19 Лекция 13

13. Закономерности и механизмы диффузии примесей и дефектов в полупроводниковых материалах

13.1. Механизмы диффузии атомов в кристаллах

В реальной кристаллической решетке атомы при определенных условиях могут обладать большой свободой передвижения и перемещаться из одних узлов решетки в другие. Перенос вещества, обусловленный хаотическим тепловым движением атомов в направлении уменьшения их концентрации, называется диффузией.

Диффузия в кристалле, находящемся в состоянии химического равновесия (однородный химический состав, однородное распределение дефектов), называется самодиффузией. Диффузия атомов в кристалле при наличии градиента химического потенциала (градиента концентрации вещества) носит названиегетеродиффузии, химической диффузии или просто диффузии.

Силовой рельеф (рис.13.1), образуемый полем, связывающим частицы кристалла, имеет такую же периодическую структуру, как и решетка кристалла. Для диффундирующей частицы он представляется в виде периодических потенциальных барьеров определенной высоты Е(энергия активации), препятствующих ее движению по кристаллу. Преодолеть такой барьер способна лишь частица с необходимым для этого уровнем энергии, случайно приобретенным в результате тепловой флуктуации. Поэтому путь движения частиц можно представить в виде отдельных скачков, каждый из которых приводит к преодолению одного барьера. Длина таких элементарных перемещенийS_mимеет порядок постоянной решетки, т.е. несколько десятых долей нанометра. За счет таких элементарных скачков атомы могут перемещаться на большие расстояния. Возможны три механизма атомных скачков: взаимный обмен местами, движение по вакансиям и перемещение по междоузлиям.

Первый механизм может осуществляться при одновременном обмене местами двух, трех (и более) соседних атомов. Обмен местами двух соседних атомов является простейшим актом диффузии (рис.13.2, а). Однако при этом в плотно упакованной структуре атом должен преодолеть большой потенциальный барьер, что обусловлено необходимостью смещения соседних атомов.

Рис.13.1. Энергетический профиль силового поля, преодолеваемого диффундирующей частицей

При кольцевом обмене (рис.13.2, б) три, четыре или большее число атомов согласованно перемещаются на одно межатомное расстояние. При таком перемещении потенциальный барьер, преодолеваемый каждым атомом, меньше, чем в первом случае. Однако вероятность осуществления такого диффузионного механизма уменьшается с увеличением числа атомов в кольце за счет возрастания суммарной энергии, затрачиваемой на элементарный акт перемещения.

Рис.13.2. Механизмы диффузии при обмене местами атомов

Диффузионные процессы, обусловленные механизмом атомных скачков, могут протекать в совершенных кристаллических решетках с рыхлой упаковкой.

Тепловое воздействие на кристалл может привести к тому, что вместо идеального упорядочения, при котором все узлы решетки заняты, а междоузлия пусты, часть узлов кристалла окажется пустой, а междоузлий – занятой.

Впервые гипотезу о возникновении такого рода нерегулярностей в кристаллической решетке сформулировал Я.И.Френкель в 1926 году. Он предположил, что при подводе теплоты к кристаллу отдельные частицы за счет тепловых флуктуаций могут приобрести энергию, достаточную для того, чтобы покинуть регулярный узел и сместиться в междоузлие. Таким образом, дефект по Френкелю, в сущности, состоит из двух дефектов: вакансии в узле решетки и частицы в междоузлии.

Несколько позднее В.Шоттки постулировал другую модель теплового разупорядочения: элементарная частица покидает узел, оставляя после себя вакансию, и уходит на поверхность кристалла, где достраивает решетку

Диффузия по вакансиям происходит следующим образом: сначала в решетке образуются вакансии, затем они последовательно перемещаются по кристаллу (рис.13.3, а).

При диффузии атомов по междоузлиям происходит перескок атома из узла решетки в междоузлие, и последующие перемещения его уже только по ним (рис.13.3, б).

Кроме вышеуказанных механизмов диффузии, существенную роль в дефектных материалах может играть диффузия вдоль дислокаций и по границам зерен, а также поверхностная миграция адсорбированных атомов и молекул.