Конспект лекций по модулю Дефекты в неупорядоченных системах полупроводников (стр. 1 )

Конспект лекций

по модулю

Дефекты в неупорядоченных системах полупроводников

Содержание конспекта лекций модуля
«Дефекты в неупорядоченных системах полупроводников»

Лекция 1. 3

Лекция 2. 10

Лекция 3. 14

Лекция 4. 21

Лекция 1

Особенности дефектообразования в элементарных полупроводниках и полупроводниковых соединениях AIIIBV , AIIBVI, AIVBVI

Отличительная черта кристаллического состояния – строгая периодичность в расположении частиц, составляющих решётку кристалла. Любое нарушение этой периодичности – дефект. Дефекты (рис.1.1) оказывают существенное влияние на электропроводность, фотопроводимость, теплопроводность, скорость диффузии, магнетизм, твердость, прочность и пластичность, плотность и т. д. Зависимость этих параметров твердого тела от дефектов может быть значительной, и в итоге они будут определяться не столько исходной структурой материала, сколько типом и числом дефектов в нем.

Рис. 1.1. Виды дефектов в полупроводниках

Малая подвижность и большое время жизни дефектов структуры позволяют описать их наглядными геометрическими моделями и классифицировать их по чисто геометрическому признаку, а именно по числу пространственных измерений, в которых нарушения структуры кристалла простираются на расстояния, значительно превышающие параметры элементарной ячейки. Выделяют четыре группы дефектов.

Точечные (нульмерные) дефекты. Само называние их свидетельствуют о том, что нарушения структуры локализованы в отдельных точках кристаллического пространства. Размеры указанных дефектов во всех трех измерениях не превышают нескольких межатомных расстояний. К точечным дефектам относятся вакансии, атомы в междоузлиях, примеси внедрения и замещения, а также сочетания примесь-вакансия, примесь-примесь, двойные вакансии и др.

Линейные (одномерные) дефекты характеризуются тем, что нарушения трансляционной симметрии в одном направлении простираются на расстояния много больше параметров элементарной ячейки, тогда как в других измерениях они не превышают нескольких значений параметра решетки. К линейным дефектам относятся дислокации, а также цепочки вакансий. Дислокации возникают, как правило, в результате пластической деформации кристалла в процессе роста или при последующих обработках.

Плоские или поверхностные (двухмерные) дефекты в двух измерениях имеют размеры во много раз превышающие параметры элементарной ячейки, а в третьем измерении составляют несколько параметров. Дефекты упаковки, границы зёрен и кристаллов-двойников, межфазные границы, доменные стенки, а также поверхности (грани) кристалла представляют собой двухмерные дефекты.

Двухмерные дефекты также могут быть следствием наличия примесей в расплаве или растворе, из которого растёт кристалл. Хорошо известны зональные и секториальные границы в кристаллах, выращенных из растворов, которые также являются двухмерными дефектами.

Объёмные (трехмерные) дефекты – это микропустоты, трещины, включения другой фазы. Они возникают обычно при выращивании кристалла или в результате некоторых внешних воздействий на кристалл. Так, например, наличие большого количества примесей в расплаве, из которого ведется кристаллизация, может привести к образованию в кристалле достаточно крупных частиц второй фазы.

Основное отличие точечных дефектов от линейных, двумерных и объемных дефектов состоит в том, что они могут существовать в кристалле как в термодинамически равновесном, так и в метастабильном состояниях при конечной температуре. Линейные, двумерные и объемные дефекты являются метастабильными образованиями, возникающими при росте, механической деформации или при термической обработке кристалла. Таким образом, теоретически можно получить кристалл, содержащий только точечные дефекты.

Под влиянием внешних воздействий дефекты могут перемещаться по кристаллу, взаимодействовать друг с другом с образованием новых как сложных, так и простых дефектов. Эти явления приводят к изменению с течением времени свойств материала, из которого изготовляется прибор, что, естественно, ведет к изменению выходных параметров прибора в процессе его работы.

Точечные дефекты

Вакансия — это простейший структурный дефект, представляющий собой свободный узел решетки, который должен быть занят атомом или ионом в совершенном кристалле. Образование вакансий сопровождается упругой деформацией решетки, при этом происходит смещение ближайших к вакансии атомов в ее сторону. Вакансии обозначаются VА, VВ, ... , где индексы A, B... указывают тип отсутствующего атома.

Междоузельным называют атом (ион), расположенный в междоузлии (простой дефект). Ai означает атом A в междоузлии. Вероятность размещения атома в междоузлии определяется прежде всего относительным объемом междоузлия (пустоты) и размером междоузельного атома. Наиболее существенную роль в типичных полупроводниках со структурами типа алмаза, сфалерита и вюртцита играют октаэдрические и тетраэдрические пустоты, находящиеся между атомами, центры которых расположены соответственно в вершинах октаэдра и тетраэдра.

Вакансии, возникающие за счет ухода атома из узла на поверхность кристалла или на какую-либо границу внутри кристалла, называют дефектами Шоттки.

Парный дефект (вакансия + междоузельный атом), возникающий за счет перехода атома из узла решетки в междоузлие, называют дефектом Френкеля.

Вакансии и междоузельные атомы в полупроводниках могут находиться как в нейтральном, так и в электрически активном состоянии (одно - и многозарядном).

Помимо вакансий и междоузельных атомов, в соединениях важную роль играют так называемые антиструктурные дефекты - дефекты, которые образуются при взаимном обмене местами атомов элементов, образующих соединение. Такие дефекты наиболее часто возникают в соединениях, в которых размеры и электроотрицательность образующих их атомов близки, то есть роль ионной составляющей связи невелика.

Особенностью соединений является также образование точечных дефектов при отклонении состава от стехиометрического в области гомогенности. Отклонение от стехиометрии приводит к образованию вакансий в большинстве полупроводников (образуются твердые растворы вычитания), но могут образовываться и междоузельные атомы. Например, в GaAs избыток Ga создает вакансии As, а избыток As приводит к появлению вакансий Ga и, кроме того, междоузельных атомов As. Однако в этом случае вакансию и междоузельный атом нельзя объединить в один парный дефект, поскольку вакансия Ga и междоузельный атом As не могут аннигилировать.

Точечные дефекты могут перемещаться по кристаллу путем диффузии, взаимодействовать друг с другом и с другими дефектами.

Точечные дефекты образуются в результате:

·  тепловых колебаний атомов;

·  пластической дефомации (вакансии и междоузельные атомы могут возникать и исчезать в процессе движения и пересечения дислокаций, образующихся при пластической деформации кристалла);

·  облучения (радиционные дефекты);

·  отклонения от стехиометрии.

О концентрации и состоянии точечных дефектов в кристалле можно судить по изменению плотности кристалла или параметров решетки, по проводимости (в случае электрически активных дефектов), по спектрам поглощения света и т. д.

Дислокации

Энергия образования дислокаций существенно выше энергии образования точечных дефектов, поэтому они не могут существовать в измеримых концентрациях как термодинамически устойчивые дефекты. Они легко образуются при выращивании монокристаллов или эпитаксиальных слоев, сопровождающемся термическими, механическимии концентрационными напряжениями, приводящими к пластической деформации кристалла. Часть дислокаций может сохраняться в кристалле даже после самого тщательного отжига.

В кристаллах возможны краевые, винтовые и смешанные дислокации. Следует отметить, что в кристаллах полупроводников в чистом виде краевая и винтовая дислокации встречаются редко.

В структуре типа алмаза энергетически наиболее выгодны дислокации с вектором Бюргерса (a/2)<110>.

К простым дислокациям в структуре типа алмаза относятся: винтовая (линия дислокации совпадает с вектором Бюргерса), краевая с плоскостью скольжения {100} (линия дислокации перпендикулярна вектору Бюргерса) и 60-градусная дислокация с плоскостью скольжения {111} (вектор Бюргерса образует угол 60◦ с линией дислокации). Остальные дислокации - сложные.

Характерной особенностью краевых и 60-градусных дислокаций является то, что атомы, образующие край атомной полуплоскости, имеют ненасыщенные (оборванные) связи, то есть эти дислокации электрически активны в отличие от электрически неактивных винтовых дислокаций. Оборванные связи дислокаций обычно действуют как акцепторы.

Дислокации подобно примесным атомам и собственным точечным дефектам могут создавать дополнительные электронные состояния в запрещенной зоне. Дислокации увеличивают скорость диффузия атомов в кристалле. Сгущение облаков Коттрелла вокруг дислокаций может привести к образованию включений второй фазы.

Двумерные дефекты

В условиях, неблагоприятных для скольжения, пластическая деформация кристаллов может приводить к образованию не дислокаций, а двойников или дефектов упаковки.

Прослойку с нарушенным чередованием плотноупакованных слоев называют дефектом упаковки.

В случае дефекта упаковки последовательность типа ABCABCABC..., характерная для чередования плотноупакованных слоев в решетках типа алмаза и сфалерита, имеет вид ABCAB CAC ABCABC.

Присутствие окислительных дефектов упаковки (ОДУ) в активных областях приборов приводит к деградации их свойств. В настоящее время требования к кремнию электронного качества достаточно жестко регламентируют плотность ОДУ.

Существует два типа ОДУ: поверхностные и объемные. Первые образуются, как правило, на механических нарушениях поверхности, таких как царапины. Кроме того, центрами зарождения ОДУ на поверхности могут служить свирлевые дефекты и примесные загрязнения. Объемные ОДУ формируются на свирлевых дефектах и кислородных преципитатах. И объемные, и поверхностные ОДУ представляют собой дефект упаковки внедрения, ограниченный частичной дислокацией Франка и лежащий в плоскости (111) с вектором Бюргерса b = 1/3 <111>.