Введение к работе
Актуальность темы. Изучение электронных свойств дефектов в полупроводниках является одним из основных разделов современной физики твердого тела. Интенсивные исследования в этой области , проводимые в настоящее время, стимулируются потребностями современной твердотельной электроники и вызваны недостаточностью существующих представлений для правильного и полного понимания многих обнаруженных свойств и явлений.
Дислокации - линейные неравновесные дефекты, движение которых обеспечивает пластичность кристаллов, наиболее подробно изучены в кристаллах элементарных полупроводников -германия и кремния. Для этих материалов имеются полученные различными методами и неоднократно проверенные данные как о динамических свойствах дислокаций, так и о спектре дислокационных состояний, а также обнаружены некоторые специфические эффекты, обусловленные квазиодномерным характером последних. В положении дел с исследованием свойств дислокаций другого известного класса полупроводников - соединений к^ь сложилась, в известной степени, парадоксальная ситуация. С одной стороны, в этих материалах обнаружены и подробно исследованы явления, связанные с взаимодействием движущихся дислокаций с возбуждениями в электронной подсистеме, определены заряды движущихся дислокаций и тонкая структура ядер. С другой стороны, сведения об основных электронных свойствах покоящихся дислокаций отрывочны и подчас противоречивы.
Дислокации в полупроводниках А.;В6 являются интересным и важным объектом исследований с точки зрения проверки существующих и развития новых представлений физики дефектов в твердых телах. Дело в том, что в решетках сфалерита и вирцита, в которых кристаллизуются указанные соединения, имеются дислокации, различающиеся не только по структуре, но и атомному составу ядер. Именно такие дислокации должны согласно теории проявлять наибольшие различия в своих физических свойствах. Кроме того, в кристаллах А2В6 более важную роль по сравнению с элементарными полупроводниками должны играть винтовые дислокации вследствие их значительно меньшей подвижности по сравнению о краевыми.
- * -
Многообразие дислокаций в бинарных полупроводниках приводит к необходимости поисков методов раздельного изучения свойств каждого из типов дислокаций. Сложность этой задачи состоит в том, что независимо от способа введения в образец не удается ввести дислокации только одного сорта. Даже в том случае, когда один из типов дислокаций доминирует, нет уверенности, что меньшинство не дает основной вклад в изучаемое явление.
Целью настоящей работы было развитие уже известных и поиски новых подходов экспериментального изучения электронных свойств дислокаций различных типов в полупроводниках со структурой вюрцита на примере сульфида кадмия.
Выбор структуры и материала был сделан исходя из следующих соображений:
в кристаллах вюрцита помимо двух видов базисных полярных краевых дислокаций, ядра которых которых состоят из атомов одного сорта и полностью аналогичны полярным дислокациям в структуре сфалерита, существуют также краевые призматические дислокации с перемежающимися в ядре атомами двух сортов, что расширяет возможности для сравнения свойств различных дислокаций. Ортогональность базисной и призматической систем скольжения делает возможным создание образцов с резко анизотропной дислокационной структурой.
среди соединений А^$6 сульфид кадмия является одним из наиболее исследованных материалов как с точки зрения свойств идеальной решетки, таки дислокаций. В частности, это единственный материал, где надежно установлено специфическое свойство винтовых дислокаций быть интенсивными источниками характерного люминесцентного излучения, которое расширяет арсенал возможных методов исследования дислокационной структуры.
- имеются методы получения крупных малодислокационных кристал
лов этого материала, необходимых для проведения экспериментов
по пластической деформации.
Научная новизна работы состоит в развитии и усовершенствовании измерительных и препаративных методов исследования дефектов структуры в полупроводниках! в установлении новых
закономерностей распределения дислокаций различных типов в пластически деформированных образцах, в нахождении устойчивых корреляций между типами введенных дислокаций и электронными свойствами исследованного материала; в формулировке на основании полученных данных новых представлений о механизмах движения и электронных свойствах дислокаций с различной структурой и атомным составом ядер.
Зашиваемые положения.
принципы построения емкостного спектрометра глубоких уровней с широким динамическим диапазоном измеряемых времен релаксаций и оптимальным отношением чувствительность/разрешение!
новая методика одновременного получения катодолюминесцентных изображений светящихся и несветящихся дислокаций;
закономерности пространственного распределения соотношения дислокаций различных типов в индентированных образцах сульфида кадмий, в частности, обнаружение под индентированными базисными поверхностями с<и дислокаций базисной системы скольжения -и вывод, о качественном различии динамических свойств
а - и р- дислокаций;
установление корреляций между особенностями спектров емкостной спектроскопии глубоких уровней, свойств электропроводности, эффекта Холла, фотопроводимости, экситонного отражения, с одной стороны, и структурой введенных дислокаций, с другой;
обнаружение аномально большой анизотропии электропроводности дислокационных кристаллов сульфида кадмия и ее объяснение различием в природе электрической активности краевых и винтовых дислокаций и их специфическим пространственным распределением в кристаллах с малоугловыми границами;
использование установленных закономерностей и свойств как приемов. изучения электронных свойств дислокаций различных типов и сопутствующих дефектов; [
обнаружение необычных с точки зрения представлений теории деформационного потенциала электронных свойств локальных состояний, сопровождавших винтовые дислокации в cds, и их
интерпретация как донорных центров с большой решеточной релаксацией ;
обнаружение метастабильности спеїстров глубоких центров в дислокационном cds и установление связи этого явления с процессами , вызывающими явление деградации фотосопротивлений.
обнаружение смещения энергетического положения экситонных линий вблизи дислокационных полос скольжения в Cds и его объяснение действием релакс!"эованных на поверхности далькодейотвуюадах деформационных полей, создаваемых скоплением одноименных дислокаций. *
Научная, и практическая значимость заключается:
в разработке новых методик и приемов выделения электронных свойств дислокаций конкретных типов в бинарных полупроводниках со структурой вирцита, которые могут быть распространены на широкий класс объектов при дополнительных исследованиях их структуры.
в расширении существующих представлений о структуре и электронных свойствах дислокационных полупроводников: в нахождении объяснения полярности микротвердости кристаллов типа вирцита,
в обнаружении неожиданно важной роли и необычных свойствах локальных электронных состояний винтовых дислокаций.
- в усовершенствовании и развитии методов емкостной спектро
скопии глубоких уровней, анализа дислокационной структуры,
выращивания кристаллов, которые могут быть использованы как в
научных исследованиях, так и в приложениях. В частности,
параметры разработанного емкостного спектрометра позволили
его применять для технологического контроля глубоких уровней
в промышленных полупроводниковых структурах и микросхемах и
он воссоздан и эксплуатируется в нескольких организациях.
Апробация работы: Материалы диссертации докладывались на 18 Всесоюзных и б международных научных конференциях и семинарах, в том числе:
ш и iv Всесоюзных совещаниях "Дефекты структуры в полупроводниках" (Новосибирск, 1978, 1984): IV и V Международных конференциях "Свойства и структура дислокаций в полупроводниках", САссуа,(Франция) 1983, Москва,1986); vui Международной школе по дефектам в кристалле, Щирк (Польша), 1988; Всесоюзной школе семинаре "Физики и материаловедение полупроводников с глубокими уровнями",Черновцы, 1988; ш Всесоюзном совещании "Проблемы физики и технологии широкозонных полупроводников", Махачкала, 1986; и Всесоюзной конференции "материаловедение халькогенидных и кислородосодержащих полупроводников", Черновцы,1986; Всесоюзной конференции по физике полупроводников, Киев,1990; Первой российской конференции по дефектам в полупроводниках, С-Петербург, 1992; Международных конференциях- " Extended Defects In Semiconductors" Хольцхау (ФРГ), 1992; BlADS'93, Болонья(Италия)1993.
Основые результаты опубликованы в 22 печатных работах , список которых приведен в конце автореферата.
Структура а объем диссертации. Диссертация содержит 360 страниц и состоит из оглавления, введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы из 317 наименований. Основной материал диссертации изложен на 218 страницах машинописного текста и проиллюстрирован 20 рисунками небольшого формата, включенными непосредственно в текст по ходу изложения, 82 рисунками на отдельных листах и 5 таблицами.
