Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
В работе [18] описан оптический метод ориентации кристалла с точностью до Т. Монокристаллическая пластина
22
скалывается по двум взаимно перпендикулярным плоскостям [110] и закрепляется в специальном притирочном приспособлении. С помощью двух микрометрических винтов плоскости скола по очереди устанавливаются перпендикулярно к лучу света. В этом положении пластинка шлифуется и полируется с целью подготовки поверхности к проведению диффузии легирующей примеси или к созданию эпитаксиального слоя.
Несовершенства в кристаллических структурах. Представление о кристалле как об идеально периодической структуре оказалось исключительно плодотворным в теории твердого тела. Оно позволило объяснить зонную структуру их энергетического спектра, дифракцию рентгеновских лучей и электронов, теплоемкость, многие электрические и оптические свойства. Однако в реальных кристаллах всегда имеются отступления от идеальной периодичности или дефекты. Некоторые дефекты ухудшают свойства кристаллов, и их число необходимо сводить к минимуму, другие, как например легирующие примеси, наоборот, придают полупроводникам такие свойства, благодаря которым и стало возможно их широкое применение в науке и технике. Искажения кристаллической решетки особенно сильно изменяют механические, электрические, тепловые и оптические свойства полупроводников. Часто они определяют пластичность, вязкость, теплопроводность и электропроводность материала.
В развитии физики реальных кристаллов основополагающими явились работы А. Ф. Иоффе [1], Я- И. Френкеля [20], В. Шоттки [21] и Ф. Зейтца [22, 23].
По геометрическим признакам все дефекты могут быть разделены на четыре класса: точечные, линейные, двумерные и объемные [24]. Точечные дефекты локализованы в объемах, меньших, чем размер одной ячейки кристаллической решетки. К ним относятся междуузельные атомы основного вещества кристалла, незанятые узлы кристаллической решетки (вакансии), примесные атомы, центры окраски, двойные и тройные вакансии, комплексы примесь —: вакансия, примесь — примесь и т. п. Линейные дефекты — это дислокации и микротрещины. Границы зерен и двойников, дефекты упаковки, межфазные границы и границы кристалла относятся к двумерным, или поверхностным, дислокациям. Включения в кристаллическую решетку другой фазы и микропустоты можно рассматривать как объемные дефекты.
Отсутствие атома в узле решетки называется дефектом Шоттки, совокупность пустого узла и близко расположенного междуузельного атома — дефектом по Френкелю. Дефекты по Френкелю образуются в результате смещения атома. Если смещенный атом уходит на большое расстояние, то этот дефект превращается в дефект Шоттки (рис. 5).
23
В. Шоттки считал, что вакансии в решетке образуются в результате сублимации атомов с поверхности кристалла. Затем путем последовательного перезамещения узлов решетки атомами вакансии диффундируют в глубь кристалла.
Дефекты образуются в результате тепловых колебаний решетки неизбежно и закономерно. Из термодинамики следует, что концентрация дефектов в расчете на 1 моль равна п = = tiAe~wlhT, где па = 6,02 -1023 моль~{ — число Авогадро; k — постоянная Больцмана; w — энергия образования дефекта; ¦ Т — абсолютная температура, при которой выращивался кристалл. Энергии образования дефектов по Френкелю и по Шоттки лежат в пределах 2—4 эв, хотя первые несовершенства, как правило, характеризуются меньшим значением энергии, чем дефекты по Шоттки [1, 25—27].
Опыты показывают, что механическая прочность кристаллов часто на три-четыре порядка меньше, чем следует из теоретических представлений. Причина этого заключается в наличии в кристалле дислокаций. Дислокации могут быть краевые и винтовые, а также смешанного типа.
Краевая дислокация — это линейный дефект, вызванный появлением в кристалле лишней атомной полуплоскости. Ее можно представить также как результат смещения части кристалла перпендикулярно к дополнительной плоскости (рис. 6). Линия, ограничивающая полуплоскость, служит осью дислокации. Область, примыкающая к оси, где искажения структуры особенно велики, называется ядром дислокации, а более удаленные участки — упругой областью. За пределами ядра отклонения от идеальной структуры достаточно малы и хорошо описываются теорией упругих деформаций.
Винтовая, или спиральная, дислокация возникает в результате смещения одной части кристалла относительно другой на постоянную решетки, причем сдвиг параллелен оси дислокации (рис. 6).
Несмотря на микроскопические размеры дислокаций, они могут перемещаться по кристаллу, а при пластических деформациях происходит их размножение [28].
U Ч II I
—о=о=?о= =<
6
II II II -0=0=0=
= 0=0=0= =о< >о=
II V II =0=0=0= II II II
II П II
: 0=0=0= II II II
и il П
и v ?
0=0=0= II II II
Рис. 5. Образование дефектов решетки: а —идеальная решетка; б —дефект по Шоттки; в — дефект по Френкелю
24
Рис. 6. Дислокации: а — краевая ось перпендикулярна плоскости чертежа; б — винтовая ось обозначена стрелкой
Упомянутые выше дефекты будут возникать даже в химически идеально чистых кристаллах. Однако избавиться от чужеродных атомов практически невозможно. Даже если вещество очищено до такой степени, что количество примесей со-
