Влияние упругих напряжений на формирование структурных дефектов в полупроводниках

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 А 2 В 6 (CdTe, HgTe, ZnTe, ZnSe, ZnS), кремния и GaAs при идентичных условиях обработки наиболее интенсивное дефектообра-зование наблюдается в полупроводниках А 2 В 6 , 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.

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 А х ® 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.

Формирование структурных дефектов в CdTe, выращенном на подложке GaAs, при облучении электронами с энергией 100 кэВ, интенсивностью 4,7∙1018 электрон/(см2·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 объяс- нить 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 C_ijkl и податливости S_ijkl , выражение можно записать в общем виде [3]:

U = 2 S ijkiA^ki ,                    (1)

где A_i ^σ _jkl – 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 = | о [ L ( S 11 + 2 S ₁₂ ) + 11 S _n + 7 S 44 ] ,      (2)

о 2 5 b2 <ц)2

где g =----—; здесь 5 - относительный объем,

h2

занятый дислокационными дисками, b – величина вектора Бюргерса, L = 96m²– 64m + 7; здесь

_ 3

m = 2-----------, h - толщина дисков, <к),<ц) -

3< K) + 4<Ц)

усредненные значения объемного модуля упругости и модуля сдвига, которые в случае кубической симметрии определяются стандартными выражениями:

< к )= 3 (С11 + 2 С12),

<ц)= 5 [(С11 - С12 ) + 3С44 ] .            (3)

Принимая h « b и зная упругие постоянные [3; 4] (табл. 1) можно рассчитать плотность внутренней энергии на единицу относительного объема, занимаемого структурными дефектами, U/δ , например, при 300 К.

В табл. 2 приведены расчетные значения U/5 для исследованных материалов. Из табл. 2 видно, что U/5 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].

Таблица 1

Упругие постоянные С_ij (10¹⁰ Н/м²) и S_ij (10^–11 м²/Н)

соединений А2В6, GaAs и Si

Таблица 2

Значения упругих параметров , <µ>, m, L и U/δ для исследованных полупроводников А2В6, Si и GaAs

С ростом температуры размеры скоплений точечных дефектов будут увеличиваться, поскольку численные значения упругих постоянных Cij и Sij при этом уменьшаются [3; 4], а следовательно, уменьшается и величина U/δ. Так, значение U/δ в CdTe составляет 3,42·10¹⁰ и 1,42·10¹⁰ 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].

Таким образом, проводя анализ упругих постоянных, можно объяснить обнаруженную закономерность образования структурных дефектов в полупроводниках CdTe, HgTe, ZnTe, ZnSe, ZnS, GaAs и Si.