Эта окисная пленка не дает возможности снизить сродство к электрону на поверхности. В связи с этим нами была разработана методика удаления окисной пленки с поверхности германия. Для этого термическую обработку поверхности проводили в присутствии водорода, парциальное давление которого составляло порядка 10-6 тор. При этом кислород связывался с атомами водорода, и эти компоненты в виде паров воды откачивались. В качестве источника водорода использовался насос-генератор водорода НГВ-1.
Список литературы
- Блиев А.П., Галаев А.А., Пархоменко Ю.Н. Взаимосвязь между атомарной структурой и работой выхода электрона на сколотой поверхности Ge (111) // Кристаллография. ‒1980 ‒ Т. 25. ‒ № 4.
Рецензенты:
Магкоев Т.Т., д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой общей физики ГОУ ВПО СОГУ;
Козырев Е.Н., д.т.н., проф. зав. кафедрой электронных приборов СКГМИ, заслуженный деятель науки РФ.