1.1. Неупорядоченные полупроводниковые материалы
Атомная структура определяет фундаментальные свойства полупроводников. Отличительным признаком кристаллов является дальний порядок во взаимном расположении их атомов, или трансляционная симметрия. В свою очередь, существование трансляционной симметрии требует наличия строгого порядка в расположении атомов в отдельных частях кристалла любых размеров. Таким образом, расположение атомов в кристаллах подчиняется определенному порядку при любых размерах рассматриваемых областей: от элементарной ячейки до макрообластей, соответствующих геометрическим размерам кристалла. Любое отступление от этого порядка рассматривается как дефект кристаллической решетки.
В неупорядоченных системах отсутствует дальний порядок в расположении атомов. Вместе с тем было экспериментально установлено, что как в жидкостях, так и в некристаллических твердых телах сохраняется определенный так называемый ближний порядок в расположении атомов. Ближний порядок в расположении атомов в некристаллических материалах определяется природой атомов, образующих данное вещество (валентностью, длиной и углом химической связи). Как правило, полагают, что область ближнего порядка включает атомы, являющиеся ближайшими соседями атома, выбранного за центральный (находящиеся от него на минимальном расстоянии), и входящие в так называемую первую координационную сферу [1]. Параметрами ближнего порядка являются: число ближайших соседних атомов (первое координационное число); их тип; расстояние от них до центрального атома (радиус первой координационной сферы); их угловое распределение относительно центрального атома, определяемое углами химических связей (валентных углов) [4]. Рассмотренное определение ограничивает ближний порядок первой координационной сферой. В то же время перечисленные выше параметры ближнего порядка определяют не только первую, но и, по крайней мере, частично, вторую координационную сферу.
В область ближнего порядка включаются атомы, взаимное расположение которых определяется наиболее сильными взаимодействиями. Для полупроводниковых материалов с преобладанием ковалентного типа химических связей наиболее сильные взаимодействия характеризуются длиной ковалентной связи и валентным углом. Таким образом, область ближнего порядка включает в себя атомы, входящие в первую координационную сферу, и те атомы из второй координационной сферы, положение которых по отношению к атому, принятому за центральный, определяется длиной и углом ковалентной связи [5].
Введение понятия ближнего порядка не позволяет полностью описать наблюдаемое в неупорядоченных системах локальное упорядочение в расположении атомов, так как оно не отвечает на вопрос, каким образом области ближнего порядка соединены друг с другом, и не объясняет значительную протяженность упорядоченных областей в некристаллических материалах. Экспериментальные доказательства достаточно протяженных упорядоченных областей привели к введению понятия среднего порядка в расположении атомов в некристаллических материалах. Попытки объяснения наличия среднего порядка привели к созданию различных моделей расположения атомов в некристаллических материалах [6].
Для тетраэдрически координированных некристаллических материалов (аморфный кремний, германий и др.) была предложена модель аморфных кластеров, основная идея которой заключается в том, что небольшое количество атомов может обладать меньшей энергией в определенной регулярной, но отличной от кристаллической конфигурации. В этом случае некристаллический материал будет состоять из регулярных некристаллических кластеров, содержащих приблизительно по 100 атомов, взаимное расположение которых обеспечивает минимизацию энергии их взаимодействия. Кластерная модель, безусловно, явилась большим шагом вперед, но и она обладает недостатками, связанными с попытками механического распространения понятий ближнего порядка на большие по размерам, но геометрически достаточно строго определенные области. При этом проблемы взаимной упаковки и соединения таких областей по-прежнему остаются нерешенными.
Таким образом, в некристаллических материалах отсутствует дальний порядок в расположении атомов, но может существовать ближний и средний порядок. Для полупроводниковых материалов с преобладанием ковалентного типа химических связей ближний порядок определяется взаимодействием ковалентно связанных атомов и распространяется на первую и частично вторую координационные сферы.
Полупроводники, кристаллы которых обладают тетраэдрической координацией (Si, Ge, SiC, GaAs, GaSb, InSb), могут быть получены в твердом некристаллическом состоянии в виде тонких пленок методами вакуумного напыления, ионно-плазменного распыления, физико-химическими методами разложения газов и некоторыми другими [1, 7]. Во всех случаях первое координационное число некристаллической формы указанных материалов близко к четырем (4 ± 0.1), а радиус первой координационной сферы соответствует (с отклонениями, как правило, не более 0.06 Å) межатомному расстоянию в кристалле. Это свидетельствует о сохранении тетраэдрической структуры материалов в твердом некристаллическом (аморфном) состоянии.
Кремний кристаллизуется в решетку типа алмаза, упаковка атомов в которой определяется тетраэдрически направленными sp3-гибридными связями, представляющими собой линейную комбинацию s- и p- волновых функций валентных электронов. В кристалле каждый атом кремния находится в центре тетраэдра, вершинами которого являются четыре ближайших атома.
Параметры ближнего порядка (межатомные расстояния, углы связи, число ближайших соседей и т.д.) аморфного кремния, полученные из функции радиального распределения атомов, сохраняют значения, характерные для кристаллических материалов. При изменении углов между связями на несколько градусов, вращении атома вокруг оси связи и небольших статистических отклонениях атомного расстояния дальний порядок разрушается полностью.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.