Электрофизические свойства и дефекты квазимонокристалла

При выращивании mc-Si методом Бриджмена на первоначальном этапе в качестве исходной загрузки использовался кремний полупроводниковой чистоты. Выполняя задачу получения заданных электрофизических свойств полупроводника, необходимо было убедиться в том, что нужные параметры в большей части объёма слитка получаются на основе традиционного сырья в конкретных ростовых условиях [107,108,109,110,111]. При проведении этих процессов нам впервые удалось получить монокристаллический рост кремния на плоском дне тигля без применения донной затравки. Соответствующие параметры процесса следующие: осевой градиент температуры нагревателя – 15 К/см, перемещение системы тигель-расплав-кристалл - 2,8 см/ч, вращение системы тигель-расплав-кристалл – 10 об/мин. На рис. 24 изображён фрагмент продольного распила слитка, отображающий стадию монокристаллического роста с плоским структурным переходом, характерным для двойникования первого порядка. По отношению к наблюдаемой плоскости общее направление кристаллизации является нормалью.

В характеристике образца использованы сколы кристалла, полученные в результате его распила. Известно, что спайность в кремнии несовершенная по плоскостям {111} и двойникование первого порядка также происходит по структурно эквивалентным ей плоскостям [112]. На рис. 24 также показаны углы, измеренные между плоскостью данного структурного перехода и поверхностями сколов, а на рис. 25. для сравнения показан вычисленный угол между двумя структурно-эквивалентными плоскостями {111} в кубической решётке. В ГЦК – кристаллах реально наблюдаемые МЗГ могут характеризоваться наличием, как элементов наклона, так и элементов кручения смежных областей. Если ось вращения совпадает с направлением <311>, то разворот требуется на угол 146,4⁰ [113]. Результат измерения угла практически совпадает со справочным значением, что позволяет идентифицировать наблюдаемый переход, как плоскость двойникования первого порядка или ∑3 [42].

Рис. 24. Измеренные углы между плоскостью двойникования ∑3 и плоскостями сколов, полученных в результате распила слитка.

Рис. 25. Угол между двумя структурно-эквивалентными плоскостями {111} в кубической решётке.

Значение измерений времени жизни ННЗ состоит в косвенном контроле дефектной структуры кристалла ввиду высокой структурной чувствительности данного параметра к создаваемым различными дефектами глубоких уровней в запрещённой зоне полупроводника. Особенности кривой релаксации фотопроводимости, вероятно, связаны с характером рекомбинационно-активных дефектов [99,114,115,116]. Основным дефектом, обнаруживаемым в чистом (нелегированном) поликристалле полупроводниковой чистоты, помимо МЗГ, являются дислокации. Были получены результаты бесконтактных СВЧ - измерений эффективного времени жизни в окрестности структурного перехода монокристаллической части слитка (рис. 26). Использовались источники света различных длин волн и коэффициента поглощения в кремнии: импульсный полупроводниковый лазер ЛПИ - 12 (длительность импульса возбуждения t_и =0,15 мкс, λ=910 нм, a=300 см^-1) и стандартный (в SEMI MF 28 и SEMI MF 1535) лазер ИЛПН-1П-500-1,06 (длительность импульса возбуждения t_и =50 мкс, λ=1,06 мкм, α=10-15 см^-1). Как уже говорилось во 2-й главе, разная глубина поглощения света полупроводником подразумевает различный вклад поверхностной рекомбинации в результат измерения эффективного времени жизни.

Рис. 26. Эффективное время жизни в монокристаллической части слитка по результатам измерений импульсной фотопроводимости с источником света длин волн λ=910 нм и λ=1,06 мкм.

Результаты измерения эффективного времени жизни ННЗ свидетельствуют о декорировании рекомбинационно-активными дефектами наблюдаемой в слитке плоскости двойникования 1-го порядка. В чистом нелегированном кристалле (ρ > 300 Ом·см) кристалла этими дефектами, вероятно, являются дислокации [24].

Для монокристаллической части ниже структурного перехода в сечении, параллельном плоскости двойниковования между точками 3 и 4 на рис. 26, показано локальное распределение ямок травления винтовых дислокаций (рис. 27) в форме тетраэдрических пустот со смещённым центром (рис. 28).

Рис. 27. Изображение дислокаций на травлёной поверхности горизонтального распила слитка вблизи структурного перехода.

Рис. 28. Ямка травления винтовой дислокации.

Известно, что в плоскости {111} происходит скольжение краевых дислокаций, в то время, как винтовые дислокации могут легко менять свою плоскость скольжения, в частности, на перпендикулярную [113].

Следует заметить, что результат отбора зародышей, вероятно, не является случайным, поскольку соответствует ориентации наиболее устойчивого роста монокристалла кремнии. Устойчивость роста, осуществляемого в направлении <111>, показывает сравнение следующих примеров из практики выращивания бездислокационных монокристаллов кремния методами Чохральского и бестигельной зонной плавки [24,117]:

1) за срывом бездислокационного роста слитка в направлении <100> (т.е. исчезновением хотя бы одной из четырёх граней на внешней поверхности) обычно следует двойникование и рост поликристалла;

2) за срывом бездислокационного роста слитка в направлении <111> с характерной нарезкой (вследствие автоколебаний температуры расплава), как правило, следует стадия простого монокристаллического роста (т.е. потеря нарезки и появление глянца на внешней поверхности кристалла с сохранением трёх основных и трёх псевдограней). В дальнейшем возможны - либо поликристаллический рост, либо монокристаллический рост до полной выработки расплава.

Для растущей грани {111} α-фактор Джексона больше 2 (≈2,475), а процесс роста кристаллов с атомно-гладкими гранями происходит послойно путём тангенциального движения ступеней. При этом для непрерывности роста существует механизм возникновения ступеней. Наличие винтовых (или частично винтовых) дислокаций позволяет говорить, что формирование монокристалла в данном случае происходит по механизму послойно-спирального роста согласно теории Бартона-Кабреры-Франка, в которой источником ступеней является именно выход на межфазную поверхность винтовой дислокации. При росте грани {111} дислокация снимает необходимость в двумерном зародышеобразовании по теории Фольмера-Косселя-Странского [118].

Следует отметить, что классическая теория образования зародышей новой фазы непригодна для описания реальных процессов структурирования вещества на наноуровне, в особенности некристаллографических форм наноструктур (например, фуллеренов). С учётом этого, одним из современных предположений является существование в неравновесных условиях специфических кластеров нанометровых размеров (кватаронов). Как и в классической теории, зарождение новой фазы здесь рассматривается, как процесс, требующий определённых энергетических затрат, но дополнительно принимаются во внимание возможность существования электрического заряда на образующихся частицах новой фазы и зависимость удельной поверхностной энергии от радиуса частицы. При этом допускается возможность безактивационного образования кластеров «скрытой фазы» (когда энергия образования зародышей ΔG≤0) с радиусами ниже значения порядка 1 нм. Фундаментальное значение данной концепции в развитии теории роста кристаллов заключается в том, что она позволяет решать дискуссионные вопросы об источнике ступеней при послойном росте, о природе и размерах кристаллообразующих частиц. В нашем случае интересен следующий момент: почему растущая плотноупакованная грань {111} покрывается квазиавтономными центрами роста, которые формируют ячеистый рельеф типа «булыжной мостовой»? На рис. 29 показан участок протравленной поверхности между выходами дислокаций, изображённых на рис. 28 (травление здесь приближённо рассматривается как процесс, обратный кристаллизации).

Рис. 29. Участок поверхности {111} между ямками травления дислокаций.

Ответ на вопрос состоит в следующем: кристалл формирует плоскую грань благодаря послойному росту, обеспечиваемому наличием ступеней, образующихся в результате кристаллизации кватарон-кластеров (при этом отпадает необходимость в наличии выходов винтовых дислокаций). В свою очередь невозможность их мгновенной кристаллизации, их накопление и последующая кристаллизация несут ответственность за образование холмиков роста, за трансформацию плоской грани в ячеистый фронт кристаллизации [119].