Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПО КРИТИЧЕСКОМУ РАДИУСУ ДИСЛОКАЦИОННЫХ ПЕТЕЛЬ

Логинов Ю.Ю. 1 Мозжерин А.В. 1 Брильков А.В. 2
1 ФГБОУ ВПО«Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева»
2 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Проведена оценка критического радиуса дислокационных петель (ДП) в монокристаллах полупроводников CdTe, ZnTe, ZnSe, ZnS, CdS, GaAs, Si и Ge с учетом величины энергии дефекта упаковки (ЭДУ). Распределение ДП по размерам изучали с помощью просвечивающего электронного микроскопа.Экспериментальные результаты сравнивались с теоретическими расчетами критических радиусов перехода частичных дислокационных петель в полные с учетом энергии образования дислокационных петель и энергии дефекта упаковки материалов. Показано, что критический радиус зависит от энергии дефекта упаковки и является важной характеристикой при анализе процессов дефектообразования в полупроводниках. Чем больше критический радиус ДП, тем менее стоек полупроводник к дефектообразованию и в нем происходит больше структурных нарушений при идентичных режимах воздействия (обработки). При этом размеры и плотность структурных дефектов в материалах при аналогичных условиях обработки зависят от величины энергии дефекта упаковки.
просвечивающая электронная микроскопия
дислокационные петли
критический радиус дислокационной петли
энергия дефекта упаковки
1. АмелинксС. Методы прямого наблюдения дислокаций. – М.: МИР, 1968. – 440 с.
2. Горичок И.В. Энтальпия образования дефектов Шоттки в полупроводниках // ФТТ. – 2012. – Т. 54, № 3. – С. 1373–1376.
3. Вотинов С.Н. К вопросу о роли энергии дефекта упаковки в изменении структуры и свойств металлов и сплавов в результате радиационного и термического воздействия / С.Н. Вотинов, О.П. Максимкин // Вопросы атомной науки и техники / серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. – 2002. – № 3 (81). – С. 23–30.
4. Логинов Ю.Ю. Закономерности образования структурных дефектов в полупроводниках А2В6 / Ю.Ю. Логинов, П.Браун, К. Дьюроуз. – М.: Логос, 2003. – 304 с.
5. Ebrahimi, F. Effect of stacking fault energy on plastic deformation of nanocrystalline face–centered cubic metals / F. Ebrahimi, Z. Ahmed, H. Li // Applied Physics Letters. – 2004. – Vol. 85, № 17. – P. 3749–3751.
6. Herrera M. Unfaulting of dislocation loops in the GaInNAs alloy: An estimation of the stacking fault energy / M. Herrera, D. González, J. G. Lozano, R. García, M. Hopkinson, H. Y. Liu, M. Gutierrez, P. Navaretti // J. Appl. Phys. – 2005. – Vol. 98, 023521. – P. 1–7.
7. Ohno Y. Interaction of dopant atoms with stacking faults in silicon crystals / Y. Ohno, T. Taishi, Y. Tokumoto, I. Yonenaga. // J. Appl. Phys. – 2010. – Vol.108, 073514. – P. 1–4.
8. Takeuchi S. Stacking-fault energy of II-VI compounds / S. Takeuchi, K. Suzuki, K. Maeda, H. Iwanaga // Phil. Mag. A. – 1984. – Vol. 50, № 2. – P. 171–178.
9. Semicond uctorson NSM [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/ (дата обращения 01.07.2013).
10. Кристаллические материалы [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.elektrosteklo.ru/Crystals.htm (дата обращения 01.07.2013).

Полупроводниковые материалы широко используются в микроэлектронике и солнечной энергетике. При облучении или термообработках в полупроводниках, как правило, образуется большое количество дислокационных петель, размеры которых весьма различны. При достижении определенного значения радиуса дислокационной петли, который носит название «критический» (rcrit), происходят резкие изменения в плотности дислокационных петель с радиусами больше, чем rcrit. Резкий переход в плотности петель при увеличении их радиуса r > rcrit авторы [6] связывают с переходом частичных дислокаций в полные. Критический радиус дислокационной петли можно рассматривать как важную характеристику, которая показывает те точки, после которых происходят качественные и количественные изменения дефектной сети материала. Поскольку энергия образования дислокационных петель связана с энергией дефекта упаковки материала (ЭДУ), то параметр ЭДУ является важным при анализе процессов дефектообразования и «дефектостойкости». Известно, что с уменьшением ЭДУ происходит увеличение структурных нарушений в металлах [3, 5]. Увеличение концентрации легирующей примеси в кремнии сопровождается снижением энергии дефекта упаковки, что связано с повышением интенсивности формирования примесных выделений [7]. При исследовании полупроводников A2B6 установлено, что интенсивность образования структурных дефектов при облучении электронами уменьшается в последовательности от ZnS → ZnSe ≈ CdS → CdTe ≈ HgTe → ZnTe и далее к GaAs ≈ Si, что коррелирует с ростом значения ЭДУ этих материалов [4].

В данной работе методом просвечивающей электронной микроскопии исследовали монокристаллы полупроводников CdTe, ZnTe, ZnSe, ZnS, CdS, GaAs, Si и Ge, содержащие дислокационные петли, образовавшиеся в результате различных термообработок и (или) облучении электронами и ионами при условиях, подробно описанных в [4]. Монокристаллы полупроводников A2B6 были выращены из газовой фазы в запаянной трубке, а GaAs, Si и Ge были выращены методом Чохральского. Электронно-микроскопические исследования проводили на приборах JEM-100 CX, JEM-4000 EXII и JEM-2100. Образцы для исследования в ПЭМ приготавливали стандартным методом, сначала механически утончая, используя устройство Gatan Dimple Grinder, а затем ионным травлением на установке Precision Ion Polishing System (PIPS), Gatan. Радиус rcrit определяли по методу, предложенному в [6], из гистограмм распределения дислокационных петель по размерам.

На рис. 1 показаны характерные дислокационные петли, образовавшиеся в CdTe в результате ионного травления тонкой фольги ионами Ar+ с энергией 5 keV в течение 15 min.

pic_27.tif

Рис. 1. Образование дислокационных петель в CdTe в результате ионного травления тонкой фольги ионами Ar + с энергией 5 keV в течение 15 min. TEM 220BF изображение

Размеры петель лежат в интервале от 15 до 65 nm при плотности 2,5∙1010 cm–2. Распределение дислокационных петель по размерам показано на рис. 2. Критический радиус в данном случае можно оценить в соответствии с [6] как 48 ± 3 nm. В этой области на рисунке наблюдается резкий скачок в плотности петель (показано стрелкой).

Известно, что процесс образования полной дислокационной петли с вектором Бюргерса Eqn41.wmf в ГЦК кристаллах можно представить как результат взаимодействия частичных дислокаций Шокли и Франка с векторами Бюргерса Eqn42.wmf и Eqn43.wmf.

Например,

Eqn44.wmf (1)

Согласно классической модели описания энергий процесса образования дислокационных петель, общая энергия образования дислокационной петли (El, perfect) включает в себя энергию дефекта упаковки дислокационной петли (ESF) и упругую энергию дислокационной линии (El, Frank) [1].

El, perfect = ESF + El, Frank, (2)

где Eqn45.wmf (3)

Eqn46.wmf (4)

Eqn47.wmf (5)

r – радиус дислокационной петли; µ – модуль сдвига; υ – коэффициент Пуассона; α – фактор ядра дислокации; bFrank – модуль вектора Бюргерса дислокационной петли Франка; bShockley – модуль вектора Бюргерса дислокационной петли Шокли. В стандартном случае получается Eqn48.wmf и Eqn49.wmf. Здесь a – параметр решетки.

pic_28.wmf

Рис. 2. Зависимость плотности (ρ) дислокационных петель от размеров (r)

Таким образом, из (2)–(5) получаем связь между критическим радиусом rcrit и энергией дефекта упаковки γ как:

Eqn50.wmf (6)

В работе [6] проведена оценка ЭДУ в GaInNAs с помощью классической модели образования дислокационных петель и показано, что она не в полной мере описывает экспериментальные результаты. Более энергетически выгодным является процесс образования петель, учитывающий скольжение двух частичных дислокаций Шокли в разных плоскостях. В этом случае формула (2) приобретает вид [6]:

El, perfect = ESF + El, Frank + 2EShockley, (7)

где

Eqn51.wmf (8)

здесь β – угол между вектором Бюргерса и дислокационной линией сегмента Шокли, равный π/6.

С учетом уравнений (7) и (8) выражение для γ можно записать как

Eqn52.wmf (9)

Зная значения ЭДУ для полупроводниковых материалов, из уравнения (9) можно рассчитать критические радиусы дислокационных петель для различных полупроводников.

Для решения полученного трансцендентного уравнения использовали программный пакет «Maple».

Значения rcrit для ряда полупроводников представлены в таблице.

Приведенные в таблице значенияrcrit сравнивались с экспериментальными данными, полученными в результате электронно-микроскопических исследований полупроводниковых материалов. Установлено, что рассчитанные по классической модели rcrit не соответствуют экспериментальным значениям и завышены на порядок величины. Значения rcrit, рассчитанные по формуле (9) находятся в хорошем соответствии с экспериментальными значениями (последний столбец таблицы).

Из таблицы также видно, что критический радиус дислокационных петель в полупроводниках напрямую связан с энергией дефекта упаковки материала и уменьшается с ростом ЭДУ. То есть чем выше ЭДУ в материале, тем меньше значение «критического» радиуса и тем более низкая вероятность обнаружить крупные дислокационные петли. Это хорошо согласуется с электронно-микроскопическими исследованиями [4]. В частности, из экспериментов с использованием просвечивающего электронного микроскопа следует, что сульфид цинка, имеющий самую низкую ЭДУ среди исследованных полупроводников, имеет самую высокую плотность и разнообразие структурных дефектов, а размеры дислокационных петель могут достигать значений, на несколько порядков превышающих аналогичные размеры в других анализируемых материалах.

Значения rcrit для ряда полупроводников

Материал

Параметр решетки, nm

Коэффициент Пуассона [2, 9, 10]

Модуль сдвига, GPa [2, 9, 10]

ЭДУ, mJ/m2 [1,4,7,8]

rcrit, nm

Класс. модель

Класс. модель с уч. дисл. Шокли

Ge

0,566

0,26

31,7

90

~25,1

~ 3,8

Si

0,543

0,27

42,9

50-60

46,5–58,1

7,9–10,1

GaAs

0,565

0,31

32,9

55 ± 5

40,1–50,2

7,8–9,9

ZnTe

0,609

0,36

17,3

16 ± 4

92,9–171

22,5–42,5

CdTe

0,648

0,41

9,2

11 ± 1,9

95,5–145

26,3–41

ZnSe

0,566

0,28

27,5

11,4 ± 1,3

197–257

38,4–51

CdS

0,527

0,4

16,1

7,8 ± 1,9

162–290

44,9–80,2

ZnS

0,541

0,38

21,7

5–6

405–500

110–136

   

0,28

26,3

   

82–101

Таким образом, показано, что имеется корреляция между критическим радиусом ДП и значением ЭДУ. Критический радиус ДП уменьшается с ростом ЭДУ. Поскольку ЭДУ ‒ универсальная величина, указывающая на стойкость материала к дефектообразованию [3–5, 7], то значение «критического» радиуса дислокационной петли можно рассматривать как меру дефектостойкости полупроводников. Чем больше критический радиус ДП, тем менее стоек полупроводник к дефектообразованию и в нем происходит больше структурных нарушений при идентичных режимах воздействия (обработки). При этом размеры и плотность структурных дефектов в материалах при аналогичных условиях обработки зависят от величины энергии дефекта упаковки.

Рецензенты:

Попов А.М., д.ф.-м.н., профессор, Сибирский государственный аэрокосмический университет им. ак. М.Ф. Решетнева, г. Красноярск;

Мисюль С.В., д.ф.-м.н., профессор, Сибирский федеральный университет, г. Красноярск.

Работа поступила в редакцию 11.07.2013.


Библиографическая ссылка

Логинов Ю.Ю., Мозжерин А.В., Брильков А.В. ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПО КРИТИЧЕСКОМУ РАДИУСУ ДИСЛОКАЦИОННЫХ ПЕТЕЛЬ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-5. – С. 1071-1074;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32086 (дата обращения: 19.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074