Конспект лекций по модулю Дефекты в неупорядоченных системах полупроводников (стр. 2 )

Размер образующихся при окислении ОДУ обусловлен температурой и длительностью процесса термообработки, атмосферой окисления (сухой или влажный кислород) и ориентацией поверхности.

В случае двойникового дефекта в г. ц.к. решетке слои {111} чередуются в последовательности ABCA BCB ACBA.... Расположение слоев слеваот слоя C представляет собой зеркальное отражение расположения слоев справа от него.

Двойникование полупроводниковых кристаллов является очень распространенным дефектом структуры. В кристаллах со структурой алмаза и сфалерита образуются двойники двух типов: наиболее часто наблюдаются двойники срастания, реже двойники прорастания. Первые состоят из двух или нескольких индивидов, которые повернуты относительно друг друга вокруг двойниковой оси [111] на 60о (180о). Двойниковая плоскость и плоскость срастания индивидов совпадают и следуют параллельно граням октаэдра (рис.1.2).

Рис. 1.2. Двойники с одной (а), двумя (б) и тремя (в) двойниковыми плоскостями

В двойниках прорастания индивиды как бы пронизывают друг друга.

Легкость возникновения двойников обусловлена малой величиной энергии, необходимой для создания границы между двумя областями кристалла, имеющими различную ориентацию. Наименьшая энергия необходима для создания когерентной границы двойникования, в которой узлы в плоскости границы общие для расположенных по обе стороны от нее областей монокристалла. В монокристаллах со структурой типа алмаза энергия двойникования минимальна для плоскости {111}.

Повышенной склонностью к двойникованию обладают полупроводниковые соединения AIIIBV, особенно индиевые (фосфид и арсенид индия).

Обычно двойниковая граница просматривается на поверхности растущего монокристалла в виде тонкой полосы. В некоторых случаях двойникование проявляется в формё нескольких, параллельно располагающихся плоскостей, образующих так называемые двойниковые ламели. Если число двойниковых плоскостей в ламели нечетное, то ориентация растущего по другую сторону ламели монокристалла не изменяется.

Объемные дефекты

Поры - это объемные пустоты макроскопических размеров в кристаллической решетке. К появлению пор приводят скопления многих вакансий.

Включения второй фазы - э то частицы макроскопических размеров, состав которых отличается от состава основного вещества. В кристаллах могут встречаться включения второй фазы двух типов: включения одного из компонентов соединения, образующиеся при выращивании монокристаллов (например, Pb в PbTe), и включения макроскопических частиц инородной фазы (SiO2 в Si).

Лекция 2

Особенности дефектообразования в неупорядоченных полупроводниках

Основная цель полупроводникового материаловедения - получение монокристаллов больших размеров с меньшим количеством дефектов. В противоположность этому, в последних годы серьезное внимание уделяется антиподу монокристаллов – неупорядоченным полупроводникам. В отличие от «общепринятых» кристаллических полупроводников, последние не обладают дальним порядком в расположении атомов и трансляционной симметрией.

Под термином неупорядоченные понимаются полупроводниковые материалы, в которых имеются существенные нарушения дальнего порядка в расположении атомов. К таким материалам относятся:

• некристаллические твердые (аморфные) материалы;

• нано - и микрокристаллические материалы;

• химически неупорядоченные сплавы;

• органические материалы;

• расплавы и жидкости.

Все эти материалы, наряду с существенными нарушениями трансляционной симметрии, в большей или меньшей степени характеризуются прыжковым механизмом электропроводности и пониженной чувствительностью свойств к легирующим примесям.

Электронные приборы, изготовленные на гибких пластиковых подложках, в последние годы являются объектом бурно развивающихся исследований. Поскольку предельно допустимые температуры технологического процесса для гибкой электроники лежат в районе 100 – 150 оС, то это делает выбор материалов для приборов ограниченным.

Привлекательны в этом отношении органические полупроводники. К ним относятся соединения, в основе которых лежат молекулы, содержащие атомы углерода с sp2pz гибридизацией атомных орбиталей. В этом случае три электронные орбитали атома углерода лежат в одной плоскости (σ-связи), и одна p-орбиталь перпендикулярна этой плоскости (π-связи). Электроны, образующие σ-связь, строго локализованы и сосредоточиваются преимущественно вдоль линии, соединяющей два углеродных ядра; электроны на π-орбиталях локализованы существенно слабее, могут свободно перемещаться по молекуле. Их иногда называют подвижными или ненасыщенными электронами, что подчеркивает их происхождение из ненасыщенных связей. Именно эти электроны обеспечивают проводимость органических соединений.

Связанная между собой система π-электронов, обеспечивающая возможность генерации носителей заряда в структуре, и прочный углеродный остов с отсутствующими дислокационными дефектами придают органическим материалам неоспоримые преимущества перед традиционными полупроводниками.

Можно выделить два класса органических веществ, имеющих полупроводниковые свойства. Это молекулярные полупроводники и полимеры. Молекулярные полупроводники представляют собой кристаллические структуры, в которых в качестве формирующих кристаллическую решетку элементов выступают органические молекулы. Межмолекулярое взаимодействие (определяемое вандерваальсовскими силами) в этом случае оказывается гораздо более слабым, чем внутримолекулярное взаимодействие. Таким образом, электроны оказываются, в основном, локализованными на молекулах, а не размазанными по кристаллической решетке. (Например, бензол и антрацен кристаллизуются в одинаковой кристаллической группе с похожими параметрами решетки, однако электронные параметры, такие как ширина запрещенной зоны Еg оказываются различными. А именно, Еg зависит существенным образом от числа π-электронов (пропорционального числу бензольных колец: 1 - в бензоле, 3 - в антрацене). Eg=a + bk-n , где a, b,k - постоянные, n - число π-электронов. Два основных свойства молекулярных материалов: а) локализация электронов на молекуле, б) однозначное расположение атомов в молекуле (в отличие от расположения примесей в кристаллической решетке полупроводников). Эти соединения характеризуются более высокими значениями подвижности и менее дефектной структурой.

При исследовании органических полупроводников остаются актуальными все проблемы, возникающие при изучении неорганических полупроводников и структур. Это чистота материала, наличие дефектов, степень упорядоченности, временная стабильность параметров, деградационные процессы и др.

Перспективно использование аморфного, нанокристаллического или поликристаллического кремния в технологии гибкой электроники.

Любое отклонение от идеального ближнего порядка, характеризуемое насыщением всех химических связей, является дефектом. Тип дефектов и их количество играют определяющую роль в количественном описании полупроводниковых свойств аморфных материалов, как и в случае кристаллов.

В центре дефекта в аморфном полупроводнике находится единичная свободная валентная, или так называемая «оборванная» связь. Во внутреннем объеме кристаллических материалов такой вид дефектов нестабилен. Структурный порядок кристалла требует, чтобы разъединенные атомы не образовывали других связей. Количество же ненасыщенных связей при этом всегда четное (рис.2.1, а). в аморфных материалах в отсутствие дальнего порядка также возможен структурный беспорядок вблизи атома. Здесь разъединенные атомы могут образовывать новые связи, вследствие чего остаются единичные свободные связи (рис.2.1, б)

а б

Рис. 2.1. Двумерные схемы свободных валентных связей в дефектах:

а – оборванные валентные связи вблизи вакансии в упорядоченной структуре;

б – насыщенные и свободные валентные связи в неупорядоченной структурной сетке

В аморфном кремнии помимо нарушения дальнего порядка имеется высокая концентрация дефектов матрицы: оборванные связи, поры, посторонние примеси и др. Локальные дефекты типа "болтающихся" связей (неспаренные валентные электроны) создают энергетические уровни в запрещенной зоне – локализованные состояния, которые при большой концентрации таких дефектов могут образовывать распространенные состояния типа известных примесных зон. Наличие таких состояний существенно влияет на процесс генерации и рекомбинации носителей заряда, а, следовательно, на электрические и оптические параметры материала. Введение водорода в аморфные пленки кремния изменяет его электрофизические свойства. Растворяясь в аморфном кремнии, водород замыкает на себе болтающиеся связи (насыщает их), в результат в таком «гидрированном» материале, названном a-Si:H, резко снижается плотность состояний в запрещенной зоне (до 1016-1017см-3).

Пленки a-Si:H в зависимости от условий приготовления и обработки, кроме указанных дефектов, могут иметь флуктуационные области пониженной и повышенной плотности в виде “колонн” диаметром ≥ 10 нм, насквозь пронизывающие пленку по нормали к ее поверхности.

При уменьшении температуры осаждения ниже 150 оС увеличивается концентрация дефектов (оборванных связей), которые являются ловушками носителей зарядов; увеличивается концентрация водорода в пленках, главным образом за счет ди - и полигидридов, а также водородных цепочек, что коррелирует с ухудшением электронных свойств; снижается плотность пленок, материал становится пористым; снижается эффективность легирования. Это объясняется более низкой подвижностью радикалов, осаждаемых на поверхности пленки, вследствие снижения термической энергии в поверхностном слое (зоне роста).

В качестве подзатворного диэлектрика в тонкопленочных транзисторах на основе a-Si:H традиционно применяется плазмохимический аморфный нитрид кремния, а в ТПТ на поликристаллическом кремнии – плазмохимический оксид.