EFFECT OF ELASTIC STRESSES ON THE FORMATION OF STRUCTURAL DEFECTS IN SEMICONDUCTORS

Full Text

Полупроводниковые материалы и приборы широко применяются в космических аппаратах, устройствах электроники, изготовлении солнечных элементов [1]. В процессе выращивания полупроводниковых кристаллов и эпитаксиальных структур, облучения и термообработки в них формируются структурные дефекты, размеры и плотность которых зависят от условий обработки и природы материалов [1; 2]. Методом просвечивающей электронной микроскопии установлено, что при сравнении полупроводников группы А2В6 (CdTe, HgTe, ZnTe, ZnSe, ZnS), кремния и GaAs при идентичных условиях обработки наиболее интенсивное дефектообра-зование наблюдается в полупроводниках А2В6, а не в Si и GaAs [2]. Легче всего процесс дефектообразования происходит в ZnS и CdS, в которых образуются дефекты с наибольшими размерами и высокой плотностью. Труднее всего процесс дефектообразования происходит в Si и GaAs, в которых наблюдаются дефекты с небольшими размерами и меньшей плотностью. В данной работе методом просвечивающей электронной микроскопии исследованы полупроводниковые кристаллы CdTe, HgTe, ZnTe, ZnSe, ZnS, Si и GaAs. (1) На рисунке показаны структурные дефекты, образующиеся в CdTe, выращенном методом металл-органичес-кой парафазовой эпитаксии на монокристаллической подложке GaAs, в результате облучения структуры CdTe/GaAs электронами с энергией 100 кэВ непосредственно в электронном микроскопе. Дефекты представляют собой преимущественно скопления вакансий в виде пор и скопления атомов в форме темных образований. Непосредственно на границе «эпитаксиальный слой -подложка» также формируется переходный слой толщиной Ax & 35 нм, который расширяется с ростом дозы облучения и связан со стоком точечных дефектов на границу раздела. Каких-либо изменений в GaAs не происходит, т. е. GaAs является радиационно-стойким материалом к облучению электронами данной энергией. (3) life »■ ' •)" ,V ' I rr- GaAs Формирование структурных дефектов в CdTe, выращенном на подложке GaAs, при облучении электронами с энергией 100 кэВ, интенсивностью 4,7-1018 электрон/(см с), потоком 2,5-1021 электрон/см2 В результате электронно-микроскопических исследований установлено, что степень нарушений в полупроводниках уменьшается от ZnS — ZnSe & CdS — — CdTe & HgTe — ZnTe — GaAs & Si, что можно объяснить увеличением значения энергии дефекта упаковки (ЭДУ) материалов [2]. При этом размеры скоплений вакансий и междоузельных дефектов в виде пор и дислокационных петель больше в CdTe, чем в других исследованных полупроводниках А2В6, и значительно меньше в Si и GaAs при идентичных условиях обработки. С точки зрения упругих напряжений, создаваемых в материале в результате образования структурных дефектов, можно рассчитать плотность внутренней энергии U, связанной с образованием скоплений точечных дефектов. Зная компоненты тензоров модулей упругости Cijkl и податливости Sijkl , выражение можно записать в общем виде [3]: ‘ijkl ijkl > где Ajkl - тензор дисперсии внутренних напряжений, связанных со структурными дефектами. Для кристаллов с кубической симметрией, содержащих скопления вакансий или междоузельных атомов в виде дисков или дислокационных петель, значение U можно вычислить по формуле [3]: U = g0 [ L ( + 2Sj2 ) + 11Sn + 7 S44 ], (2) 2 §ь2 <д>2 о - * где g =-г—; здесь о - относительный объем, h занятый дислокационными дисками, b - величина вектора Бюргерса, L = 96m2- 64m + 7; здесь , 3<K> + (ц> , . . m = 2-, h - толщина дисков, (K>,<ц> - 3< K > + 4<ц> усредненные значения объемного модуля упругости и модуля сдвига, которые в случае кубической симметрии определяются стандартными выражениями: < K > = 3 (Cn + 2^ ), <^> = 5[(Cn _ C,2) + 3C44 ] . Принимая h & b и зная упругие постоянные [3; 4] (табл. 1) можно рассчитать плотность внутренней энергии на единицу относительного объема, занимаемого структурными дефектами, U / 5, например, при 300 К. В табл. 2 приведены расчетные значения U/S для исследованных материалов. Из табл. 2 видно, что U/S меньше в CdTe и HgTe, затем несколько выше в ZnTe, ZnS и ZnSe и значительно больше в GaAs и Si. Таким образом, из упругих свойств рассмотренных материалов следует, что в полупроводниках А2В6 энергетически оправданно образование скоплений точечных дефектов с размерами больше, чем в Si и GaAs, а скопления вакансий или междоузельных атомов в виде дисков в CdTe и HgTe могут занимать больший относительный объем, чем в ZnS, ZnTe или ZnSe. Это согласуется с экспериментальными данными, когда при идентичных условиях облучения электронами размеры образующихся скоплений точечных дефектов в CdTe больше, чем в ZnTe, ZnS и ZnSe, и практически равны нулю в Si и GaAs [2]. С ростом температуры размеры скоплений точечных дефектов будут увеличиваться, поскольку численные значения упругих постоянных Cj и Sj при этом уменьшаются [3; 4], а следовательно, уменьшается и величина U/5. Так, значение U/5 в CdTe составляет 3,42Т010 и 1,42Т010 Дж/м3 при 77 и 300 К соответственно. Это проявляется, в частности, в укрупнении пор, образовавшихся в ZnS, CdTe и CdS в результате электронного облучения, при последующем термоотжиге, что наблюдалось нами ранее [2]. Таблица 1 Упругие постоянные Cj (1010 Н/м2) и Sj (10_11 м2/Н) соединений А2В6, GaAs и Si Материал (кубич. сист.) C11 C12 C44 S11 S12 S44 CdTe 5,35 3,69 2,02 4,27 -1,74 4,95 HgTe 5,32 3,68 2,08 4,33 -1,77 4,80 ZnTe 7,15 4,08 3,11 2,39 -0,85 3,25 ZnSe 8,50 5,02 4,07 2,11 -0,78 2,46 ZnS 10,10 6,44 4,43 1,97 -0,76 2,26 GaAs 11,80 5,35 5,94 1,175 -0,366 1,68 Si 16,50 6,40 7,92 0,774 -0,216 1,26 Таблица 2 Значения упругих параметров <K>, <ц>, m, L и U/5 для исследованных полупроводников А2В6, Si и GaAs Материал <K>, 1010н/м2 <|i>, 1010н/м2 m L U/5, 1010Дж/м3 CdTe 4,243 1,544 1,509 129,305 1,46 HgTe 4,23 1,576 1,50 127,0 1,50 ZnTe 5,10 2,48 1,41 107,62 2,527 ZnSe 6,18 3,14 1,394 104,33 3,21 ZnS 7,66 3,39 1,44 113,906 3,40 GaAs 7,50 4,854 1,31 87,91 5,0 Si 9,77 6,77 1,28 82,37 6,95 Таким образом, проводя анализ упругих постоянных, можно объяснить обнаруженную закономерность образования структурных дефектов в полупроводниках CdTe, HgTe, ZnTe, ZnSe, ZnS, GaAs и Si.

About the authors

Yu. Yu. Loginov

Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev

Email: loginov@sibsau.ru

A. V. Mozsherin

Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev

A. V. Brilikov

Siberian Federal University

Email: abrilkov@sfu-kras.ru

References

Supplementary files