Механизмы образования и особенности пространственного распределения дислокаций

Следует выделить несколько причин образования дислокаций в монокристаллах, зависящих от условий выращивания. Основные механизмы при выращивании монокристаллов из расплава, определяющие плотность дислокаций и распределение дислокаций по кристаллам это: "прорастание" из затравочного кристалла; зарождение и размножение дислокаций в процессе деформации под действием термических напряжений; образование дислокаций под действием напряжений, обусловленных неоднородным распределением примесей [32-40].

В слаболегированных оптических монокристаллах германия (уровень концентрации примеси всего на 2...3 порядка превышает собственную концентрацию носителей заряда) основными причинами образования дислокаций являются термические напряжения, обусловленные неоднородным распределением температур в кристалле, а также возможное проникновение

дислокаций из затравки. Возможность предотвращения "прорастания" дислокации из затравки для получения бездислокационных кристаллов описана в работе [41]. Показано, что уменьшение диаметра затравочного кристалла перед разращиванием слитка способствует выходу дислокаций на поверхность растущего кристалла. Наиболее эффективно удаляются дислокации при выращивании кристалла в направлении, которое образует большой угол с плоскостями скольжения, где преимущественно расположены дислокации. Для кристаллов с гранецентрированной кубической решеткой такими наиболее благоприятными направлениями роста являются направления и .

Отсутствие "прорастания" дислокаций из затравочного кристалла не гарантирует полностью безукоризненного кристалла, так как при определенном уровне термических напряжений дислокации могут генерироваться и в бездислокационной матрице. Основная задача при получении бездислокационных монокристаллов - снижение термических напряжений до безопасного уровня. Термические напряжения, способствующие образованию дислокаций, определяются распределением температуры в растущем слитке, поэтому создание оптимальных тепловых условий выращивания тесно связано с исследованием температурных полей в кристалле и расплаве.

Известно большое количество работ, связывающих плотность дислокаций в монокристаллах, выращиваемых из расплава, с температурными условиями, в основном, с градиентами температур в области фронта кристаллизации.

В работе [42] приведены данные по взаимосвязи кривизны фронта кристаллизации и плотности дислокаций в монокристаллах германия. Показано, что изменение кривизны фронта от 2 м"¹ до 20 м'¹ изменяет плотность дислокаций на 3 порядка величины: от IO²до IO⁵см"². В связи с этим такие характеристики процесса, как скорости вращения кристалла и тигля, длина кристалла и другие влияют на плотность дислокаций незначительно.

В работе [43] определены основные параметры выращивания бездислокационных монокристаллов германия. Это градиент температур у фронта кристаллизации, не превышающий 300 Км'¹ и переохлаждение

расплава у фронта в пределах 2,5 ±1,0 К. При этих условиях стабильно получали монокристаллы с плотностью дислокаций не более 10 см'², а основная часть монокристаллов имела 1... 3 дислокации на всем сечении монокристалла. Недостатком метода явилось ограничение диаметра монокристаллов до 22... 24 мм. Среди основных технологических условий процесса роста задавался уровень переохлаждения расплава. Известно, что увеличение скорости выращивания монокристаллов при прочих равных условиях возможно только при увеличении переохлаждения расплава [44-47]. Изменение переохлаждения при этом может приводить к изменению плотности дислокаций в монокристаллах. Выращиваемые бездислокационные монокристаллы германия являлись пирамидами роста сингулярной грани {111}. Крупногабаритные монокристаллы германия получают обычно в форме диска [31,48,49-51], и они не являются пирамидами роста сингулярной грани {111}, а представляют собой их сложное сочетание. При ориентации затравки это пирамида роста грани {111} и шесть попарно чередующихся пирамид роста граней {11Т} и {1 її} . Выращивание крупногабаритных монокристаллов является процессом формирования именно такой структуры. При неизбежных колебаниях температуры и переохлаждения [52] чередующиеся пирамиды зачастую срастаются некогерентно.

Таким образом, можно говорить еще об одной причине образования дислокаций при выращивании кристаллов из расплава - некогерентное срастание пирамид роста. В таких случаях образуются скопления дислокаций и малоугловые границы. В конечном итоге на границах пирамид роста граней {11Ї} и |1її} может возникнуть двойникование и появятся области поликристаллизации. Плотность дислокаций на границах пирамид роста возрастает от центра кристалла к периферии.

Образование двумерных и трехмерных дефектов

В зависимости от температурных условий в монокристаллах происходит количественное и качественное преобразование одномерных дефектов

структуры - дислокаций. По мере увеличения градиента температур и переохлаждения распределенные по объему кристалла дислокации преобразуются в линии скольжения и малоугловые границы (МУГ). Скольжение в структуре алмазного типа происходят вдоль плоскостей с максимальной ретикулярной плотностью {111}. Линии скольжения проходят по направлениям с максимальной плотностью узлов решетки (110). При росте крупногабаритных монокристаллов происходит качественный скачок - дислокации концентрируются на границах стыков пирамид роста граней {111} в направлениях (112). Образуются малоугловые границы, что является первым этапом перехода монокристаллической структуры в поликристаллическую. Блоки монокристалла, разделенные МУГ по (112), разориентированы друг относительно друга на малые углы, не превышающие обычно 5°. При нарастании неравновесности в системе (увеличении переохлаждения) при выращивании монокристаллов больших диаметров (от 50 до 600 мм) или в случае нарушений стабильного режима, появляются произвольно ориентированные МУГ и скопления дислокаций. В конечном итоге монокристалл преобразуется в блочную систему, становящуюся по существу, поликристаллом с незакономерной ориентацией индивидов. Разориентированные блоки считаются трехмерными дефектами, но в сущности возникают в результате появления двумерных дефектов - двумерных границ между блоками [53-54].

Подобная картина характерна для сильно легированных кристаллов. В легированных монокристаллах могут возникать трехмерные дефекты типа включений второй фазы [53,55]. Морфология монокристаллов при этом является особой, кристаллы имеют волнистость на боковых поверхностях и фронте кристаллизации. Например, в сильно легированном мышьяком германии (уровень концентрации примеси - IO¹⁹см'³) включения второй фазы в центральной части окаймляют пирамиду роста грани {111}. На периферии включения располагаются вдоль направлений (112), соответствующих

константам пирамид {11T} и {1T1}, а также по ступеням фронта, идущим в направлениях (11 θ) • В зависимости от ориентации монокристалла картины могут изменяться, но отмеченные принципиальные особенности всегда сохраняются. В случае направления роста (110) уступы пирамид роста граней {111} располагаются под углом 54⁰44 к направлению (ПО). Они проходит вдоль (110). Расположение включений второй фазы и морфология фронтов жестко взаимосвязаны; по ним легко можно судить о направлении ориентации затравки.

Особым видом двумерных дефектов являются двойниковые границы, связанные с переохлаждением расплава - концентрационным или термическим. Двойникование в монокристаллах происходит с изменением направления роста с (Ill) на (115), появляется целая серия двойников, а кристалл в конечном итоге становится сферолитом. Таким образом, среди всех известных причин появления всех рассмотренных типов дефектов, главными являются переохлаждение расплава и градиент температур, с которым тесно связан начальный этап образования дислокаций. На определенном этапе начинает играть роль и некогерентное срастание пирамид роста в объеме кристалла. Суммируя все эти причины, обобщенно их можно свести к классической причине, известной из теории пластичности - образованию в кристалле механических напряжений и их релаксации при превышении их критического уровня.

1.4