Особенности поведения точечных дефектов в полупроводниковых материалах

В структуре полупроводников присутствуют собственные точечные дефекты и их комплексы — вакансии, междоузельные атомы, дефекты Шоттки, пары Френкеля, дивакансии, тривакансии и др., а также примесные точечные дефекты и комплексы, образованные собственными точечными деф- фектами и примесными атомами (их обычно называют центрами, например, /4-центр, ?-центр, /С-центр и др.).

Важно отметить, что существует большое количество химических соединений (оксиды, нитриды, карбиды и др.), являющихся по своей природе в той или иной степени ионными, но обладающих малой шириной запрещенной зоны. По своим физическим свойствам они могут рассматриваться как полупроводники. Однако, поскольку их структура характерна для ионных кристаллов, поведение в них точечных дефектов во многом сходно с поведением дефектов в ионных кристаллах. В то же время важное влияние на их свойства оказывают стехиометрические дефекты, которые будут рассмотрены в этом разделе.

В элементарных полупроводниках, так же как и в металлах, дефектом Шоттки является одиночная вакансия, в полупроводниковых соединениях — пара вакансий разных знаков (катионная и анионная). Кроме того, одним из важнейших дефектов в полупроводниках, как и в металлах, является пара Френкеля — парный дефект «вакансия — междоузель- ный атом».

В ковалентных кристаллах (к которым принадлежит большое число полупроводников) важную роль играют электрически активные дефекты (иногда называемые также электронными). При наличии электрически активных дефектов в полупроводниковых кристаллах происходит нарушение распределения зарядов. Например, на рис. 2.57 показана схема распределения межатомных ковалентных связей в элементарном кристаллическом полупроводнике: идеальном кристалле (рис. 2.57, а) и в том же кристалле, содержащем вакансию (рис. 2.57, б).

Схема распределения межатомных связей в элементарном полупроводнике (Si)

Рис. 2.57. Схема распределения межатомных связей в элементарном полупроводнике (Si): а — идеальный кристалл; б — кристалл с вакансией (оборванные валентные связи); в — кристалл с вакансией (связь между соседними атомами в области вакансии осуществляется за счет спаривания оставшихся неспаренными валентных электронов и является ненасыщенной)

Из рисунка 2.57 видно, что при образовании вакансии в кристалле полупроводника происходит нарушение четырех валентных связей (см. рис. 2.57, б), при этом возникают так называемые оборванные дефектные связи. Тем не менее оставшиеся неспаренными электроны соседних атомов спариваются (рис. 2.57, в). Эта связь является, однако, ненасыщенной (так как в данном случае каждый из валентных электронов осуществляет связь уже между тремя, а не двумя атомами, как должно быть в идеальном кристалле). В результате вакансии будут стремиться к захвату электронов с целью насыщения ковалентных связей, т. е. вакансии в элементарных полупроводниках являются акцепторами.

Значительное влияние на электрические свойства полупроводников оказывают точечные дефекты типа примесных атомов. Например, при введении в четырехвалентный кремний (германий) примесных атомов с валентностью, равной пяти (фосфор, мышьяк, сурьма), пятый избыточный электрон каждого примесного атома переходит в пустую зону проводимости, в которой появляются носители заряда — электроны. В кристалле возникает проводимость л-типа, и сам кристалл становится полупроводником л-типа. Таким образом, элементы пятой группы образуют в кремнии (германии) дефекты донорного типа, сами же эти примесные атомы являются донорами.

Если же в кремний (германий) вводятся примесные атомы третьей группы (бор, алюминий, галлий, индий), то создаются дефекты акцепторного типа, а сами примесные атомы являются акцепторами. В этом случае число валентных электронов у атома примеси равно трем. Недостающий четвертый электрон, необходимый для образования тетраэдрической межатомной связи, заимствуется из коллектива электронов заполненной валентной зоны кристалла, при этом в одной из соседних связей Si—Si появляется положительно заряженная дырка. Такой кристалл становится полупроводником //-типа, так как в качестве носителей тока выступают положительно заряженные дырки, образовавшиеся в энергетической валентной зоне основной решетки. В кристалле возникает проводимость/7-типа. (Подробнее о примесной проводимости в полупроводниках см. гл. 4.)

Значительное влияние на свойства полупроводниковых соединений оказывают дефекты, обусловленные отклонением от стехиометрического состава, — стехиометрические дефекты. На рисунке 2.58 показаны примеры стехиометрических дефектов в структуре полупроводниковых соединений.

Дефекты типа замещения, когда избыточного заряда нет, но нарушается правильное чередование ионов в узлах гетерополярной решетки (в узле, в котором должен быть отрицательный ион, располагается ион положительный и наоборот), при этом области локального нарушения находятся достаточно далеко друг от друга, представлены на рис. 2.58, а. Такого рода дефекты также называют антиструктурными (когда в химическом соединении АВ атом одного из компонентов, например А, занимает узел не в своей подрешетке, а в подрешетке другого компонента — В). На рисунке 2.58, б показаны вакансии при избытке положительного заряда, такая структура называется структурой вычитания.

Стехиометрические дефекты в гетерополярной решетке

Рис. 2.58. Стехиометрические дефекты в гетерополярной решетке: а — дефекты типа замещения (избыточного заряда нет); б — вакансии (избыток положительного заряда); в — связанные ложные пары; г — несвязанные ложные пары; д — вакансии с ложными парами

На рисунке 2.58, в, г изображены связанные и несвязанные ложные пары — в первом случае соседние положительные и отрицательные ионы поменялись местами, во втором — ложная пара образована не соседними, но близко расположенными разноименно заряженными ионами. И наконец, на рис. 2.58, д показаны дефекты типа вакансий с ложными парами.

Появление стехиометрических дефектов в гетерополярных решетках происходит достаточно легко вследствие малой энергии их образования. Наличие стехиометрических дефектов даже в тщательно выращенных кристаллах является серьезным препятствием для создания надежных приборов на основе полупроводниковых соединений.

Важное значение для свойств полупроводников имеют комплексы, образованные примесными атомами с собственными точечными дефектами. В первую очередь среди них следует выделить ^-центры, 4-центры и А'-центры.

Е-центр представляет собой комплекс «вакансия — примесный атом V группы Периодической системы (Р, As, Sb, Bi)» в кремнии, A-центры образуются, например, при облучении кремния быстрыми электронами. Они достаточно устойчивы и отжигаются в кремнии при температуре ~ 140 °С. Образование A-центров оказывает сильное влияние на концентрацию свободных электронов при облучении кремния я-типа.

А-центры — это комплексы типа «вакансия — атом кислорода» в кремнии. Изучение 4-центров проводится с помощью методов измерения электрических параметров, электронного парамагнитного резонанса, инфракрасной спектроскопии, /(-центры устойчивы и отжигаются при температуре ~600 К. Как и А'-центры, 4-центры могут быть образованы при облучении кремния я-типа.

К-центр рассматривается как комплекс из пары полувакансий, атома кислорода и атома углерода. Это также устойчивый комплекс, он отжигается в кремнии при температуре ~600 К. А'-центры образуются в большом количестве при облучении быстрыми ядерными частицами кремния р-типа, выращенного по методу Чохральского. Они в значительной степени определяют изменение концентрации дырок и время жизни неосновных носителей в облученном кремнии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >