Сборник содержит переводы пяти обзорных статей, посвященных важному разделу физики твердого тела — точечным дефектам. В них рассматриваются точечные дефекты в элементарных полупроводниках и полупроводниковых соединениях A'"BV и A"BVI, а также в металлах. Излагаются теоретические представления о механизме и кинетике образования дефектов, методы и результаты экспериментального исследования структуры и свойств точечных дефектов. Особое внимание уделено дефектам радиационного происхождения.
Книга предназначена для широкого круга физиков и химиков, занимающихся экспериментальными и теоретическими исследованиями структуры реальных кристаллов и разработкой приборов на их основе.
Предисловие редакторов перевода
На протяжении многих лет одной из центральных проблем физики твердого тела продолжает оставаться проблема дефектообразования и влияния дефектов на физико-химические свойства материалов. Особенно актуальны эти вопросы для физики полупроводников, так как структурные дефекты, наряду с примесями, в очень сильной степени щияют на важнейшие электрические, оптические и фотоэлектрические свойства полупроводниковых кристаллов. Большое значение данная проблема имеет и для физики металлов.
Предлагаемый читателю сборник переводных статей в основном посвящен вопросам исследования радиационных дефектов, т. е. дефектов, возникающих в кристаллах под действием облучения быстрыми частицами — тяжелыми ионами, нейтронами, электронами, а также гамма-квантами. Механизмы образования, миграции и отжига таких дефектов, их микроструктура, энергетический спектр, характер их влияния на процессы деградации материалов и приборов составляют основное содержание современной радиационной физики твердого тела. Необходимо также отметить, что именно исследования радиационных дефектов привели в целом ряде случаев к выяснению микроструктуры дефектов основных типов важных полупроводниковых материалов, а также к выяснению определяющей роли примесных атомов в процессе радиационного дефектообразования в металлах и полупроводниках.
Все вошедшие в сборник статьи являются обзорными; они написаны ведущими зарубежными специалистами в области радиационной физики. Данный сборник в значительной степени дополняет монографии советских авторов [1—4].
Сборник открывается охватывающей широкий круг вопросов статьей Дж. Корбетта и Ж. Бургуэна, в которой дается критический обзор теорий дефектообразования в кристаллах, обобщены экспериментальные данные для многих полупроводниковых материалов, рассматриваются новые представления об ионизационно-ускоренной диффузии дефектов и примесных атомов, развиты некоторые новые представления о микроструктуре собственных дефектов. Хотя отдельные представления. оосуждаемые в этом обзоре, остаются в настоящее время спорными, они, несомненно, могут оказаться весьма плодотворными при дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.
Обзорный доклад А. Зеегера, X. Фёлля и В. Франка посвящен вопросу Дефектах в наиболее важном с точки зрения твердотельной электроники • ^те
• ^териале — кремнии. Авторы считают, что определяющим типом ехнологических» дефектов в кремнии (возникающих при медленном
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
вытягивании из расплава) являются скопления собственных междо-узельных атомов.
В обзоре Д. Ланга рассматриваются радиационные дефекты в соединениях AMIBV; значительное место в этом обзоре уделено ионизационным механизмам дефектообразования.
Статья Дж. Уоткинса включает данные о дефектах структуры в соединениях A"Bvi; в ней широко обсуждаются эксперименты по исследованию ЭПР и люминесценции в этих соединениях, содержащих радиационные дефекты.
Статья А. Голанда о точечных дефектах в металлах удачно дополняет обзор Корбетта и Бургуэна и показывает, что многие как принципиальные, так и методические вопросы физики точечных дефектов в кристаллах касаются в равной мере полупроводников и металлов. Статья, перевод которой выполнен с опубликованной в 1976 г. лекции в трудах международной школы физики им. Э. Ферми, знакомит читателя как с традиционными, так и с новыми методиками и результатами исследования точечных дефектов в металлах, а также с наиболее актуальными прикладными вопросами физики точечных дефектов — радиационным распуханием реакторных конструкционных материалов и поведением гелия в металле. Вопросы эти интенсивнб разрабатываются в связ- с созданием материалов для термоядерных реакторов.
Общнос1Ь проблематики точечных дефектов (особенно радиационного происхождения) в полупроводниках и металлах, упомянутая выше, проявляется наглядно во многих вопросах. Например, примесные атомы, взаимодействуя с вакансиями и междоузельными атомами матрицы, образуют комплексы, которые в полупроводниках обладают, как правило, собственными дискретными энергетическими уровнями, изменяющими энергетический спектр кристалла. В металлах такие комплексы проявляют себя в рассеянии электронов проводимости, которое вносит свой вклад в остаточное- сопротивление. Комплексы с участием примесных атомов сильно влияют на кинетику отжига радиационных дефектов, изучение которой является одним из главных источников информации о дефектной структуре кристалла.
Многие из новых экспериментальных методик определения энергии образования и конфигурации точечных дефектов также применяются и к металлическим и к полупроводниковым кристаллам. Сюда относятся рассмотренные подробно в обзоре Голанда методы аннигиляции позитронов, диффузного рассеяния рентгеновских лучей, каналирования и внутреннего трения.
Книга представляет интерес для научных работников и инженеров, работающих в области радиационной физики твердого тела и интере^ сующихся вопросами радиационной стойкости материалов и приборов! а также для аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.
Переводы выполнены М. Н. Колотовым (статья Дж. Корбетта И Ж. Бургуэна) под редакцией Б. И. Болтакса, В. В. Емцевым (стап»|
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
А. Зеегера, X. Фёлля и В. Франка), Н. А. Витовским (статья Д. Ланга), Д. В. Машовцем (статья Дж. Уоткинса) под редакцией Т. В. Машовец и И. Е. Подчиненовым (статья А. Голанда) под редакцией А. Н. Орлова.
Б. И. Болтакс
Т. В. Машовец
А. Н. Орлов
Содержание
Предисловие редакторов перевода ............... 5
Литература..................... 7
1. Дж. Корбетт и Ж. Бургуэн. Дефектообразование в полупроводниках ................. 9
1. Введение...................... 9
2. Свойства дефектов.................. 12
2.1. Введение.................... 12
2.2. Кремний.................... 34
2.3. Германий.................... 36
2.4. Алмаз..................... 38
2.5. Соединения A"1 Bv............... 40
2.6. Соединения A11 BVI............... 42
2.7. Другие материалы................ 43
3. Феноменологическое описание процесса дефектообразования ... 46
3.1. Дефекты типа смещенных атомов.......... 46
3.2. Тепловые клинья................ 52
3.3 Феноменологическое описание процесса ионизации .... 54
3.4. Пластическая деформация............. 61
3.5. Эффекты термообработки............. 63
4. Взаимодействие частиц с полупроводниками......... 67
4.1. Введение.................... 67
4.2. Взаимодействия с фотонами............ 67
4.3. Тяжелые ионы и атомы.............. 73
4.4. Электроны................... 87
4.5. Нейтроны..................... 96
5. Обзор экспериментальных результатов исследования дефектообразо- ^ вания типа смещения................... *
5.1. Введение.................... 100
5.2. Германий.................... 100
5.3. Кремний.................... 107
5.4. Алмаз и графит................. 115
5.5. Соединения A"1 Bv............... И'
376
СОДЕРЖАНИЕ
5.5.1. InSb, InAs, InP............... 119
5.5.2. GaAs. GaSb . ,.............. 121
5.6 Соединения A"BV1................ 123
5.6.1. ZnSe, ZnTe, ZnS........... 124
5.6.2. CdS, CdSe, CdTe.............. 126
5.6.3. MgO, ZnO, BeO............... 129
6. Поднороговое и ионизационное дефектообразованне....... 130
7. Теория образования повреждений типа смещений....... 137
8. Заключение...................... 151
Литература..................... 152
2. А. Зеегер, X. Фёлль, В. Франк. Собственные междоузель-ные атомы, вакансии и их скопления в кремнии и германии ..................... 163
1. Введение...................... 163
2. Свирли в кремнии................... 154
2.1. Общая характеристика............... 164
2.2. Электронная микроскопия............. 166
2.3. Образование свирлей............... i6g
2.4. Образование и рост зародышей........... 170
2.5. Сведения о собственных междоузельных атомах .... 172
3. Собственные междоузельные атомы в кремнии......... 174
4. Дефекты вакансионного типа......... . . .„.
lol
Литература..................... jg4
3. Д. Ланг. Радиационные дефекты в соединениях AUIBV
187
1. введение....................... 187
2. Общий характер радиационных эффектов в соединениях AlnBv ... 188
2.1. Стабильность дефектов.............. 188
2.2. Релаксация кристаллической решетки......... 190
2.3. Ориентационные эффекты............. 190
3. Арсенид галлия.................... 191
3.1. Введение дефектов................ 191
3.2. Энергетические уровни............... 196
3.3. Отжиг..................... 201
4. Другие соединения АШВУ................. 208
4.1. AL.Ga^As..................... 208
4.2. GaP...................... 209
4.3. GaAs^P, ................... 212
4.4. InAs, InP, InAsj-jP.,..............'. . . 212
5. Рекомбинационно-ускоренное движение дефектов........ 213
6. Заключение...................... 216
Литература.................... 217
377
СОДЕРЖАНИЕ
4. Дж. Уоткинс. Дефекты решетки в соединениях A"BVI 221
1. Введение...................... ->21
2. Методы введения дефектов............... 222
2.1. Эксперименты по стехиометрии........... 222
2.2. Дефекты при облучении тепловыми нейтронами..... 223
2.3. Порог дефектообразования............. 226
3. Исследования ЭПР.................. 228
3.1. Вакансии халькогена.............. 228
3.2. Вакансии металла................ 229
3.3. Пары вакансия металла — примесь........... 229
3.4. Пары вакансия металла — междоузельный ион металла 229
3.5. Ионы металла в междоузлиях............' 231
3.6. Исследования действия облучения на ZnSe...... 231
3.7. Движение вакансий цинка в ZnS.......... 235
3.8. Люминесценция пары (VZn + D + ).......... 235
4. Заключение....................... 238
Литература..................... 240
5. А. Голанд. Современное изучение . точечных дефектов
в металлах. Избранные вопросы.......... 243
1. Введение...................... 243
2. Статистическая термодинамика равновесных дефектов...... 247
2.1. Энтальпия и энтропия образования и связи...... 247
2.2. Учет примеси.................. 251
3. Определение параметров и конфигураций дефектов....... 252
3.1. Концентрации.................. 252
3.1.1. Равновесные концентрации........... 252
3.1.2. Неравновесные концентрации.......... 255
3.2. Энергии образования и связи .'........... 263
3.2.1. Термодинамика............... 263
3.2.2. Приложение аннигиляции позитронов к исследованию вакансий................. 267
3.3. Кинетика отжига и теория скоростей........ 290
3.3.1. Введение.................. 290
3.3.2. Отжиг неравновесных дефектов......... 291
3.3.3. Анализ кривых отжига............ 296
3.3.4. Общее уравнение скорости химической реакции . . • 299
3.3.5. Трудности интерпретации кинетики реакций .... 300
3.4. Положения и конфигурации дефектов........ 304
3.4.1. Методы, основанные на рассеянии нейтронов и рентгеновских лучей............... 304
3.4.2. Обнаружение атомов примеси методом каналирования 314
3.4.3. Решеточные модели дефектов......... 31°
323
4. Точечные дефекты и изменения упругих свойств.......
4.1. Дислокационное затухание и закрепление дислокаций . 324
4.2. Объемный эффект..............• • 32«
4.3. Релаксация точечных дефектов.........• •
СОДЕРЖАНИЕ
5. Модели точечных дефектов в радиационных исследованиях и в технике 341
5.1. Радиационные нарушения............. 341
5.2. Гелий в металлах................ 351
5.3. Зарождение и рост пор в мешллах.......... 366
Литература..................... 370