Сичікова Я.О.

Бердянський державний педагогічний університет

Дефекти кристалів та їх вплив на формування наноструктурованих матеріалів

Поруваті напівпровідники привертають увагу багатьох дослідників завдяки відносно простій технології їх отримання, можливості управління геометричними параметрами пор від нанорозмірних до мікророзмірних об’єктів, а також перспективам створення комбінованих оптоелектронних пристроїв, в яких інформація обробляється не тільки в електронному, але й в оптичному вигляді. Досягнутий в останні роки прогрес у вивченні властивостей поруватого кремнію стимулював аналогічні дослідження для напівпровідникових сполук А³В⁵. Зокрема, дуже перспективним у цьому аспекті є поруватий InP, оскільки енергетичні параметри його монокристалів дуже близькі до параметрів монокристалічного кремнію і на основі його легко виготовляти прилади інтегральної оптоелектроніки сумісні з кремнієм, зокрема, резистивні оптопари.

При переході від мікронних до субмікронних елементів електронної техніки до нанорозмірних елементів суттєво підвищуються вимоги до структурної досконалості напівпровідникового матеріалу та технологій виготовлення приладів. Якщо у випадку мікронних розмірів елементів у зоні просторового заряду одного структурного дефекту розміщується до десятків елементів, то у випадку нанорозмірних елементів у зоні просторового заряду дефекту розміщуються десятки тисяч елементів, провідність робочих зон яких може бути інвертована. Процент виходу гідних елементів при цьому суттєво знижується. Встановлено, що дефекти у вихідному напівпровідниковому матеріалі впливають на процес дефектроутворення у виробі при проведенні різних технологічних операцій, проте механізм цього впливу до кінця не вивчено.

Вплив дислокацій на механічні та електричні властивості напівпровідників та виготовлених на їх основі приладів є загальновідомим фактом. Лінійні дефекти обумовлюють виникнення центрів розсіювання носіїв заряду при проходженні електричного струму. Більш того, наявність електричних полів може призводити до руху дислокацій при достатньо низьких температурах. Дрейфуюча дислокація при перетині активної області приладу може вивести його з ладу. Особливо чутливі до цього прилади з високим рівнем інтеграції.

О переміщені дислокацій можна судити як по прямим (електронна мікроскопія), так і непрямим (селективне травлення) методам досліджень. Взагалі кажучи, для створення високоефективних лазерів, світлодіодів, приладів силової техніки, інтегральних схем на основі напівпровідників третьої групи необхідно використовувати епітаксіальні шари, що вирощуються на підкладках бездислокаціоних монокристалів. Проте, отримання монокристалів бездислокаціонного фосфіду індію чи арсеніду галію представляє собою серйозну проблему, так як бар’єр Пайєрлса в площинах спайності цих матеріалів дуже низький. Не дивлячись на значний науковий та практичний інтерес мікромеханічні властивості таких кристалів досліджені недостатньо.

Тонкоплівочні гетероструктури знаходять широке застосування в сучасній електроніці. Стабільність властивостей гетерострктур, що має першочергову важність для їх технологічного застосування, суттєво залежить від присутності дефектів і полів напруг в плівках. Так, різниця між параметрами кристалічних граток в кристалічній структурі матеріалів підкладок та плівок обумовлює появу в плівках внутрішніх напруг, які суттєвим чином впливають на еволюцію структури та функціональних властивостей плівок. При перевищені товщиною плівки деякої критичної товщини напруги невідповідності частково акомодують за рахунок дислокацій невідповідності на міжфазній межі, що розділяє підкладку та плівку. Такі дислокаційні невідповідності порушують когерентність міжфазової межі, що нерідко призводить до деградації функціональних властивостей гетероструктур. Якщо розглядати поруваті структури на монокристалах як плівка – підкладка, то можна провести пряму аналогію з теорією дислокацій невідповідності. Межа розділу має такі самі характеристики, як і в описаних вище гетероструктурах. Пластична деформація кристалів часто супроводжується утворенням в них стінок краєвих дислокацій (мало кутових границь зерен). Так, дислокаційні стінки одного типу формуються, наприклад, при вигині підкладки. Такі стінки представляють собою малокутові границі зерен, кожна з яких проходить через всю підкладку та закінчується на протилежних вільних поверхнях підкладки (монокристалу). Дислокаційні стінки можуть суттєво впливати на процеси релаксації напруги невідповідності в поруватих шарах. Тому важливим моментом є виявлення дислокаційної природи не тільки поверхні поруватого шару, але й межі розділу «порувата структура – монокристал».

Дефекти відіграють вирішальну роль при виготовленні поруватих напівпровідників.

Глибина пор залежить від дефектності матеріалу в місцях формування пор. Затравками пор слугують дислокації, що є джерелами пружних механічних напружень, породжуючи навколо себе пружні деформації. Пружні взаємодії вихідних дислокацій з точковими дефектами кристалічної структури приводять до підвищення концентрації остаточних дефектів поблизу осі дислокації і створення хмарки Котрелла. Відомо, що дислокації суттєво впливають на механічні властивості кристалів завдяки порушенню регулярності кристалічної гратки в ядрі дислокації. Така ситуація призводить до зменшення внутрішньої енергії кристалу, а отож, і до ослаблення хімічної стійкості речовини в ядрі дислокації та поблизу нього, при цьому, деякі реагенти створюють ямки травлення.