Дислокации в местах концентрационных флуктуаций в германиево-кремниевых сплавах

В монокристаллах германиевых сплавов, выращенных из расплава, были обнаружены необычные ряды дислокаций. Ряды, по-видимому, представляют собой краевые дислокации, расположенные параллельно тем последовательным положениям, которые принимает поверхность раздела жидкость—твердая фаза в процессе затвердевания. Они возникают из-за флуктуаций концентрации примеси, а отсюда и параметра решетки у поверхности раздела фаз. Дислокации, по-видимому, образуются потому, что они понижают энергию упругих напряжений между соседними слоями кристалла, имеющими различные параметры решетки.

Такие дислокации наблюдались в монокристаллах сплавов германия с 6 ат. % кремния, германия с 0,2 ат. % олова и германия с 0,2 ат. % бора, но никогда не были обнаружены в монокристаллах германия или кремния, содержащих менее -10в-4 ат. % примеси. На фиг. 1 показан срез кристалла сплава германия с 6 ат. % кремния вдоль плоскости (111), почти параллельной направлению выращивания. Поверхность была отполирована и протравлена смесью СР-4, которая выявляет краевые дислокации в германиевых сплавах в виде ямок травления и которая вследствие изменения скорости травления в зависимости от состава выявляет флуктуации в концентрации кремния в виде полос, параллельных положениям поверхности кристаллизации. Следует отметить, что; 1) ямки располагаются строго параллельно полосам, что вполне соответствует причине их возникновения; 2) ряды имеют тенденцию появляться парами; это может быть связано с тем, что за повышением концентрации кремния сразу же следует ее падение; 3) ямки появляются только вдоль некоторых полос; это, по-видимому, обусловлено тем, что дислокации образуются лишь тогда, когда градиент концентрации достигает критического значения, связанного с упругим напряжением, необходимым для образования дислокации. На фиг. 2 на микрофотографии с большим увеличением показано, что интервалы и расположение ямок травления менее закономерны, чем вдоль типичных границ волокнистой структуры в германии.

Минимальное значение линейной плоскости дислокаций р, возникающих из-за резкого изменения концентрации примеси ДС у поверхности кристаллизации, можно оценить при допущении, что нее макроскопические упругие напряжения снимаются за счет дислокаций. Каждая краевая дислокация снимает упругое напряжение, равное вектору Бюргерса b, который для германия равен a/p2. Можно легко показать, что если изменение концентрации AC приводит к изменению параметра решетки на величину Aa0, то p будет определяться соотношением

где da0/dc — изменение параметра решетки на единицу изменения концентрации примеси. Для германиево-кремниевых сплавов с небольшим содержанием кремния da0/dc равно примерно 2,8*10в-11 см на 1 ат. % кремния, а а0 для германия равно 5,6*10в-8 см. Отсюда AC, равное 0,1 ат. % кремния (что, по-видимому, является приемлемым значением для этих кристаллов), будет создавать, согласно уравнению (1), около 1200 дислокаций на 1 см. В кристалле, приведенном на фиг. 2, плотность дислокаций составляет примерно 1400, а на фиг. 1, возможно, в два раза больше. Из этих данных следует, что при резком изменении концентрации примеси примерно на 0,1 ат. % или более можно ожидать, по-видимому, появления рядов краевых дислокаций в германии.

Так как краевые дислокации значительно снижают время жизни носителей в германии, то ряды, подобные описанным в настоящей работе, могут быть причиной сравнительно низких времен жизни, которые наблюдаются в германиево-кремниевых сплавах. Мы, так же как и Эллис, наблюдали дислокации у р—n-переходов, полученных методом наплавления. Они должны увеличивать ток насыщения и в некоторой степени уменьшать накопление введенных носителей у р—n-перехода.

Итак, микроскопические флуктуации концентрации примеси, подобные описанным в настоящей работе, являются эффективным механизмом образования дислокаций в кристаллах, выращенных из расплава, даже в отсутствие макроскопической сегрегации, которую ранее считали источником дислокаций.