Влияние упругих напряжений на формирование структурных дефектов в полупроводниках

Библиографические ссылки

1. Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М. : Наука, 2006.

2. Спесивцев А. В. Металлургический процесс как объект изучения: новые концепции, системность, практика. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2004.

3. Плавка в жидкой ванне / А. В. Ванюков, В. П. Быстров, А. Д. Васкевич и др. ; под ред. А. В. Ванюкова. М. : Металлургия, 1988.

4. Костин Е. В., Писарев А. И. Подготовка статистических данных для построения нейросетевой модели процесса плавки в печах Ванюкова // Науч. вестник Норильского индустр. ин-та. 2011. № 9. C. 45-49.

5. Kohonen T. Self-Organizing Maps, Springer, 1995.

6. Вороновский Г. К. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности. Харьков : Основа, 1997.

References

1. Okhtilev M., Sokolov B. V., Yusupov R. M. Intellektu-alnye texnologii monitoringa i upravleniya strukturnoj dinamikoj slozhnyx texnicheskix obektov (Intelligent technologies for monitoring and control of structural dynamics of complex technical objects). Moscow, Nauka, 2006, 410 p.

2. Spesivtsev A. V. Metallurgicheskiy protsess kak ob"yekt izucheniya: novyye kontseptsii, sistemnost', praktika (The steel making process as an object of study: new concepts, consistency, practice). SPb., Izd-vo Politekhn. un-ta, 2004, 306 p.

3. Vanyukov A. V., Bystrov V. P., Vaskevich A. D. et al. Plavka v zhidkoy vanne (Melting in a liquid bath). Moscow, Metallurgy, 1988.

4. Kostin E. V., Pisarev A. I. Nauchnyj vestnik noril-skogo industrialnogo instituta. 2011, № 9, pp. 45-49.

5. Kohonen T. Self-Organizing Maps, Springer, 1995.

6. Voronovskiy G. K. Geneticheskiye algoritmy, iskusstvennyye neyronnyye seti i problemy virtual'noy real'nosti (Genetic algorithms, neural networks, artificial and virtual reality problems). Kharkov, Osnova, 1997, 112 p.

© Костин Е. В., 2013

УДК 548.571

ВЛИЯНИЕ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Ю. Ю. Логинов1, А. В. Мозжерин1, А. В. Брильков2

1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. Е-mail: loginov@sibsau.ru

Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, просп. Свободный, 79. Е-mail: abrilkov@sfu-kras.ru

Методом просвечивающей электронной микроскопии исследованы закономерности образования структурных дефектов в полупроводниках CdTe, HgTe, ZnTe, ZnSe, ZnS, Si и GaAs. Установлено, что при одних и тех же условиях обработки в полупроводниках группы А2В6 образуются дефекты наибольших размеров и с более высокой плотностью по сравнению с Si и GaAs. При этом степень нарушений кристаллической решетки и интенсивность дефектообразования убывает в следующей последовательности: от ZnS — ZnSe «CdS — CdTe « «HgTe — ZnTe — GaAs «Si. Экспериментальные результаты объясняются на основе анализа упругих напряжений, создаваемых в материале в результате образования структурных дефектов.

Ключевые слова: структурные дефекты, упругие постоянные, электронная микроскопия, полупроводники.

EFFECT OF ELASTIC STRESSES ON THE FORMATION OF STRUCTURAL DEFECTS IN SEMICONDUCTORS

Yu. Yu. Loginov1, A. V. Mozsherin1, A. V. Brilikov2

1Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev 31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia. Е-mail:loginov@sibsau.ru

2Siberian Federal University 79 Svobodnyi prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia. Е-mail: abrilkov@sfu-kras.ru

The structural defects formation in semiconductors CdTe, HgTe, ZnTe, ZnSe, ZnS, Si and GaAs were investigated by method of transmission electron microscopy. It is found that the same processing conditions in semiconductors А2В6 defects are formed with largest dimensions and higher density as compared with Si and GaAs. The degree of crystal lattice irregularities and defect formation intensity decreases in the following order of ZnS — ZnSe « CdS — CdTe « «HgTe — ZnTe to GaAs and Si. The experimental results are explained on the basis of analysis of the elastic stresses in the material generated as a result of the formation of structural defects.

Keywords: structural defects, the elastic constants, electron microscopy, semiconductors.

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 А2В6 (С^Ге, Н^Ге, 2пТе, 2п8е, 2п8), кремния и ваЛє при идентичных условиях обработки наиболее интенсивное дефектообра-зование наблюдается в полупроводниках А2В6, а не в 8І и ваАє [2]. Легче всего процесс дефектообразования происходит в 2п8 и Сё8, в которых образуются дефекты с наибольшими размерами и высокой плотностью. Труднее всего процесс дефектообразования происходит в 8І и ваАє, в которых наблюдаются дефекты с небольшими размерами и меньшей плотностью.

В данной работе методом просвечивающей электронной микроскопии исследованы полупроводниковые кристаллы С^Те, ^Те, 2пТе, 2п8е, 2п8, 8І и ваАБ.

На рисунке показаны структурные дефекты, образующиеся в СгїГе, выращенном методом металл-органичес-кой парафазовой эпитаксии на монокристаллической подложке ваАБ, в результате облучения структуры С^Ге/ваАБ 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 Ах и 35 нм, который расширяется с ростом дозы облучения и связан со стоком точечных дефектов на границу раздела. Каких-либо изменений в ваАБ не происходит, т. е. ваАз является радиационно-стойким материалом к облучению электронами данной энергией.

« »’Ч г

" лнн

0-2-мк

і - \ . V л»; Л » ”, (

ОаАБ

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 СёТе, чем в других исследованных полупроводниках А2В6, и значительно меньше в 81 и ваЛБ при идентичных условиях обработки.

С точки зрения упругих напряжений, создаваемых в материале в результате образования структурных дефектов, можно рассчитать плотность внутренней энергии и, связанной с образованием скоплений точечных дефектов. Зная компоненты тензоров модулей упругости С^ш и податливости Бук1, выражение можно записать в общем виде [3]:

'і]кї укі >

где - 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 и можно вычислить по формуле [3]:

и = [ Ь

2 5Ь2 <^>2 * - *

где g =------2—; здесь б - относительный объем,

к

занятый дислокационными дисками, Ь - величина вектора Бюргерса, Ь = 96т2- 64т + 7; здесь

, 3(К> + (ц> , , ,

т = 2------------, к - толщина дисков, (К >, (ц> -

3< К > + 4<ц>

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

(К > = 3 (Сп + 2С12),

ф> = 5[( - С12 ) + ЗС44 ] .

Формирование структурных дефектов в С(!Те, выращенном на подложке ОаЛБ, при облучении электронами с энергией 100 кэВ, интенсивностью 4,7-1018 электрон/(см с), потоком 2,5^ 1021 электрон/см2

В результате электронно-микроскопических исследований установлено, что степень нарушений в полупроводниках уменьшается от 2п8 ^ 2п8е и Cd8 ^ ^ CdTe и HgTe ^ 2пТе ^ ваЛБ и 81, что можно объяс-

Принимая к и Ь и зная упругие постоянные [3; 4] (табл. 1) можно рассчитать плотность внутренней энергии на единицу относительного объема, занимаемого структурными дефектами, и / 5, например, при 300 К.

В табл. 2 приведены расчетные значения и/б для исследованных материалов. Из табл. 2 видно, что и/б меньше в CdTe и ^Те, затем несколько выше в 2пТе, 2п8 и 2п8е и значительно больше в ваЛБ и 81.

Таким образом, из упругих свойств рассмотренных материалов следует, что в полупроводниках А2В6 энергетически оправданно образование скоплений точечных дефектов с размерами больше, чем в 81 и ваЛБ, а скопления вакансий или междоузельных атомов в виде дисков в CdTe и ^Те могут занимать больший относительный объем, чем в 2п8, 2пТе или 2п8е. Это согласуется с экспериментальными данными, когда при идентичных условиях облучения электронами размеры образующихся скоплений точечных дефектов в CdTe больше, чем в 2пТе, 2п8 и 2п8е, и практически равны нулю в 81 и ваЛБ [2].

Таблица 1

Упругие постоянные Сц (1010 Н/м2) и Sy (10_11 м2/Н) соединений А2В6, GaAs и Si

Материал (кубич. сист.) C11 C12 C44 S11 S12 S44

CdTe 5,35 3,69 2,02 4,27 -1,74 4,95

HgTe 5,32 3,68 2,08 4,33 -1,77 4,80

ZnTe 7,15 4,08 3,11 2,39 -0,85 3,25

ZnSe 8,50 5,02 4,07 2,11 -0,78 2,46

ZnS 10,10 6,44 4,43 1,97 -0,76 2,26

GaAs 11,80 5,35 5,94 1,175 -0,366 1,68

Si 16,50 6,40 7,92 0,774 -0,216 1,26

Таблица 2

Значения упругих параметров <К>, <ц>, т, Ь и и/б для исследованных полупроводников А2В6, 81 и СаЛ*

Материал <K>, 1010н/м2 <|i>, 1010н/м2 m L U/8, 1010Дж/м3

CdTe 4,243 1,544 1,509 129,305 1,46

HgTe 4,23 1,576 1,50 127,0 1,50

ZnTe 5,10 2,48 1,41 107,62 2,527

ZnSe 6,18 3,14 1,394 104,33 3,21

ZnS 7,66 3,39 1,44 113,906 3,40

GaAs 7,50 4,854 1,31 87,91 5,0

Si 9,77 6,77 1,28 82,37 6,95

С ростом температуры размеры скоплений точечных дефектов будут увеличиваться, поскольку численные значения упругих постоянных Су и Бу при этом уменьшаются [3; 4], а следовательно, уменьшается и величина и/б. Так, значение и/б 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 2п8, 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, ^Те, 2пТе, 2п8е, 2п8, ваЛБ и 81.

Библиографические ссылки

1. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / под ред. А. Л. Асеева. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2004.

2. Логинов Ю. Ю., Браун П. Д., Дьюроуз К. Закономерности образования структурных дефектов в полупроводниках А2В6. М. : Логос, 2003.

3. Шермергор Т. Д. Теория упругости микронеод-нородных сред. М. : Наука, 1977.

4. Landolet-Bornstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology. Group III. Crystal and Solid State Physics / Ed. K.-H. Hellwege. Berlin ; Heidelberg ; NewYork : Springer-Verlag, 1979.

References

1. Nanotehnologii v poluprovodnikovoi elektronike (Nanotechnology in semiconductor electronics). Ed. А. L. Aseev. Novosibirsk, SO RAN, 2004. 368 с.

2. Loginov Y. Y., Brown P. D., Durose K. Zakono-mernosti formirovania strukturnih defektov v poluprovod-nikah А2В6 (The structural defect formation in semiconductors А2В6). Moscow, Logos, 2003, 304 p.

3. Shermergor T. D. Teoria uprugosti mikroneodno-rodnih sred (The theory of elasticity of micro-inhomogeneous media). Moscow, Nauka, 1977, 400 p.

4. Landolet-Bornstein numerical data and functional relationships in science and technology. Group III. Crystal and solid state physics. Ed. K.-H. Hellwege. Berlin; Heidelberg; NewYork, Springer-Verlag, 1979, vol. 11, 854 p.

© Логинов Ю. Ю., Мозжерин А. В., Брильков А. В., 2013