Дефекты в кристаллах

Нарушения периодичности расположения частиц в кристаллической решётке. Дефекты кристаллов возникают при росте кристаллов или их фазовых превращениях, под влиянием тепловых, механических, электрических и других воздействий, при введении примесей. Различают точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объёмные (трёхмерные) Дефекты кристаллов. К точечным относятся дефекты, связанные с нарушениями периодичности собств. атомной структуры кристалла: узлы кристаллической решётки, в которых отсутствуют атомы или ионы (вакансии); атомы и ионы, переместившиеся из норм, положения в междоузлия (междо-узельные атомы и ионы); атомы и ионы в кристаллах химических соединений, занимающие узлы «чужой» подрешётки. К точечным относятся также дефекты, возникающие в результате внедрения в кристалл примесных атомов (примесей).

В ионных кристаллах точечные дефекты рождаются парами (условие электронейтральности): либо вакансия и междоузельный ион (дефект Френкеля), либо две вакансии противоположного знака (дефект Шоттки), либо два междоузельных иона противоположного знака (антипод дефекта Шоттки). Примесные атомы, внедряясь в кристалл, обычно образуют твёрдые растворы внедрения или замещения с основными атомами.

Взаимодействие точечных Дефектов кристаллов между собой приводит к возникновению сложных дефектов, например двойных вакансии (бивакансий) в металлах, скоплений дефектов (кластеров); в ионных кристаллах комплексы из точечных дефектов, электронов и дырок образуют центры окраски. Линейные дефекты — цепочки точечных дефектов, краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация возникает при обрыве плоскостей внутри кристалла, винтовая дислокация — при смыкании плоскостей.

К поверхностным Дефектам кристаллов относятся: неправильно уложенные слои атомов (дефекты упаковки); закономерные нарушения норм, чередования атомов плоскостей; области с различной ориентацией кристаллической структуры, связанные друг с другом операцией точечной симметрии (двойники); разупорядоченность соседних областей кристалла; границы между зёрнами (кристаллами) в поликристаллах; границы включений и другое. Многие поверхностные дефекты представляют собой ряды и сетки дислокаций. К поверхностным Дефектам кристаллов относится также сама поверхность кристалла (на ней обрывается кристаллическая решётка).

К объёмным Дефектам кристаллов относятся: нарушения, связанные с отклонениями от законов стехиометрии; скопления вакансий; скопления примесей на дислокациях и в зонах роста, нерегулярные образования в виде трещин, пустот, включений иной фазы и другие макроскопические дефекты. От дефектов зависят многие важнейшие свойства кристаллов — механические, оптические, электрические, магнитные и т. д. В совершенной кристаллической решётке невозможно движение атомов и ионов, т. к. одновременный обмен местами двух или более атомов (их миграция) энергетически мало вероятен. В кристаллах, содержащих дефекты, с миграцией атомов связаны взаимная диффузия твёрдых тел, твердофазные химические реакции и другие явления. Миграцией заряженных частиц обусловлен в основном электрический ток в ионных кристаллах.

Специальное введение дефектов или их устранение — важная часть технологии производства важнейших материалов: примесных полупроводников, активированных люминофоров, лазерных и фотохромных кристаллов и стёкол. В технологии создания ПП материалов и ПП приборов примесные атомы в кристаллы обычно вводят в процессе кристаллизации или рекристаллизации, диффузией примесей в полупроводник, ионным легированием.

Соответствующим образом распределённые донорные и акцепторные примеси в ПП позволяют создавать в ПП кристалле активные и пассивные элементы интегральных схем (диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы и другое) и изолирующие слои между ними. В реальных кристаллах кроме дефектов, полученных в результате целенаправленного воздействия на кристалл, существуют нежелательные дефекты, возникшие случайно под действием неконтролируемых факторов. Например, в примесных ПП монокристаллах, используемых для создания ПП приборов, такими нежелательными дефектами являются прежде всего неудалённые из исходного материала вредные примеси, кластеры, а также краевые и винтовые дислокации. Нежелательными Дефектам кристалов могут быть источниками свободных носителей заряда, центрами рекомбинации и рассеяния носителей. Это приводит к случайным локальным изменениям электро-физических свойств в объёме ПП. Существование неконтролируемых дефектов в ПП кристаллах является серьёзным фактором, сдерживающим микроминиатюризацию элементов ИС, уменьшающим выпуск годных изделий. Количество вредных примесей в исходных ПП кристаллах уменьшают глубокой очисткой материалов. Плотность дислокаций и других нежелательных дефектов можно уменьшить совершенствованием методов выращивания и обработки кристаллов: использованием бездефектных затравок, выращиванием кристаллов при предельно малых температурных градиентах в условиях, исключающих механические напряжения, и другое.

Разработана серия различных методов, позволяющих изучать расположение и основные характеристики таких Дефектов кристаллов, как дислокации, дефекты упаковки и даже точечные дефекты. Среди этих методов особо выделяются оптические методы, ионная и электронная микроскопия, метод избирательного травления, рентгено-дифракционные и ядерно-физические методы.

Поиск по сайту: