2.4. УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ МОДЕЛИ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА

Изменения энергетической зонной диаграммы гетероперехода в процессе усовершенствования модели Андерсона при наличии электрически заряженных состояний и диполей на границе раздела показаны на рис. 2.17. Эти изменения, а также учет различных механизмов туннелирования носителей обеспечивают лучшее соответствие теоретических и экспериментальных результатов.

2.4.1. Физическая природа энергетических состояний на границе раздела

Причиной появления энергетических уровней вблизи границы раздела является несовершенство структуры, связанное с несоответствием параметров кристаллических решеток материалов, образующих гетеропереход, и наличием примесей или дефектов, введенных в процессе изготовления, которые могут находиться в электрически активном или нейтральном состоянии.

Следствием этого является появление большого количества периодически расположенных дефектов, представляющих собой ненасыщенные связи (рис. 2.18). При этом на границе раздела в идеальном случае образуется регулярная сетка краевых дислокаций (как это показано на рис. 2.19), а ядро каждой дислокации окружено областью, в которой действуют механические напряжения. Плотность ненасыщенных связей (соответствующая единице площади поверхности) в общем виде можно представить как

Здесь постоянная, точное значение которой определяется типами структур кристаллических решеток обоих материалов и их взаимной ориентацией; — параметры этих решеток. Подобные ненасыщенные связи сами могут являться электрически активными дефектами, но могут служить также и центрами сегрегации примесей.

Рис. 2.17. Энергетические зонные диаграммы трех моделей -гетеропереходов: а - без энергетических состояний и диполей на границе раздела (модель Андерсона) - при наличии заряженных состояний; в - при наличии диполей; во всех случаях концентрации легирующих примесей в объеме полупроводников одинаковы; при изменении полярности поверхностных состояний и диполей образуются энергетические профили другого типа

Рис. 2.18. Схемы строения границы раздела двух кубических монокристаллов с постоянными решеток в плоскости (100) при наличии резкого перехода и полной компенсации дислокаций несоответствия за счет пластической деформации: а - проекция, перпендикулярная границе раздела, иллюстрирует формирование краевой дислокации; б - проекция, параллельная границе раздела, на которой показан соответствующий набор линейных дислокаций (перпендикулярных границе раздела); кружками и квадратами обозначены атомы соответствующих материалов в области границы раздела [Aranovich/California, Stanford. Thesis, 1980]

Рис. 2.19. Полученный с помощью просвечивающего электронного микроскопа микроснимок области переменного состава образца изготовленного методом газовой эпитаксии. Дислокации расположены вдоль направлений Появление темных квадратных областей, вероятно, вызвано неровностями поверхности, образующими сетку перекрестных штрихов и связанными с несоответствием параметров кристаллических решеток [Olsen, Cry St. Growth, 1975,vol. 3.1]

Рис. 2.20. Полученный с помощью просвечивающего электронного микроскопа микроснимок в светлом ноле поверхности раздела несогласованными параметрами кристаллических решеток [Olsen, Ettenberg, 1978]. Направление роста (100) вертикально. Показан классический источник, определяющий механизм размножения дислокаций Франка-Рида

Экспериментально установлено, что основная доля ненасыщенных связей оказывается компенсирована и лишь небольшое количество активных связей влияет на электрические свойства материалов [Tansley, 1971].

Действие механических напряжений при несогласованных параметрах кристаллических решеток вызывает локальные вариации ширины запрещенной зоны, что может привести к существенным изменениям электри-, ческих свойств, таким, как увеличение проводимости вдоль ядер дислокаций. Подобные эффекты возникают и на границах зерен в тонких поликристаллических пленках (см. гл. 6). При степени несоответствия параметров решеток, превышающей некоторое критическое значение, обычно равное 1%, образуется густая сетка дислокаций, распространяющаяся от границы раздела в глубь полупроводникового слоя вдоль направления его роста [Olsen, Ettenberg, 1978] (рис. 2.20). Более сильные напряжения связаны с появлением трещин, в основном в толстых слоях, под влиянием растяжения (а не сжатия).

Посредством эпитаксиального осаждения из паровой фазы изготовлены гетеропереходы [Olsen е. а., 1978] при составах которым отвечает наличие дислокаций несоответствия вокруг участков с совершенной структурой. Авторы исследовали области, содержащие дислокации несоответствия с компенсированными полями упругих напряжений, оценили их влияние на параметры решетки и ширину запрещенной зоны, а также определили условия появления пластической деформации в результате образования и размножения дислокаций. На рис. 2.21 приведены данные по критическим деформациям и напряжениям при различных механизмах аннигиляции дислокаций и по их взаимосвязи

Рис. 2.21. Критические деформации и напряжения и их взаимосвязь с механическими и электрическими свойствами гетеропереходов на основе соединений III-V групп периодической системы [Oisen е. а., 1978]: L - диффузионная длина неосновных носителей заряда; упругая деформация; деформация вследствие несоответствия параметров решеток; -скорость рекомбинации носителей на границе раздела; 1 - образование дислокаций несоответствия; 2 - рост несовершенного кристалла; 3 — критическая упругая деформация, вызывающая размножение дислокаций; 4 - дислокации несоответствия у границы раздела; 5 — дислокации несоответствия отсутствуют; 6 — критическая деформация несоответствия, вызывающая образование трещин; 7 - трещины

с механическими и электрическими свойствами соединений III-V групп периодической системы элементов.

Бели гетеропереходы изготовляют при повышенных температурах, то действие механических напряжений, безусловно, связано и с различием коэффициентов теплового расширения.

Дислокации аналогичного типа могут образоваться на границе раздела в результате повреждения поверхности при резке или полировке перед осаждением второго слоя, образующего гетеропереход.

Вопросы, связанные с наличием в гетеропереходе несовершенств собственного характера и возникших при формировании структуры, обсуждаются в [Fahrenbruch, Aranovich, 1979].