§ 2.7. Дефекты кристаллов

Идеальных кристаллов, в которых все атомы находились бы в положениях с минимальной энергией, практически не существует. Отклонения от идеальной решетки могут быть временными и постоянными. Временные возникают при воздействии на кристалл ме­ханических, тепловых и электромагнитных колебаний, при прохождении через кристалл потока быстрых частиц и т. д. К посто­янным несовершенствам относятся точечные дефекты (междоузельные атомы, вакансии, примеси); линейные дефекты (дисло­кации), плоские дефекты (границы зерен, границы самого кристал­ла); объемные дефекты или макроскопические нарушения (закрытые и открытые поры, трещины, включения постороннего вещества). Структурные несовершенства могут существенно изме­нить многие свойства кристаллов.

Первым видом отклонений от идеальной структуры являются

40

тепловые колебания решетки, которые существуют в кристаллах мри всех температурах. При любой температуре в решетке всегда найдутся атомы, энергия которых значительно превышает среднее значение энергии решетки. Такие атомы могут покидать свои узлы и переходить в междоузлия. Возникают сразу два дефекта: вакан-

сия и атом в междоузлии. Перемещаясь по междоузлиям, атомы могут так далеко уйти от своих прежних соседей, что практически перестанут с ними взаимодействовать.

Дефекты, состоящие из вакансии и атома в междоузлии, называют дефектами по Френкелю (рис. 2.15). Часть атомов, покинувших свои места, может переместиться к поверхности кристалла,

надстраивая новый атомный слой. Оставшиеся в кристалле вакансии называют дефектами по Шоттки (рис. 2.16).

Сами по себе вакансии (рис. 2.17) и атомы в междоузлиях

(рис. 2.18) существенно изменяют энергетическое положение атомов, расположенных вблизи этих дефектов.

Наиболее важными и оказывающими существенное влияние на

свойства полупроводников являются привесные дефекты. Примес-

41

ные атомы определяют тип и величину электропроводности полупроводника, влияют на подвижность носителей заряда и время жиз­ни носителей. Примеси имеются в решетках всегда, поскольку современные методы очистки кристаллов не позволяют еще получать кристаллы с содержанием примесных атомов менее 10" см-³. Если атом примеси замещает атом основного вещества в узле решетка, он называется примесью замещения (рис. 2.19). Если приметный атом внедряется в междоузлие, его называют примесью внедрения (рис. 2.20). Все эти дефекты находятся в термодинамическом равновесии с решеткой.

Дефекты кристаллической решетки обладают некоторой подвижностью, которая растет с увеличением температуры. Перемещение

дефектов связано с преодолением потенциальных барьеров, высота которых определяется природой дефекта, структурой решетки и направлением перемещения дефекта. По этим причинам движение дефектов приводит к изменению энергии кристалла.

При механической и термической обработке кристаллов могут возникнуть дислокации. Различают дислокации линейные и винтовые.

Линейные дислокации образуются в кристаллах, подвергнутых деформации сдвига (рис. 2.21). В результате сдвига в атомном слое, лежащем на плоскости сдвига, содержится на один атом больше, чем в слое под плоскостью сдвига. При этом в верхней части кристалла образуется лишняя атомная плоскость, граница которой и является дислокацией, обозначенной на рис. 2.21 символом.

Винтовые дислокации образуются при скольжении, происходящем параллельно линии дислокации. Для представления механиз­ма возникновения винтовой дислокации сделаем мысленно разрез в кубической решетке и половину нижней части куба сместим отно­сительно верхней на одно атомное расстояние (рис. 2.22). Как вид­но из рисунка, пунктирная линия искажения в расположении ато­мов проходит вдоль края разреза параллельно вектору сдвига. Эту линию называют винтовой дислокацией. Основная особенность вин-

42

товой дислокации заключается в построении атомных плоскостей. В области скольжения нет полностью застроенных атомных плоскостей, перпендикулярных дислокации. Можно сказать, что весь кристалл состоит из одной атомной плоскости, закрученной по винтовой линии. Наличие в кристалле винтовой дислокации облегчает рост кристалла, поскольку для образования каждой новой плоскости требуются зародыши, а винтовая дислокация образует слой атомов, поднимающийся над плоскостью кристалла в виде ступени, являющейся естественным зародышем.

Дислокации оказывают влияние на рост кристаллов и возникновение в кристаллах механических напряжений. Кроме того дис-

локации влияют на электропроводность, вызывают рассеяние носителей заряда, служат центрами рекомбинации и генерация носителей заряда. Дислокации почти не образуются при выращивании кристалла в условиях, свободных от механических напряжений при малом градиенте температуры выращивания.

Характерной особенностью дислокаций является их способность к перемещению по кристаллу под действием механических напряжений. Линейные дислокации могут достигать поверхности кристалла и исчезать там.

Исследования структуры кристаллов показали, что встречаются монокристаллы, состоящие из большого количества небольших областей, слегка разориентированных между собой. Такие кристаллы имеют зернистое или блочное строение, обусловленное плоски- ми дефектами. Относительное ориентирование двух соседних зерен может принимать бесконечное множество значений; соответственно существует бесконечное разнообразие границ между зернами. Поскольку решетка в местах соприкосновения зерен имеет нарушение периодичности, то возникает переходный слой — область повышенного удельного сопротивления и большой концентрации эффективных центров рассеяния носителей заряда. вблизи дислокаций решетка упруго деформируется. Такие де- формированные области возникают и у поверхности кристалла, вблизи точек выхода дислокаций на поверхность. Если такой кри-

43

сталл поместить в травитель (химический раствор, в котором кристалл растворяется), то из-за нарушения и деформации связей между атомами, расположенными вблизи дислокаций, скорость травления в местах выхода дислокаций будет больше, чем на ос­тальной поверхности кристалла, и в этих местах образуются «ямки травления». Этим способом пользуются для обнаружения дислока­ций. С целью получения четкой картины специально подбирают травители для разных типов кристаллов. Дислокационные ямки травления отличаются от других дефектов правильной формой, отражающей симметрию атомов, расположенных на данной грани кристалла.