Файл: Лодиз, Р. Рост монокристаллов.pdf

Обычный способ наблюдения дислокаций в электронном микроскопе основан на неодинаковой дифракции электронного луча в деформированных и недеформированных участках. В принципе можно исследовать совершенство любого мате­ риала, который допускает изготовление без разрушения тонких образцов, прозрачных для электронного луча с энергией около 100 кэВ и не разрушающихся под действием электронов. Для

дут образовываться линии Кикучи [86,87] с шириной, пропорцио­ нальной искривлению кристаллической плоскости. Следователь­ но, картины линий Кикучи полезны при изучении качества кри­ сталлов высокой степени совершенства ' ) .

Автоионно-микроскопические наблюдения

Ионный проектор (автоианный микроскоп) способен разре­

расстояния до экрана к радиусу кривизны острия, можно до­ вести до 10й, что дает разрешение порядка 2 - Ю - 9 м, позволяю­

материалов. Автоионная микроскопия позволяет наблюдать ва­ кансии, междоузлия, примесные атомы и дислокации [88], но ее возможности пока ограничены только исследованиями туго­ плавких металлов3 ).

1.5. ПОЧЕМУ НАС ИНТЕРЕСУЮТ К Р И С Т А Л Л Ы ?

Монокристаллы широко используются в научных исследова­ ниях. Как мы видели, можно считать, что все истинно твердые тела — кристаллы. Поэтому изучение кристаллов образует ос­ нову знаний физики и химии твердого состояния. Для многих исследований можно пользоваться поликристаллическими, а не

монокристальными образцами, но часто без крупных моно­ кристаллов не обойтись. В поликристаллических образцах есть межзеренные границы. Если исследователь хочет получить дан­ ные о каком-то объемном свойстве материала и измеряет это свойство на поликристаллическом образце, то во многих случаях он измерит характеристику межзеренных границ, а не массив­ ного материала. Замечательным примером, когда существенно иметь монокристальный материал, может служить электропро­ водность полупроводников, которая особенно чувствительна к наличию примесей. Примеси стремятся сегрегировать на грани­ цах зерен. Поэтому определение всех свойств полупроводников, зависящих от проводимости, почти всегда должно проводиться на монокристаллах. Другое распространенное проявление дей­ ствия границ зерен и связанных с ними пустот сводится к рас­ сеянию света, что часто делает монокристаллы необходимыми при оптических исследованиях.

Многие свойства кристаллов зависят от кристаллографиче­ ского направления, в котором производят измерения, так как пространственное расположение образующих кристалл атомов обычно не одинаково для всех направлений. Следовательно, при определении зависящей от направления характеристики на по­ ликристаллическом образце, в котором кристаллиты ориенти­ рованы случайным образом, исследователь будет измерять ус­ редненную характеристику, не проявляющую зависимости от направления.

Монокристальные материалы находят важное практическое применение в технике. Например, на монокристаллах гораздо легче добиться повышенной частотной стабильности и снижения акустических потерь, чем на поликристаллических материалах. Поэтому элементы контроля частоты делают из монокристаллов пьезоэлектрических соединений (кварца). Требования к прово­ димости и подвижности диктуют применение монокристальных полупроводников в транзисторах. Серьезные новые потребности в монокристаллах для исследовательских и прикладных целей порождены созданием лазеров и мазеров. Монокристаллы раз­ личных веществ находят применение при изготовлении техниче­ ских устройств и приборов для научных исследований следую­ щего назначения:

1)транзисторы: Si, Ge, GaAs;

2)туннельные диоды, параметрические диоды, сигнальные светодиоды: GaAs;

3)тензодатчики: Si, Ga(AsP);

4)СВЧ-ограничители и настраиваемые фильтры; иттрий-же­ лезистый гранат;

5)лазеры: Ca\V04 , CaF2 , иттрий-алюминиевый гранат, рубин, GaAs, InP, InSb, InAs, Ga(AsP);

6)электромеханические преобразователи: кварц, сегнетова соль, дигидрофосфат аммония, CdS, GaAs;

7)фильтры и генераторы: кварц;

вированные Tl; Ge, активированный Li ; триглицинсульфат, бариестронциевый ниобат;

10)ультразвуковые усилители: CdS;

11)промышленные подшипники: сапфир;

12)режущие и абразивные материалы: сапфир, алмаз, SiC;

13)выпрямители: Si и Ge;

14)лазерные модуляторы, гармонические генераторы, пара­

метрические устройства: KDP, LiNbCb, LiTa03 , бариестронциевый ниобат, бариенатриевый ниобат;

Ga(As.P).

Есть еще одна причина, почему мы интересуемся кристалла­ ми. С доисторических времен человек ценил монокристальные драгоценные камни за их красоту. Микрофотографии снежных кристаллов с конца XIX в. не перестают доставлять людям удо­ вольствие. Каждому, кто вырастил или исследовал монокри­ сталл, знакома радость открытия симметрии и красок неодушев­ ленной природы.

2

РАВНОВЕСИЕ ПРИ РОСТЕ КРИСТАЛЛОВ

2.1. К Л А С С И Ф И К А Ц И Я ПРОЦЕССОВ РОСТА

Уже само выражение «равновесие при росте кристаллов» в известном смысле противоречиво. При равновесии кристаллы не растут. И все же прежде чем приступить к изучению кинетики того или иного процесса, важно приобрести некоторые знания о равновесии, отвечающем данному процессу. Термодинамика равновесных состояний может в значительной степени пролить свет на процессы выращивания кристаллов, а анализ равновес­ ности, отклонение от которой ведет к росту, помогает нам про­ вести очень полезную классификацию процессов роста.

Рост кристаллов представляет собой гетерогенную химиче­ скую реакцию одного из следующих типов: а) твердая фаза —• кристалл, б) жидкая фаза —* кристалл или в) газ -+ кристалл. Такая реакция возможна в системе, в которой помимо следов загрязнений или специально введенных в малых концентрациях активаторов1 ) имеется только один компонент2 ), а именно кри­ сталлизуемый материал. Выращивание в таких условиях назы­ вается здесь одно компонентной кристаллизацией. Рост может происходить и в системе с высокой концентрацией примеси или

системе, где кроме компонента, образующего кристалл, есть еще

Наше рассмотрение ограничивается однокомпонентным ро­ стом, т.е. выращиванием в условиях низких концентраций акти­ ватора и примеси, без специального добавления других компо­ нентов, действующих как растворитель или реагирующих с кри­ сталлизуемым компонентом. При многокомпонентном росте добавочным компонентом может быть либо нежелательная при­ месь, присутствующая в большом количестве, либо активатор, если он необходим в большом количестве для создания нужной его концентрации в выращенном кристалле. Однако чаще всего дополнительный компонент вводят по той или иной причине, связанной с самим процессом выращивания. Обычно его вво­ дят специально, чтобы понизить температуру плавления или усилить летучесть выращиваемого материала.

3)чтобы избежать инконгруэнтного плавления;

4)чтобы избежать разложения;

5)чтобы избежать сильной растворимости примеси при вы­ сокой температуре;

6)чтобы расширить экспериментальные возможности или сделать ведение процесса более удобным;

7)чтобы понизить концентрацию вакансий и, следовательно, плотность дислокаций или предотвратить возникновение боль­ ших термических напряжений, т. е. подавить образование мало­ угловых границ зерен;

8)чтобы добиться такого распределения примеси, какое не­ возможно при высоких температурах (например, из-за улетучи­ вания примеси).

Низкотемпературное выращивание обычно достигается введе­ нием компонента, понижающего температуру плавления (выра­ щивание из раствора) или повышающего летучесть (выращива­ ние из газовой фазы). При многокомпонентном росте возникают трудности с растворимостью второго компонента в кристалле, диффузией образующего кристалл компонента к поверхности раздела или других компонентов от поверхности раздела.

Итак, процессы роста можно классифицировать по следую­ щей схеме:

I . Рост однокомпонентных систем

А.Твердая фаза -> твердая фаза

1.Деформационный отжиг (снятие напряжений).