Несмотря на то, что современная технология достигла высоких результатов в создании полупроводниковых кристаллов: содержание остаточных примесей в них может быть понижено до 10-8 %, в них всё равно

3 Дефекты в InP

Несмотря на то, что современная технология достигла высоких результатов в создании полупроводниковых кристаллов: содержание остаточных примесей в них может быть понижено до 10^-8 %, в них всё равно присутствуют дефекты. Любые отклонения от периодической структуры кристалла называются дефектами, которые разделяют на точечные и протяжённые. Точечные дефекты характеризуются тем, что искажения решётки кристалла сосредоточены в окрестностях одного узла, локализованы на расстояниях порядка межатомного а. Протяжённые дефекты бывают нескольких видов: линейные (дислокации), плоскостные (межфазные границы) и объемные (поры и трещины), размеры которых превышают величину а.

Дефекты сильно влияют на механические, электрические, оптические и другие свойства твёрдых тел. Чем чище и совершеннее материал, тем более ярко выражено это влияние.

При температуре Т > 0 в равновесии реальные кристаллы содержат небольшое количество дефектов, соответствующее минимуму потенциальной энергии. Дополнительные дефекты вносятся при воздействиях, таких как нагрев, деформация, облучение частицами и др. Иногда эти воздействия осуществляются специально на определённых этапах технологического цикла создания полупроводникового прибора, но могут быть и нежелательными, например при работе прибора в агрессивных средах.

Существует несколько типов точечных дефектов. Собственными точечными дефектами в одноатомном кристалле являются вакансия – отсутствие атома в узле решётки, и междоузельный атом – лишний атом, внесённый в решётку. Примеры таких дефектов изображены на рисунке 22222.

V – вакансия; I – междоузельный атом; V-I – пара Френкеля

Рисунок 22222 – Собственные дефекты в кристаллической решётке одноатомного кристалла

Указанные дефекты обозначаются буквами V и I. Вакансии может быть изолированной и называться дефектом Шоттки, или образовывать комплекс с атомом, расположенным в ближайшем междоузлии, этот комплекс называют парой Френкеля.

В бинарном соединении, таком как InP, число возможных собственных дефектов значительно больше. Это вакансии в двух подрешётках фосфора и индия V_P и V_In, междоузельные атомы I_P и I_In.

Так же появляется совершенно новый тип точечного дефекта, изображённый на рисунке 333 – антиструктурный, представляющий из себя атом индия в подрешётке фосфора In_P или наоборот атом фосфора в подрешётке индия P_In. Именно этот вид дефектов наиболее распространён в соединении InP.

V_In, V_P – вакансии в двух подрешётках; P_In, In_P – антиструктурные дефекты

Рисунок 3333 – Собственные дефекты в кристаллической решётке InP

При определённых условиях собственные точечные дефекты могут образовывать комплексы типа дивакансий и мультивакансий, уже упоминавшиеся пары Френкеля, а так же комплексы с атомами примесей. В фосфиде индия встречаются образование вакансий в различных подрешётках V_InV_P, комбинации с антиструктурными дефектами V_InP_In, In_PP_In и т.д.

Проявление дефектов отражается в электронных процессах. Как известно энергетический спектр электронов в идеальном полупроводниковом кристалле представляет собой набор чередующихся зон, разделённых интервалами, в которых нет разрешённых для электронов уровней энергии то есть запрещённые зоны, наивысшая зона, уровни которой при Т=0 полностью заполнены это валентная зона, а следующая за ней пустая зона это зона проводимости. Наглядно это представлено на рисунке 44444.

а – идеальный кристалл; б – дефектный кристалл

I – валентная зона; II - зона проводимости

Рисунок 4444 – Энергетический спектр электронов

Любое отклонение от периодической структуры кристалла вызывает появление разрешённых уровней энергии в Eg, которые обозначаются E1, E2, E3 и т.д. Электронные уровни, соответствующие дефектам, находящиеся ниже уровня ферми заполнены электронами, а расположенные выше EF – пусты. В простейшем случая дефекты обладают только двумя зарядовыми состояниями. Если эти состояния определяются зарядами ⁺е и 0, то центр называется донорным, а в случае ^–е и 0 – акцепторным. Важной характеристикой дефекта является положение энергетического уровня относительно края разрешённой зоны (Ec или Ev). На примере рисунка 44444 допустим, что E1 – уровень донорного, а Е3 – уровень акцепторного центров. Если для них выполняются условия, указанные в формуле 2, тогда оба уровня называются мелкими, что означает их полную ионизацию (доноры отдадут электроны в зону проводимости, а акцепторы захватят электроны в валентной зоне, оставив подвижные носители заряда – дырки). Именно введение дефектов с мелкими уровнями и осуществляют создание областей с электронной или дырочной проводимостью.

Ec - E1 ≤ k·T, E3 - Ev ≥ k·T (2)

Уровни, для которых эти условия не выполняются, называются глубокими. Такие дефекты являются эффективными центрами безызлучательной рекомбинацией носителей заряда.

Процесс выращивания совершенных полупроводниковых кристаллов весьма сложен и требует применения высококачественного оборудования, обслуживаемого опытным персоналом, и любые отклонения от заданного режима могут привести к появлению дефектов. Если дефекты вводятся целенаправленны, то данную операцию называют легированием. При этом преследуются две цели: управление электропроводностью кристалла или рекомбинационным процессом в нём [1-4].

Дата добавления: 2015-08-29