Лекция 2: Структура, методы роста и исследования полупроводников. Строение идеальных кристаллов. Кристаллы, анизотропия их физических свойств. Трансляционная. - презентация

1 Лекция 2: Структура, методы роста и исследования полупроводников. Строение идеальных кристаллов. Кристаллы, анизотропия их физических свойств. Трансляционная симметрия и кристаллические решётки. Точечные группы симметрии кристаллов. Элементарная ячейка. Примитивная ячейка, базис, способ Вигнера- Зейтца построения примитивной ячейки. Основные типы кристаллических решёток. Координационное число. Решётка алмаза и цинковой обманки. Способ задания кристаллографических плоскостей и направлений в кристалле, индексы Миллера. Полярные и неполярные кристаллы.

2 Структура и симметрия кристаллов Изображение кристалла, взятое из средневекового трактата по минералогии Геометрическая правильная внешняя форма (подобие форм малых и больших кристаллитов) Анизотропия свойств века. Работы Стенона, Гаюи, Зибера – кристаллы состоят из маленьких элементов. Кристалл CaF 2 - октаэдр Трансляционная симметрия: r=r+n 1 a+n 2 b+n 3 c Векторы трансляций. Примитивные векторы трансляций Примитивная ячейка: элементарная ячейка с минимальным объёмом Примитивная ячейка Вигнера- Зейтца

3 Основные типы кристаллических решёток Точечные группы симметрии, Фёдоровские группы (230 в 3-х мерном случае) Гексагональная решётка (графит, GaN) Плоские решётки

4 Объёмные решетки ГЦК с базисом Кремний, полупроводники класса A3B5, A2B6

5 Решётка + Базис = Кристаллическая структура Базис может содержать от одного атома (простые кристаллы) до сотен атомов (сложные молекулярные соединения, кристалл из белка). Точечные группы симметрии: Вращение Инверсия Вращение со смещением Комбинации этих преобразований пространства.

6 Решётка типа алмаза ГЦК с базисом (0;0;0) и (1/4;1/4;1/4) – кремний, германий, алмаз. Не примитивная, содержит 8 атомов!!! половинок + 8 осьмушек

7 Цинковая обманка Полупроводники типа А3Б5 и А2Б6 – арсенид галлия и др.

8 Примитивная ячейка ГЦК решётки Ромбоэдрическая ячейка (гранями являются ромбы)

9 Кристаллические плоскости. Индексы Миллера Индексы Миллера некоторых наиболее важных плоскостей кубического кристалла Вид плоскости (111) кремния

10 Примеры плоскостей (100) (110) (111) - биплоскости

11 Реальные кристаллы. Методы их роста и исследования структуры. Дефекты. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Закон Брэгга. Электронная микроскопия. Обратная решётка. Зоны Бриллюэна. Выделенные (высокосимметричные) точки и направления в кристаллах с кубической симметрией. Дефекты кристаллов: точечные дефекты, комплексы дефектов, дислокации, примеси. Методы роста полупроводников и полупроводниковых плёнок.

12 Чем исследовать объекты расстояния между которыми доли нанометра?

13 Экспериментальные методы исследования структуры кристаллов. Открытие дифракции рентгеновских лучей, закон Брэгга. 2d*sin =n Лауэ 1912 год

14 Обратная решётка. Зоны Бриллюэна. Условия максимумов при рассеянии рентгеновских лучей Обратная решётка: A=2 [bxc]/a[bxc] Зоны Бриллюэна. Первая зона Бриллюэна для решёток типа алмаза и цинковой обманки. Основные точки и направления симметрии. Надо просуммировать по всем узлам! Обратная решетка, сфера Эвальда.

15 Точечные дефекты Вакансии. Дефекты по Шоттки. Зарядовое состояние вакансии. Удельный объем вакансии. Поля механических напряжений вокруг вакансии. Комплексы вакансионных дефектов Междоузлие. Дефекты по Френкелю. Взаимодействие дефектов. Диффузия. Энергетический спектр дефектов. Ионный кристалл

16 Протяжённые дефекты. Дислокации Краевая дислокация Винтовая дислокация Дислокация в двумерной системе Вектор Бюргерса. Скольжение. Пластичность кристалла Поля упругих напряжений вокруг дислокаций. Граница зёрен в поликристалле с малым углом разориентировки Дислокационнные сетки.

17 Методы роста объёмных полупроводников и полупроводниковых плёнок Объемные кристаллы 1. Метод Чохральского

18 2. Метод безтигельной зонной плавки Кристалл не касается стенок тигля. Разогрев – СВЧ методом.

19 Полупроводниковые плёнки 1.Жидко-фазная эпитаксия 2.Физическое распыление и осаждение 3.Химическое осаждение + химическое осаждение стимулированное плазмой Плазмохимическая линия нанесения p-i-n структуры СЭ фирмы «Uni-Solar» (США)

20 Осаждение, стимулированное плазменным разрядом Возможно нанесение моноатомных слоев – ALD.

21 4. Молекулярно-лучевая эпитаксия Разработанная в Институте физики полупроводников СО РАН система выращивания гетероэпитаксиальных структур кадмий - ртуть – теллур методом молекулярно - лучевой эпитаксии