Optical detection of surface states in semiconductors

Summary

A review of the optical methods used to detect electronic surface states in Si and Ge is presented. On (111) 2×1 reconstructed surfaces, the dangling-bond band is split by the Jahn-Teller effect and optical transitions from the lower (nearly full) to the upper (nearly empty) band are observed. New results on electric-field-modulated internalreflection spectroscopy in Ge(111) 2×1 that support the so-called «buckled model» of the 2×1 reconstructed surface are presented. In the above model, the raised atom is negatively charged, while the lowered one is positive, so that an electric field perpendicular to the surface modulates directly the separation of the ions and then the optical gap detected by internal-reflection spectroscopy.

Riassunto

Si presenta una rassegna dei metodi ottici usati per rivelare gli stati elettronici superficiali in Si e Ge. Sulle superfici (111) ricostruite 2×1, la banda dei «dangling bond» viene sdoppiata da una specie di effetto Jahn-Teller. Transizioni ottiche della banda inferiore (piena) e quella inferiore (vuota) sono state osservate con varie tecniche. Si presentano recenti risultati sull’effetto, sulla transizione ottica, di un campo elettrico normale alla superficie (111) 2×1 di Ge che sembrano suffragare il cosiddetto «modello corrugato» delle superfici ricostruite 2×1. In tale modello, gli atomi sollevati (depressi) sono carichi negativamente (positivamente) cosicché un campo elettrico normale modula direttamente la separazione degli ioni e di conseguenza l’assorbimento ottico osservato con la tecnica delle riflessioni multiple interne.

Резюме

Предлагается обзор оптических методов, используемых для определения электронных поверхностных состояний в Si и Ge. На (111) 2×1 реконструированных поверхностях зона расщепляется за счет эффекта Яна-Теллера. Наблюдаются оптические переходы из низшей (почти заполненной) в верхнюю (почти пустию) зону. Сообщаются новые результааты об электрическом поле, модулированном спектроскопией внутренннего отражения в Ge (111) 2×1, которые подтверждают так называемую «изогнутую модель» 2×1 реконструированной поверхности. В вышеуказанной модели «поднятый» атом является отрицательно заряженным, тогда как «опущеннный» атом является положительным. Таким образом, электрическое поле, перпендикулярное поверхности, приводит непосредственно к разделению ионов и затем оптическая щель детектируется с помощью спектроскопии внутреннего отражения.