Дислокации в эпитаксиальных пленках

Классификация дислокаций в эпитаксиальных плёнках

Дислокации в эпитаксиальных слоях представляют собой линейные кристаллографические дефекты, возникающие вследствие несовпадения параметров решётки подложки и осаждаемого материала, а также в процессе роста, релаксации напряжений и последующей термической обработки. В зависимости от их характера различают:

  • Краевые дислокации – линии искажений, при которых дополнительная полуплоскость атомов врезается в кристалл, вызывая локальное смещение атомных слоёв.
  • Винтовые дислокации – линии, вдоль которых атомные плоскости смещены на величину вектора Бюргерса, образуя спиралевидное искажение.
  • Смешанные дислокации – сочетают свойства краевых и винтовых, наиболее часто встречающиеся в реальных эпитаксиальных системах.

Особую роль играют несоответствующие (misfit) дислокации, формирующиеся на границе раздела плёнка–подложка при достижении критической толщины релаксации, и ступенчатые дислокации, связанные с морфологическими особенностями поверхности.

Механизмы образования дислокаций

  1. Несоответствие параметров решётки Если постоянные решётки подложки as и плёнки af различаются, то при начальных стадиях роста плёнка испытывает упругое напряжение. Разность выражается коэффициентом несоответствия:

    $$ f = \frac{a_f - a_s}{a_s} $$

    При превышении критической толщины hc накопленное напряжение разряжается путём образования несоответствующих дислокаций на границе раздела.

  2. Термическое расширение Различия коэффициентов теплового расширения подложки и плёнки приводят к появлению дислокаций при охлаждении после осаждения, особенно при высокотемпературных методах (CVD, MBE).

  3. Ростовые особенности Винтовые дислокации могут возникать как центры спирального роста, обеспечивая непрерывное поступление атомов на поверхность. Такие дефекты часто связаны с неидеальными зародышами кристаллов.

  4. Деформационные процессы При локальных механических нагрузках или при структурных фазовых переходах в плёнке возникают пластические деформации, сопровождающиеся генерацией новых дислокаций.

Вектор Бюргерса и характеристики дислокаций

Вектор Бюргерса b является фундаментальным параметром, определяющим величину и направление искажения кристаллической решётки. Для краевых дислокаций b перпендикулярен линии дефекта, для винтовых — параллелен.

Ключевые характеристики:

  • Плотность дислокаций ρ (м−2) — количество линий дислокаций на единицу площади, обычно 108 − 1012 м−2 для тонких плёнок.
  • Энергия дислокации пропорциональна Gb2, где G — модуль сдвига материала.
  • Напряжённое поле дислокации определяется законом убывания  ∼ 1/r от линии дефекта.

Критическая толщина и релаксация напряжений

При малых толщинах плёнка остаётся упруго деформированной, повторяя параметр решётки подложки. По мере роста толщины внутреннее напряжение достигает критического значения, после чего система минимизирует энергию, вводя несоответствующие дислокации.

Модель Мэттьюса–Блейксли описывает зависимость критической толщины hc от несоответствия решётки:

$$ h_c \approx \frac{b}{2\pi f} \left[ \ln\left(\frac{h_c}{b}\right) + 1 \right] $$

где b — величина вектора Бюргерса, f — относительное несоответствие.

Роль дислокаций в свойствах плёнок

  • Электронные свойства: Дислокации создают ловушки для носителей заряда, увеличивают скорость рекомбинации, ухудшают подвижность электронов и дырок.
  • Оптические свойства: В полупроводниковых гетероструктурах дислокации вызывают нерадиационное тушение фотолюминесценции.
  • Механические свойства: Повышение плотности дислокаций снижает прочность плёнки и приводит к растрескиванию.
  • Теплопроводность: Дислокации рассеивают фононы, снижая теплопроводность тонких слоёв.

Методы обнаружения и анализа дислокаций

  1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) — даёт прямые изображения линий дислокаций и границ раздела.
  2. Электронная дифракция — выявляет искажения решётки по изменению дифракционных картин.
  3. Характеризация с помощью XRD (рентгеновская дифрактометрия) — анализ расширения и смещения пиков позволяет оценить плотность дислокаций.
  4. Эцинг и атомно-силовая микроскопия — выявляют выходы дислокаций на поверхность в виде травильных ямок и дефектных выступов.

Динамика дислокаций в процессе роста

В эпитаксиальных системах дислокации могут:

  • Поглощаться на поверхности или у границ зёрен.
  • Размножаться по механизму Франка–Рида.
  • Мигрировать под действием термических флуктуаций или внешних напряжений.

Процессы рекомбинации и аннигиляции дислокаций играют важную роль в улучшении качества кристаллов при высокотемпературном отжиге.

Оглавление