Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 17_Кристаллическая структура

Кристаллическое строение полупроводников A3B5

Большинство полупроводниковых соединений типа A3B5 и A2B6 кристаллизуется в кристаллическую алмазоподобную решетку типа цинковой обманки (сфалерит).

Такая решетка может быть представлена в виде двух подрешеток для атомов типа А (катионов) и атомов типа В (анионов). Каждая из подрешеток представляет собой FCC (гранецентрированная кубическая, ГЦК) решетку. Вторая подрешетка вставлена в первую со сдвигом ¼ вдоль главной диагонали.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 1

В примитивной ячейке находится по 4 атома каждого типа. Плотность атомов в единице объема: ρ = 4 / a3 ≈2×1022 атомов/см3

Каждый атом в такой решетке находится в окружении четырех ближайших соседей атомов противоположного типа, вписанных в правильную пирамиду.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 3

Направления вдоль базовых векторов элементарной ячейки задают систему координат.

Произвольное направление в кристалле обозначают с помощью индекса направления [hkl] – проекции вектора на оси элементарной ячейки, выраженные в единицах a и приведенные к целым числам.

Группы эквивалентных с точки зрения симметрии направлений обозначают <hkl>

Основные кристаллографические направления: <100> – вдоль ребер элементарной ячейки <110> - вдоль диагонали грани <111> - вдоль главной диагонали куба

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 4

[001]

[111]

(311) (111) (110)

[010]

[110]

(001)

[100]

Некоторые кристаллографические направления и плоскости в кристалле с кубической симметрией.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 5

Плоскости (или группы плоскостей) также обозначают с помощью трех чисел – индексов Миллера (hkl). Индексы Миллера h, k, l– связаны с длинами отрезков, x, y, z отсекаемых плоскостью на осях координат: h=s/x; k=s/y; l=s/z, где s – число, которое при умножении на обратные значения отрезков образует ряд наименьших целых чисел.

Для индексов направлений и индексов Миллера справедливы следующие правила:

1.Плоскость, параллельная одной из осей координат, имеет индекс 0 для данного направления.

2.Нормаль к плоскости (hkl) лежит в направлении [hkl]

3.Расстояние между соседними плоскостями

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 6

Плоскости с малыми индексами Миллера характеризуются относительно большим межплоскостным расстоянием, а плотность расположения атомов велика.

Плоскости могут различаться по образующим атомам (быть полярными и неполярными).

Например, плоскость типа (100) является полярной, т.к. может состоять только из атомов типа A (катионов) и атомов типа В (анионов). Соответственно, между соседними плоскостями такого типа существует электрическое притяжение. Поэтому поверхность, ориентированная вдоль такой плоскости не может быть получена скалыванием кристалла.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 7

(110) является неполярной, т.е. на ней лежит в среднем одинаковое число атомов типа A и типа B. Отсутствие электрического притяжения позволяет получать такие поверхности скалыванием кристалла.

Для кристаллической пластины, ориентированной в плоскости (100) плоскостями скалывания являются плоскости типа (011) и (0 1 1). При выращивании лазерной структуры на подложке, ориентированной (100), можно сформировать резонатор Фабри-Перо скалыванием параллельно

(011).

При нормальном падении света, коэффициент отражения равен:

большинстве случаев составляет около 30%.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 8

Поверхность представляет собой нарушение трансляционной симметрии кристалла – атомы, лежащие на поверхности, имеют окружение, отличающееся от окружения подобного атома в объеме.

Оборванные связи замыкаются определенным образом, так чтобы минимизировать полную энергию. Этот процесс сопровождается небольшими сдвигами атомов одного или нескольких поверхностных слоев относительно своих мест в объемном кристалле. В результате возникают так называемые поверхностные реконструкции.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 9

Поверхности с низкими индексами Миллера обычно остаются микроскопически-плоскими в результате реконструкции.

Вицинальная поверхность (т.е. поверхность, с малым углом наклона относительно точной ориентации с малым индексом Миллера) распадается на террасы с поверхностями, соответствующими точной ориентации.

Для поверхностей с высокими индексами Миллера более характерно фасетирование, т.е. распад на периодическую гофрированную структуру с гранями, ориентированными вдоль кристаллографических плоскостей с низкими индексами Миллера.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 17, стр. 10