Влияние водорода на скорость поверхностной рекомбинации в Германии в системе германий-электролит

П.П. Коноров, Н.В. Родионов, А. М. Яфясов ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА

НА СКОРОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ В ГЕРМАНИИ В СИСТЕМЕ ГЕРМАНИЙ-ЭЛЕКТРОЛИТ

Влияние водорода на электрофизические свойства полупроводников представляет большой научный и практический интерес. Это относится к свойствам полупроводников как объемным (возможности легирования полупроводников и пассивация примесных центров), так и к поверхностным, поскольку водород может существенно изменить заряд на поверхности полупроводников и влиять на ее рекомбинационную активность. Особенно данный вопрос становится актуальным в связи с переходом к нанометровым размерам полупроводниковых элементов, в которых активная роль поверхности становится особенно существенной. Вместе с тем количество исследований, посвященных такому вопросу, явно недостаточно, а полученные в них результаты и их интерпретация весьма противоречивы [1,2].

Одной из систем, позволяющих эффективно проводить такие исследования, является система полупроводник-электролит. Ее преимуществами являются возможности контролируемого выделения водорода на поверхности полупроводника путем его катодной поляризации (КП) в электролите, направленной предобработки поверхности, а также использование различных методов измерения рекомбинационных характеристик, связанных с действием света через прозрачный электролитический контакт.

Влияние водорода на рекомбинационные свойства поверхности германия в системе германий-электролит было изучено в ряде работ [3-6]. В них основным методом определения рекомбинационных свойств являлось измерение фотопроводимости тонких пластин германия, что позволяло в большинстве случаев лишь качественно оценивать скорость поверхностной рекомбинации (СПР). Во всех этих работах было отмечено повышение СПР при катодном выделении водорода на поверхности германия. Величина СПР после выключения КП медленно (в течение нескольких часов) возвращалась к своему исходному значению. Исходная рекомбинационная активность поверхности могла быть восстановлена после растворения 7—10 моноатомных слоев германия. Это привело авторов работы [5] к заключению, что рекомбинаг ционные центры располагаются в некотором приповерхностном объеме германия и связаны с проникновением атомов водорода в объем. Однако не были обнаружены какие-либо изменения объемной проводимости германия. В статье [6] было показано, что непродолжительная КП (в течение 1 мин) при токах порядка 100 мкА/см2 приводила к росту СПР до значений 2000 см/с, который сопровождался появлением дискретного энергетического уровня в запрещенной зоне германия. Кроме того, было показано, что СПР в сильной степени зависит от исходного состояния поверхности германия. Таким образом, отсутствуют однозначные сведения как о причинах влияния водорода на рекомбинационную активность поверхности германия, так и о природе возникающих при этом рекомбинационных центров.

В настоящей статье представлены результаты исследования влияния водорода, выделяемого на поверхности германия при ее катодной поляризации в системе германий - 0,1 М водный раствор Na2S04, на СПР. Величина СПР (5) измерялась методом компенсации фотомагнит-ного эффекта фотопроводимостью, позволяющего количественно определять СПР на глубине дебаева радиуса экранирования (Ld) [7]. Исследования были выполнены на поверхностях (111) и (100) германия p-типа (д = 25 0м • см, Ld = 0,45 мкм). Предобработка поверхности включала в себя химико-динамическую полировку в травителе СР-4, представляющего собой смесь Br: HF : HNO3 : СН3СООН в объемных пропорциях 0,1: 3: 5 : 3. Непосредственно перед экспериментом образцы травились в 30 %-ном растворе Н2О2. На рисунке представлены зависимости СПР от электродного потенциала, характеризующего приповерхностный изгиб зон [2].

© П.П. Коноров, Н.В. Родионов, А.М. Яфясов, 2006

96

Зависимость СПР от электродного потенциала для образцов р-С?е (д = 25 Ом-см).

1 и 2 - для поверхности (111), 3 и 4 ~ Для (100) (1 и 3 - исходное состояние, 2 и 4 ~ после КП). Электролит 0,1 М Ка2Э04, предобработка в 30%-ном Н2О2, время наводораживания - 30мин при токах КП 300 мкА/см2.

S, см/с

Из него видно, что в исходном состоянии имеют место малые значения СПР, а ее зависимость от электродного потенциала (ip) имеет колоколообразный вид, характерный для рекомбинации через дискретный энергетический уровень в запрещенной зоне германия [2], подобный тому, который возникает в начальной стадии наводораживания [6]. В результате наводораживания токами 300 мкА/см2 в течение 30 мин происходил значительный рост СПР при всех значениях электродного потенциала, а кривые S(<p) резко изменяли свой вид (см. рисунок). При этом зависимости 5(</>) характеризовались монотонным увеличением СПР для обеих ориентаций поверхности, достигая нескольких тысяч сантиметров в секунду. Это свидетельствует о появлении новых рекомбинационных центров, которые соответствуют рекомбинации через квазинепрерывный спектр энергетических уровней в запрещенной зоне германия [8].

Наблюдаемый характер зависимостей S(ip), возникающий в результате наводораживания, можно объяснить, используя теоретическую модель, предложенную в [8]. Согласно этой модели, монотонный характер зависимости СПР от поверхностного изгиба зон (и электродного потенциала) имеет место в том случае, когда на поверхности кристаллического полупроводника (германия) появляется неупорядоченная (аморфная) фаза, приводящая к формированию непрерывного спектра энергетических уровней в запрещенной зоне германия. Наиболее вероятной причиной появления квазинепрерывного спектра в результате наводораживания является, по нашему мнению, частичное восстановление оксидной фазы, непосредственно контактирующей с поверхностью германия, и соответственно в локальных участках поверхности германия имеет место переход от гидроксида к гидриду германия, создающий хаотически расположенные неоднородности оксидгидридного покрытия. Более высокие значения СПР для поверхности (100) по сравнению с поверхностью (111), возникающие при наводораживании, могут быть обусловлены большей чувствительностью поверхности (100) к водороду.

Полученные результаты дают основание предполагать, что рекомбинационная активность водорода на поверхности германия обусловлена его взаимодействием с чужеродными фазами на поверхности германия, имеющими, по-видимому, гидр о ксидную природу. Таким образом, возрастание СПР при воздействии водорода на поверхность германия в значительной степени

зависит от присутствия на поверхности гидрооксидного слоя, его толщины и степени однородности. Это позволяет в определенных пределах управлять величиной СПР, возникающей при действии водорода на германий, путем соответствующего изменения исходного состояния его поверхности. Показано, что при увеличении степени наводораживания (тока и времени КП) происходит изменение спектра электронных энергетических состояний от дискретного, соответствующего упорядоченной системе, к квазинепрерывному распределению, характерному для неупорядоченных систем.

Summary

Konorov P.P., Rodionov N. V., Yafyasov A.M. Influence of hydrogen on the surface recombination velocity in germanium in the germanium-electrolyte system.

The influence of the cathodic evolution of hydrogen on the recombination properties of the germanium surface is investigated. The observed high surface recombination activity is caused probably by interaction of hydrogen with hydroxide phases on the germanium surface. It is shown that the increase of the level of hydrogenation transforms the spectrum of electron states from discrete to quasicontinuous corresponding to a disordered system.

Литература

1. Pearton S.J., Corbett J. W., Stavola M. Hydrogen in crystalline semiconductors. Berlin, 1992. 2. Коноров П.П., Яфясов A.M. Физика поверхности полупроводниковых электродов. СПб., 2003. 3. Gerischer Н. // Anales de Fisica у Quamica. 1960. Vol. B56. P. 535-538. 4. Плесков Ю.В., Тягай В. A. 11 Докл. АН СССР. 1961. T. 141, № 5. C. 1135-1137. 5. Романов О. В., Коноров П.П., Котова Т. А. // Физ. и техн. полупроводников. 1969. Т. 3, № 1. С. 124-127. 6. Громов А. И., Коноров П.П., Тарантов Ю.А. // Вестн. Ленингр. ун-та. 1979. № 16. С. 44-52. 7. Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М., 1963. 8. Neizvestny I. G., Ovsyuk V.N. // Phys. Stat. Sol. (a). 1973. Vol. 18, N 2. P. 465-471.

. Статья поступила в редакцию 3 июля 2006 г.