Монокристаллах полупроводников

Характерной особенностью дефектной структуры облученных кристаллов являются хаотичность в расположении точечных и объемных барьеров и неоднородность создаваемых ими полей напряжений. Но нельзя считать распределение дефектов в кристаллах изотропным. На начальной стадии облучения кристаллов наблюдается сильная анизотропия в распределении радиационных дефектов и анизотропия влияния радиации на механические свойства в различных кристаллографических направлениях. О. А. Троицкий [15] на монокристаллах цинка обнаружил в плоскостях базиса более высокую скорость накопления радиационных дефектов и большее влияние радиации на сопротивление движению дислокаций в базисных плоскостях по сравнению с другими кристаллографическими плоскостями. В. К. Крицкая с сотрудниками [16] по изменению интегральных интенсивностей рентгеновских рефлексов обнаружила ориентационную зависимость в распределении радиационных дефектов в облученных электронами монокристаллах молибдена и как следствие — анизотропию величины эффекта повышения сопротивления деформированию в различных кристаллографических направлениях монокристаллов молибдена.

формированном поликристаллическом молибдене (чистотой 99,98%), минимальную — в монокристаллах молибдена (чистотой 99,99%). Коэффициенты диффузии щелочных металлов в монокристаллы молибдена меньше (в 2,5—10 раз), а энергия активации диффузии вдвое больше, чем в поликристаллическом молибдене. Согласно этим данным, можно предположить о существовании диффузии я проникновении щелочных металлов в основном по границам зерен [35, 36, 72]. Из-за отсутствия границ монокристаллический молибден более совместим с ядерным топливом (см. далее) по сравнению с поликристаллическим металлом. Это объясняется тем, что взаимодействие оболочки с топливом происходит главным образом по границам зерен, которых у монокристаллического молибдена нет.

Массовое содержание примесей в монокристаллах молибдена [102], %

В деформированных монокристаллах молибдена ориентации {001} <110> при отжиге разупрочнение происходит путем возврата и по механизму полигонизации [24], т. е. выстраивания

В деформированных на 40% монокристаллах молибдена ориентации {001} <100> возврат микротвердости и полуширины рентгеновских линий при часовых отжигах происходит » интервале температур 700— 1200° С [126, 135, 209]. При увеличении температуры отжига наблюдаются следующие стадии структурных изменений: уменьшение плотности дислокаций, образование широких скоплений полигональных стенок и развитие субзерен. Признаков рекристаллизации также не обнаружено,, исходная монокристалльная структура сохраняется [121^ 135, 136, 209].

В отличие от ориентации {001} <110>, {001} <100> и {110} <001> в деформированных с обжатием более 20% монокристаллах молибдена ориентации {110} <110> разупрочнение в узком интервале температур связано главным образом с рекристаллизацией, т. е. образованием новых зерен в деформированной матрице и их последующим ростом [24, 121,126,135, 136, 209]. Уже после отжига при 800—1000° С в прокатанных образцах появляются рекристаллизованные зерна. Температурный интервал рекристаллизации в зависимости от степени деформации и условий прокатки составляет 700—1500° С. Дальнейшее повышение температуры отжига приводит к росту зерен. В результате рекристаллизации прокатанных монокристаллов молибдена {110} <110> появляется сложная текстура рекристаллизации {111} <112> + {001} <100> [140]. Следует отметить, что в упрочненных кристаллах {ПО} <110> при отжиге образование и рост центров рекристаллизации наблюдается гораздо раньше, чем в деформированных кристаллах {110} <001>.

Для получения монокристалльных пластин с плоскостью {110} со стабильной структурой можно использовать пластическую деформацию до 20—30%, при которой в деформированных монокристаллах молибдена дислокации распределяются равномерно, что приводит при высокотемпературном отжиге только к стабильной полигональной структуре [24, 40, 75, 121, 135, 136, 209]. Кроме того, снижение склонности деформированных монокристаллов молибдена ориентации с плоскостью {110} к рекристаллизации может быть осуществлено тормозящим действием дорекристаллизационного отжига на промежуточных степенях деформации, точно так же, как это было сделано для поликристаллического молибдена [11]. Этот эффект исследовали на монокристаллах молибдена ориентации {110} <001>

Отметим, что сохранить .при отжиге без рекристаллизации исходную структуру монокристалла, прокатанного в неблагоприятной ориентации {НО}, можно при облучении его потоком нейтронов [74]. Этот эффект был продемонстрирован на монокристаллах молибдена ориентации {110} <001>, деформированных на 44% [74].

Стабильность структуры изогнутых монокристаллов при длительном высокотемпературном отжиге наиболее подробно изучена на монокристаллах молибдена с симметричными ориента-циями оси изгиба и изгибаемой плоскости относительно оси изгиба: {001} <110>, {001} <100> и {110} <110> [96, 101].

В работе [117] определены коэффициенты взаимной диффузии в интервале 1700—2400° С в поли- и монокристаллах молибдена и вольфрама для области концентраций от 10 до 90% вольфрама. Найдено, что они при этом изменяются от ЗД6Х ХЮ"10 до 4,67 -10-10 см2/с, а энергия активации Q — от 87,5 до 120,0 ккал/г-атом.

41. Дубовицкая Н. В., Лариков Л. Н., Сидоренко С. И. Формирование субструктуры деформации и отжига в монокристаллах молибдена, прокатанных в плоскости (112). — В кн.: Металлофизика, 1973, вып. 48, с. 36.

При экспериментальном определении значения эффективного коэффициента распределения k в монокристаллах полупроводников сначала по данным измерения электрических свойств, химического, спектрального, масс-спект-рального и других методов анализа определяют концентрацию примеси в кристалле в сечениях Nq и Ng, соответствующих данной относительной координате положения

Объяснение этому может быть дано на основе наблюдающейся связи между характером примесной неоднородности и структурным совершенством монокристаллов полупроводников. Присутствующие в них дислокации, как уже говорилось выше, образуют вокруг себя примесные атмосферы, заметно снижающие периодическую неоднородность распределения примеси. Поэтому при прочих равных условиях периодическая неоднородность сильнее проявляется в малодислокационных и особенно в бездислокационных монокристаллах полупроводников.

Анализ уравнений (4.103) показывает, что плотность дислокаций в монокристаллах полупроводников определяется величиной как градиентов температуры, так и порождаемых ими термоупругих напряжений. Последние могут достигать значений, вызывающих даже растрескивание монокристаллов полупроводников большого диаметра при охлаждении их до комнатной температуры. Это часто встречается при выращивании монокристаллов разлигающихся полупроводниковых соединений, например арсенида и фосфида галлия, методом жидкостной герметизации (см. 4.1, г). В этом случае вследствие интенсивного отвода тепла от монокристалла окружающим его сжатым газом градиенты температуры в 4 — 5 раз больше, чем в случае выращивания монокристаллов в вакууме или при низком давлении инертного газа.

Таким образом, основной способ понижения плотности дислокаций в монокристаллах полупроводников — уменьшение уровня термоупругих напряжений. Для этого необходимо уменьшить осевые и радиальные градиенты температуры в растущем монокристалле, что достигается усилением

Поэтому другой способ уменьшения плотности дислокации в монокристаллах полупроводников заключается в легировании их упрочняющими примесями. Наибольший эффект упрочнения наблюдается тогда, когда разность тетраэдрических радиусов атома легирующей примеси и замещаемого атома полупроводника имеет отрицательный характер (р'ис. 4.42). В этом случае в кристаллической решетке полупроводника возникают напряжения, частично компенсирующие напряжения, появляющиеся в кристалле при вы-

В некоторых случаях дислокации образуют в растущем монокристалле полупроводника устойчивые дислокационные стенки — так называемые малоугловые границы. Этот вид дефекта встречается очень часто в дислокационных монокристаллах полупроводников. Причина образования малоугловых границ — миграция подвижных дислокаций под действием термических напряжений в области монокристалла, где их уровень близок к нулю. В результате возникают протяженные их скопления, образующие дислокационные стенки.

Характер расположения малоугловых границ в сечении монокристалла полупроводника определяется характером поля термических напряжений в растущем монокристалле и кристаллографическим направлением его роста. В монокристаллах полупроводников с алмазоподобной структурой, выращенных в направлении [111], малоугловые границы обычно располагаются в трех плоскостях {100}, параллельных оси роста монокристалла. В плоскости сечения монокристалла они имеют вид прямых линий, ориентированных по [112] (см. 4.43, а). Однако встречаются малоугловые границы в виде искривленных линий, хаотично расположенных по сечению монокристалла.

Другим видом структур, образованных скоплением дислокаций, является так называемая мозаичная структура, возникающая в результате перестройки тонкой ячеистой субструктуры (см. 4.44, а) в более грубую. Обычно мозаика возникает в монокристаллах полупроводников, имеющих высокую плотность дислокаций (около 105 см~2).Как правило, она представляет собой образованные протяженными субграницами микро- и макроблоки, вытянутые вдоль оси роста монокристалла. Размер микроблоков 10~3— 10~'-см, макроблоков 3-10~2—1,5 см и их разориентация З.Ю-4—5-Ю-2 раД1

Другие виды локальной неоднородности распределения примеси в монокристаллах полупроводников, например ячеистые субструктуры и включения второй фазы, также могут служить источниками внутренних напряжений, генерирующих дислокации. Ячеистые субструктуры возникают в том случае, когда термический градиент температуры (grad TT) пересекаясь с концентрационным градиентом температуры (линией ликвидус), образует в расплаве область, в которой расплав находится в переохлажденном состоянии ( 4.45,а). В отличие от термического такой вид переохлаждения получил название концентрационного.

Включения второй фазы в монокристаллах полупроводников могут представлять собой твердые неметаллические включения контейнерного материала, тугоплавких химических соединений полупроводников с различными элементами, втом числе и легирующими ( 4.47, а), а также капли легкоплавкого расплава. Последние в случае элементарных полупроводников представляют собой капли сильно ле-

Мильвидский М. Г., Освенский В. Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. — М.: Металлургия. — 1984. — 256 с.

5. Мильвидсхий М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. — М.: Металлургия, 1984. — 256 с. 5. Джексон К.А., Ульман Д., Хант Дж. //Проблемы роста кристаллов: Пер. с англ. -