Программа курса "Физика реального кристалла"

1. Введение.
Основные свойства и основные группы полупроводниковых материалов. Соединения и твердые растворы.

2. Основы теории химической связи и закономерности образования полупроводников.
Электронные состояния в атоме водорода и многоэлектронных атомах. Типы химической связи в твердых телах: ковалентная, ионная, металлическая, молекулярная, водородная. Основные свойства ковалентной связи: направленность и насыщаемость, образование гибридных связей.
Элементарные полупроводники: элементы IVA, VA, VIA, VIIA, IIIA подгрупп.
Полупроводниковые соединения. Электроотрицательность элементов, степень ионности связи. Химическая связь в полупроводниковых соединениях A^NB^8-N. Эмпирические закономерности образования химической связи в полупроводниковых соединениях. Химическая связь в полупроводниках, производных от A^NB^8-N: соединения с резонансными и дефектными связями; химическая связь в полупроводниковых соединениях A^IVB^VI и A^V₂B^VI₃.

3. Дефекты в полупроводниковых материалах.
Собственные дефекты.
Точечные дефекты: междоузельные атомы, вакансии, дефекты Шоттки, пары Френкеля, антиструктурные и стехиометрические дефекты. Основные механизмы образования точечных дефектов.
Дислокации (краевые, винтовые и представление о смешанных). Свойства дислокаций. Влияние дислокаций на некоторые физические свойства полупроводников. Основные методы наблюдения дислокаций.
Двумерные дефекты: малоугловые границы, границы кручения, двойники, дефекты упаковки.
Макроскопические дефекты: объемные нарушения, поры, включения второй фазы.
Примеси: замещения и внедрения; электрически активные и электрически неактивные. Доноры, акцепторы, амфотерные и изоэлекторонные примеси.
Примеси в элементарных полупроводниках.
Примеси в полупроводниковых соединениях.

4. Фазовые равновесия в полупроводниковых системах. Элементы теории образования фаз.
Диаграммы фазового равновесия.
T-X диаграммы состояния бинарных систем. Диаграммы состояния с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге. Типы диаграмм с неограниченной растворимостью компонентов. Диаграммы состояния c ограниченной растворимостью компонентов: эвтектические, перитектические, диаграммы состояния с химическими соединениями. Химические соединения: конгруэнтно и инконгруэнтно плавящиеся. Неравновесные диаграммы состояния.
Элементы общей теории образования фаз. Образование центров новой фазы: гомогенное и гетерогенное (условия, необходимые для возникновения центров новой фазы в исходном материале; размер критического зародыша; вероятность образования критического зародыша; скорость образования центров новой фазы в зависимости от условий роста).
Рост центров новой фазы. Механизмы роста центров новой фазы: послойный, слоисто-спиральный, нормальный.

5. Получение чистых полупроводниковых материалов.
Кристаллизационные методы очистки. Коэффициент разделения примесей: равновесный и эффективный. Метод определения равновесного коэффициента разделения.
Методы получения чистых полупроводниковых материалов и принципиальные возможности очистки: нормальная направленная кристаллизация, вытягивание кристалла из расплава и зонная плавка. Законы распределения примесей вдоль очищаемого кристалла при нормальной направленной кристаллизации и при зонной плавке. Вертикальная бестигельная зонная плавка -- метод получения материала с высокой степенью чистоты. Контроль чистоты материала и оценка содержания в нем примесей.

6. Выращивание и легирование объемных полупроводниковых кристаллов.
Получение кристаллов из жидкой фазы.
Выращивание кристаллов из расплава. Метод нормальной направленной кристаллизации. Метод вытягивания из расплава (метод Чохральского). Выращивание кристаллов методом зонной плавки.
Выращивание кристаллов из растворов. Метод движущегося растворителя.
Условия выращивания и дефектность монокристаллов. Неравновесные собственные дефекты (причины их появления и методы борьбы с ними). Технологические неоднородности состава, канальная неоднородность и концентрационное переохлаждение.
Выращивание полупроводниковых монокристаллов из газовой фазы: основные этапы и стадии роста. Метод сублимации-конденсации. Метод химических реакций. Метод химического транспорта.
Растворимость примесей: предельная растворимость и предельная растворимость электрически активной примеси. Экспериментальное определение растворимости. Взаимное влияние на предельную растворимость двух электрически активных примесей при их одновременном введении в полупроводник.

7. Диффузия примесей в кристаллах.
Диффузия примесей. Уравнения диффузии. Механизмы диффузии примесей: междоузельный, вакансионный, обменный, диссоциативный. Диффузионная длина. Основные параметры диффузии.
Распределение диффундирующих атомов по глубине кристалла (частные решения 2-ого закона диффузии): диффузия из бесконечно тонкого слоя и диффузия из постоянного источника.
Диффузия различных примесей в Ge и Si.
Определение зарядовых состояний диффундирующих примесных атомов: диффузия лития в германии, диффузия меди в германии (диссоциативный механизм диффузии).
Влияние структурных несовершенств, состава, природы полупроводника и диффузанта на скорость и параметры диффузии: самодиффузия и гетеродиффузия.
Температурная зависимость растворимости примесей в элементарных полупроводниках. Ретроградная растворимость и эффекты, связанные с ней. Корреляция между значениями предельной растворимости, коэффициента разделения и коэффициента диффузии примеси в одном полупроводнике.

8. Монокристаллические пленки.
Эпитаксия. Гомо- и гетероэпитаксия. Преимущества эпитаксиальной технологии.
Основные закономерности роста эпитаксиальных пленок при их выращивании из газообразных фаз. Термодинамический и молекулярно-кинетический подходы к рассмотрению механизма зародышеобразования. Экспериментальные исследования процессов зародышеобразования, структуры пленок и влияние условий выращивания на эти процессы. Особенности гетероэпитаксии.
Методы эпитаксии.
Жидкостная эпитаксия. Эпитаксия из газообразной фазы. Метод химических реакций. Газотранспортная эпитаксия. Конденсация из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD).
Конденсация из паровой фазы. Метод "горячей стенки". Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Особенности МЛЭ.

9. Методы получения квантово-размерных структур.
Квантово-размерные структуры с двумерным, одномерным (квантовые нити) и нуль-мерным (квантовые точки) электронным газом. Методы получения структур с двумерным, одно- и нуль-мерным электронным газом. Проблемы получения квантово-размерных структур на основе гетеропереходов.
Самоорганизация квантовых точек и нитей. Режимы роста гетероэпитаксиальных структур: Франка-ван дер Мерве, Фольмера-Вебера, Странского-Крастанова. Типы наноструктур, выращиваемых с использованием эффектов самоорганизации. Выращивание наноструктур на микроскопически упорядоченных фасетированных поверхностях. Выращивание трехмерных массивов когерентно напряженных островков в гетероэпитаксиальных рассогласованных системах. Выращивание поверхностных структур плоских упругих доменов. Выращивание наноструктур с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников.

Основная литература

1. И.А. Случинская. Основы материаловедения и технологии полупроводников. М., МИФИ, 2002.

Дополнительная литература

1. В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. Физика полупроводников. Изд. 2-е, М., Наука, 1990.
2. М.П. Шаскольская. Кристаллография. М., Высшая школа, 1976.
3. Ю П., Кардона М. Основы физики полупроводников: Пер. с англ. М.: Физматлит, 2002.
4. С.С. Горелик, М.Я. Дашевский. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М., Металлургия, 1988.
5. Б.И. Болтакс. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. Л., Наука, 1972.
6. Ченг Л., Плонг К. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.
7. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем. СПб.: Наука, 2001.