Физические основы микроэлектроники 2 (стр. 3 из 3)

Нарушение регулярности кристаллической решётки в ядре Д. приводит к тому, что в местах выхода линий Д. на внешнюю поверхность тела химическая стойкость кристалла ослабляется и специальные реагенты способны разрушать окрестность оси Д. В результате обработки поверхности кристалла таким травителем в местах выхода Д. образуются видимые ямки (дислокации впервые наблюдались именно по ямкам травления). Д. косвенно влияют на свойства кристаллов, зависящие от характера распределения и перемещения в них точечных дефектов (примесей, вакансий, центров окраски и др.). Во-первых, при определ. характере движения Д. испускает или поглощает вакансии, изменяя их общее кол-во в кристалле. Динамическое образование заряженных вакансий в ионных кристаллах и полупроводниках может сопровождаться люминесценцией. Также Д. влияют на скорость диффузионного перемещения точечных дефектов, вдоль оси Д., как правило, больше, чем скорость их диффузии через объём регулярного кристалла(Д. играют роль своеобразных "дренажных труб", по которым точечные дефекты довольно легко могут перемещаться на большие расстояния в кристалле). Взаимодействие Д. с точечными дефектами (примесными атомами и вакансиями) приводит к повышению концентрации последних вблизи оси Д. и образованию вокруг неё так называемых. облаков Котрелла. Сгущение атмосферы Котрелла в перенасыщенных твёрдых растворах может привести к коагуляции примесей на Д. В прозрачных кристаллах это приводит к "декорированию" Д., что делает их визуально наблюдаемыми. Осевшие на Д. примеси блокируют её движение. В распадающихся сплавах Д. взаимодействует с макроскопическими включениями новой фазы.

Зависимость прочности от наличия дислокации.

На рис.15 изображена типичная зависимость механического напряжения от относительного удлинения при растяжении образца. Кривая имеет 3 характерных участка. Участок 0-1 соответствует упругим обратимым деформациям, когда выполняется закон Гука. Участок 1-2 соответствует необратимым пластическим деформациям. Участок 2-3 соответствует разрушению образца.

рис.15

Величину , отвечающую точке 1, называют пределом текучести, а отвечающую точке 2, называют пределом прочности. Попытки рассчитать предел текучести без учета дислокаций приводили к завышенным на 2-4 порядка значениям.

Предел текучести материала сильно зависит от плотности дислокаций в нем. На рис. 16 приведена такая зависимость. Видно, что предел текучести оказывается больше при очень малых значениях плотности дислокаций и, наоборот, при больших плотностях дислокаций. Увеличение при больших связывают с взаимодействием дислокаций друг с другом и с другими дефектами кристаллической решетки.

-7-

Рис. 16.

Схематическая зависимость предела текучести от плотности дислокаций

Пути увеличения прочности материалов. В настоящее время используют ряд способов увеличения прочности материалов, позволяющие достигать предела прочности порядка 0.01; большинство из них связаны с введением дополнительных препятствий движению дислокаций. Такими препятствиями являются различные дефекты: 1) выделения другой фазы ; 2) точечные дефекты и их скопления; 3) большие количества дислокаций, тормозящие движение дислокаций за счет взаимодействия друг с другом; 4) ближний порядок в расположении атомов.

Во многих сплавах наблюдается явление, называемое ближним порядком, когда атом одного сорта стремится окружить себя преимущественно атомами другого сорта, при этом достигается меньшая энергия сплава. При движении дислокации разрываются более энергетически выгодные, а формируются менее выгодные связи между атомами. На это требуется большая энергия, что приводит к увеличению усилий, необходимых для смещения дислокации и, в конечном счете, к увеличению прочности материала.

Перечисленные способы хотя и значительно увеличивают прочность, но и, как правило, сильно уменьшают пластичность материала. Прочность кристаллов может быть больше и при особо малой плотности дислокаций, когда затруднена деформация кристалла по дислокационному механизму. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями:

1) Получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мал. 2) Либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций (в основе данного метода чаще упрочняют металлы).

Рост кристаллов.

Д. играют важную роль при росте кристаллов из парообразного и жидкого состояний. Было установлено, что в действительности кристаллы растут гораздо быстрее, чем можно было бы ожидать в случае совершенных кристаллах при малых насыщениях. Трудность в объяснении данного процесса была преодолена путем введение в рассмотрение винтовой дислокации, выходящей на грань кристалла и создающую непрерывную самовозобновляющуюся ступеньку. рис.17

Таким образом кристалл представляет одну сильно закрученную спираль рис.17, где представлена спираль роста в карбиде кремния.

Дислокации и электропроводимость:

Наличие дислокаций в кристалле существенно сказывается не только па механических свойствах, но и на электрических характеристиках материала. В частности Д. может нести или захватывать электрический заряд и обладать намагниченностью, отличной от

-8-

намагниченности кристалла. Наличие Д. повышает электросопротивление проводников и изменяет концентрацию свободных носителей заряда в полупроводниках. Дислокации могут являться источником большого числа носителей заряда, а также центром рекомбинаций и рассеяния носителей.

Так введение дислокаций в кристалл полупроводника из германия(p-Ge), уменьшает количество дырок проводимости уменьшается, и чем больше дислокаций, тем сильнее оно уменьшается. В то же время температурная зависимость меняется незначительно, то есть энергия электронов, захваченных дислокацией, слабо зависит от температуры (рис.18). Возникает кулоновская блокада: если дислокация захватила электрон, то на соседнюю оборванную связь электрону устроиться гораздо труднее, потому что существует кулоновское отталкивание между двумя электронами. При введении дислокаций в кристалл n-Ge количество электронов проводимости наблюдается такая же зависимость как и в кристалле p-Ge. На рис.19 изображен график зависимости концентрации электронов при различном расположении дислокации относительно магнитного потока.

-9-

Заключение

Наличие дислокаций в кристалле существенно сказывается свойствах, характеристиках материала. Без учета этих дефектов невозможно уже представить многие области науки, связанные с кристаллами. Теория дислокации широко применяется нетолько в материаловедении, но и в микроэлектролнике. И наряду с микронеоднородностью распределения примесей существование дислокаций является серьезным фактором, сдерживающим микроминиатюризацию интегральных элементов. Поэтому ведутся исследования по получению малобездислакационных кристаллов и на сегодняйший день удается получить практически бездислокационные кристаллы при выращивании их в условиях, свободных от физических напряжений, и при предельно малых температурных градиентах. В настоящее время в промышленных условиях изготавливаются малодислокационные полупроводниковые кристаллы с плотностью дислокаций порядка 10² см².

-10-

Список используемой литературы:

Р.Хоникомб Пластическая деформация металлов. Перевод с английского.

Фридель Дислокации

Рид Дислокации в кристаллах

Осипьян Ю.А. Взаимодействие электронов с дислокациями в кристалле.

-11-