Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Физика и химия материалов оптоэлектроники...doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
11.11.2019
Размер:
922.11 Кб
Скачать

5.6. Влияние пластической деформации на электрофизические и оптические свойства материалов и характеристики приборов на гетероструктурах

Вклад пластической деформации подложки в процесс релаксации упругих напряжений в системе будет определяться величиной несоответствия периодов решетки, соотношением толщин подложки и эпитаксиального слоя, а также соотношением их механических свойств при рабочих температурах (в первую очередь, соотношением значений критических напряжений образования дислокаций).

Значение hкр может быть рассчитано также по теории Мэтьюза:

hкр ,

где b – вектор Бюргерса, ν – коэффициент Пуассона, φ – угол между вектором Бюргерса и осью дислокации, θ – угол между плоскостью скольжения дислокации и плоскостью межфазной границы.

Экспериментальные исследования и теоретические расчеты показывают, что в соединениях А3В5 при f0 < 10–2 энергетически выгодно образование полных 60-градусных дислокаций несоответствия с вектором Бюргерса, определяемым как b = . При эпитаксии на плоскость (100) угол θ составляет 54,74˚, при эпитаксии на плоскость (111) θ = 70,52˚.

В реальных условиях только часть химического несоответствия параметров решетки сопрягаемых слоев f0 компенсируется образованием дислокаций несоответствия: f0 = fD + ε0, где fD – величина химического несоответствия параметров решетки, скомпенсированная образованием дислокаций несоответствия; ε0 – значение остаточной равновесной деформации. Линейная плотность дислокаций несоответствия ND будет определяться значением fD и может быть рассчитана по следующей формуле: .

Расстояние между дислокациями оценивается как d = . Равновесное значение упругой деформации ε0 при выращивании слоя толщиной h можно оценить по формуле, предложенной Мэтьюзом:

.

Как уже отмечалось, значения hкр, рассчитанные из теоретических соображений, существенно ниже наблюдаемых на практике. Экспериментальные оценки hкр выше рассчитанных по теории Мэтьюза в 3…5 раз.

В связи с этим на практике зачастую используют упрощенную аппроксимационную формулу .

При проектировании гетероструктуры необходимо учитывать, что пластическая деформация наиболее вероятна при температурах эпитаксии, поскольку при повышении температуры прочностные характеристики материалов ухудшаются. Если релаксация упругих напряжений не произошла на стадии роста, то при охлаждении до комнатных температур она маловероятна, поскольку с уменьшением температуры предел текучести возрастает по экспоненциальному закону. Поэтому изопериодность желательно обеспечить при температурах выращивания гетероструктуры. Охлаждение такой структуры до комнатной температуры неизбежно приведет к возникновению упругих напряжений и деформаций из-за различия коэффициентов линейного расширения сопрягаемых материалов. Однако возникающие термоупругие напряжения, в отличие от напряжений несоответствия, как правило, не релаксируют.

Контрольный вопрос

5.5. Почему механические напряжения, возникшие в результате термоупругих сил, не приводят к пластической деформации кристалла, в то время как значительно более слабые по абсолютной величине механические напряжения, обусловленные химическим несоответствием параметров решетки, вызывают образование дислокаций?

Ответ. Химическое несоответствие параметров решетки влияет на процесс образования термоупругих напряжений при высоких температурах роста. Термоупругие напряжения возникают при охлаждении, увеличиваясь с уменьшением температуры до комнатной. Процесс релаксации структуры активационный, поэтому "большие" термоупругие напряжения могут находиться в "замороженном состоянии" при комнатной температуре.

В случае многослойной структуры вводится понятие эквивалентной деформации εэкв = , где εi – деформация в плоскости i-го слоя, hi – толщина i-го слоя, n – число слоев.

Задача 5.36. Определить угол φ между осью дислокации и вектором Бюргерса для наиболее энергетически выгодных дислокаций в структуре сфалерита. Оценить модуль вектора Бюргерса для этих дислокаций.

Решение. Энергия, необходимая для образования дислокации, пропорциональна . Наименьшее значение вектора Бюргерса соответствует наименьшему расстоянию между односортными атомами в структуре сфалерита. Это отрезок, связывающий атом в вершине куба с ближайшим атомом в центре грани. Таким образом, . Ось дислокации также относится к данному семейству векторов. Плоскость скольжения дислокации (111) – плоскость с максимальной плотностью атомов.

Из свойств скалярного произведения двух векторов для и, например, можно записать: ; ,

и .

Отсюда , т. е. 60˚.

Задача 5.37. Рассчитать критическую толщину эпитаксиального слоя hкр, если f0 = 10–3, a = 0,6 нм, 60 ˚, 54,74˚, ν = 0,33.

Сравнить значения hкр, получаемые по формуле Мэтьюза и по аппроксимационному выражению .

Ответ. По формуле Мэтьюза hкр = 118 нм, по аппроксимационной формуле hкр = 215 нм.

Задача 5.38. Несмотря на существенное различие между теоретически рассчитанными значениями hкр и экспериментально наблюдаемыми, роль теории в понимании природы протекающих процессов нельзя принижать.

Используя формулу Мэтьюза, проанализировать, как изменяется значение hкр с уменьшением толщины подложки. Определить по условиям задачи 5.37 значения hкр для толщины подложки hs = hкр.

Указание. При уменьшении толщины подложки возрастает деформация кристаллической решетки подложки. Для учета перераспределения деформации левую часть уравнения Мэтьюза следует заменить выражением

, значение которого при большой толщине подложки hs ( ) приближается к hкр.

Ответ. При hs = hкр значение hкр возрастает в 8 раз. Для условия задачи 5.37 критическая толщина hкр = 944 нм.

Таким образом, критическое значение толщины эпитаксиального слоя hкр – важнейший материаловедческий параметр. При превышении значения hкр возникают дислокации несоответствия, существенно влияющие на параметры приборов, изготовленных на основе гетероструктур.

Дислокации, как и любые структурные дефекты, влияют на состояние носителей заряда [22]. При этом дислокации не только приводят к рассеянию носителей заряда, но и создают локализованные на дислокации состояния, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне.

Первое рассмотрение дислокационных состояний было проведено Шокли и Ридом в 50-х гг. ХХ в. В модели Шокли−Рида принималось, что атомы ядра дислокации с краевой компонентой отличаются от атомов идеального кристалла наличием "оборванных" связей, которые могут действовать как акцепторы, захватывая электрон из зоны проводимости или из состояний, локализованных на окружающих дислокацию донорах. Поскольку между электронами действует кулоновское отталкивание, захватить электроны могут не все ненасыщенные связи. Степень заполнения дислокационных уровней характеризуется коэффициентом заполнения , где а – расстояние между "оборванными" связями; с – промежуток между заполненными состояниями.

В модели Шокли−Рида предполагается, что это заполнение fз определяется функцией распределения Ферми:

,

где ED – энергия дислокационного уровня, EF – энергия Ферми. Значение fз обычно не превышает 0,1.

Модель Шокли−Рида позволяет оценить радиус "дислокационной трубки". Если концентрация носителей заряда в полупроводнике n, то вокруг отрицательно заряженной дислокационной линии образуется область положительного пространственного заряда. Из условия равенства положительного заряда цилиндра отрицательному заряду дислокации радиус цилиндрической трубки .

С дислокацией связан не только электрический заряд, но и знакопеременное поле деформаций, изменяющее ширину запрещенной зоны в локальных областях.

Физические явления в полупроводнике, содержащем дислокации и окружающие их облака пространственного заряда, значительно сложнее, чем в идеализированной модели кристаллической решетки. Наличие оборванных связей, их способность деформироваться и взаимодействовать друг с другом и с окружающими атомами приводят к перемешиванию дислокационных состояний с зонными, образованию дискретных уровней и дислокационных зон, от которых отщепляются электронные состояния, связанные с перегибами и ступенями дислокации. В гетеросистемах характер энергетического спектра еще более усложняется вследствие наличия двух перпендикулярных систем дислокаций несоответствия. В реальных случаях это может приводить как к размытию дислокационных зон и, соответственно, к увеличению проводимости, так и к модуляции краев объемных и дислокационных зон из-за перекрывающихся деформационных и электрических полей дислокаций, возникновению андерсоновской локализации и щели подвижности, т. е. к модельным представлениям, описывающим аморфные состояния.

Основные экспериментальные результаты по влиянию пластической деформации и образующихся дислокаций на свойства материалов и характеристики приборов сведены в таблицу.

Изменение свойства или характеристики

Физические и химические причины

Взаимная разориентация слоев гетеросистем

Несоответствие параметров кристаллических решеток, релаксация напряжений в соответствии с возрастающей плотностью совпадающих углов, образование дислокаций несоответствия с наклоненным к гетерогранице вектором Бюргерса

Изменение механизмов проводимости

Изменение энергетического спектра, появление прыжковой проводимости или проводимости по дислокационной зоне

Изменение электрофизических свойств (концентрация носителей заряда, подвижности, времени жизни)

Кулоновское взаимодействие носителей заряда с дислокациями; ловушки, порождаемые энергетическими уровнями дислокации, искажения кристаллической решетки вблизи дислокаций; перераспределение (неоднородность) концентрации носителей заряда

Изменение оптических свойств

Образование локальных уровней и дислокационных зон в запрещенной зоне, обусловленное "оборванными» связями"

Изменение формы края фундаментального поглощения (сдвиг в длинноволновую область)

Влияние электрических полей заряженных дислокаций, влияние деформационных полей

Изменение люминесцентных свойств (как правило, гашение люминесценции)

Образование центров безызлучательной рекомбинации, связанных с глубокими дислокационными уровнями, изменение состояния центров люминесценции под влиянием деформационных и электрических полей дислокаций

Появление дополнительных полос поглощения в области энергии квантов, значительно меньшей, чем энергия межзонного перехода

Переходы между зонными и дислокационными состояниями

Снижение эффективности инжекционных лазеров и солнечных элементов из-за уменьшения диффузионной длины неосновных носителей заряда

Эффективный захват носителей заряда ловушками, связанными с заряженными дислокациями

Ухудшение характеристик приборов из-за нарушения планарности рп-переходов.

Изменение диффузионных параметров в процессе создания и эксплуатации прибора (изменение профиля легирования, образование неоднородностей); ускоренная диффузия вдоль дислокаций; электрические и деформационные поля дислокаций; неоднородное выделение теплоты при протекании тока

Ухудшение механических и электрофизических характеристик контактов

Повышение концентрации "оборванных" связей в области деформации, повышение реакционной способности, образование интерметаллических соединений в приконтактной области

Окончание таблицы

Изменение свойства или характеристики

Физические и химические причины

Изменение вольт-амперных характеристик приборов с рп-переходами и на барьере Шоттки (в особенности, обратных ветвей вольт-амперных характеристик)

Неоднородность упругих и электрических полей дислокаций; образование микрообластей с повышенной концентрацией носителей заряда; возникновение областей со встроенным электрическим полем; изменение ширины запрещенной зоны и снижение потенциальных барьеров в локальных областях

Деградация светоизлучающих приборов

Быстрая деградация в первые минуты работы гетеролазеров и светоизлучающих диодов сопровождается возникновением темных пятен.

Медленная деградация приводит к отказу приборов и сопровождается развалом темных пятен в систему темных линий. В обоих случаях причиной является возникновение интенсивной безызлучательной рекомбинации электронно-дырочных пар на центрах, связанных с дислокациями. Выделяющаяся при этом энергия поглощается решеткой и стимулирует образование новых дефектов (темные пятна). Образование системы дислокаций приводит к образованию системы темных линий

Возникновение микроплазменного пробоя в приборах силовой электроники

Образование локальных областей с высокими значениями напряженности электрического поля из-за следующих причин: неоднородности распределения примеси, наложения электрических полей дислокаций, ускоренной диффузии собственных дефектов и примесей при протекании тока, деформационного изменения потенциального рельефа, локального уменьшения ширины запрещенной зоны

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.