Основные типы структур

Структура кристалла – это конкретное расположение частиц в пространстве. Описывая структуру, надо указать вид и размер частиц, расстояние между ними, вид и параметр элементарной ячейки, базис. Симметрия задается указанием пространственной группы. Часто структуру характеризуют структурным типом.

Структурный тип объединяет вещества, сходные по своему строению. У кристаллов, принадлежащих одному структурному типу, структуры одинаковы с точностью до подобия. Структурный тип обозначается буквенным символом (первая буква названия кристаллической системы) и цифрой, характеризующей степень сложности структуры. Структурный тип именуется по названию наиболее распространенного вещества, входящего в данную совокупность.

Сведения о материалах, наиболее часто используемых в микроэлектронике, разместим в табл. 5.

Вне таблицы рассмотрим структуру типа алмаза и структуру типа цинковой обманки.

Рис. 34. Тетраэдрическое представление ГЦК

Выделим в ГЦК структуре четыре тетраэдра (рис. 34) и в центры их поместим атомы, т. е. заполним тетраэдрические пустоты. Если это атомы того же сорта, что и у исходной структуры, получим решетку типа алмаза, К4, Fd3m. Если же в центре тетраэдров размещены атомы другого вещества, получим решетку типа цинковой обманки ZnS, сфалерит, F 3m. Структура сфалерит может быть представлена как две гранецентрированные решетки – серы и цинка, смещенные друг относительно друга вдоль объемной диагонали на ¼. Атомы цинка и серы находятся во взаимозаменяемых положениях. Структура сфалерита не имеет центра симметрии. Набор элементов симметрии таков:

– три инверсионных оси четвертого порядка, направленных вдоль координатных осей á100ñ;

– четыре оси симметрии третьего порядка á111ñ,

– 6 плоскостей симметрии, параллельных этим осям {110}.

Структура сфалерит полярна. Двойные слои, параллельные {111}, в сфалерите состоят как бы из двух разных ионов – подслой цинка и подслой серы, поэтому плоскости (111) и , так же как и направления [111] и [ ], различны по своим физическим свойствам.

Структуры алмаза и сфалерита имеют одну и ту же решетку Бравэ – ГЦК-структуру, но алмаз относится к кубической сингонии m3m, а сфалерит – 3m. Соответственно у алмаза бόльшее богатство наборов симметрично эквивалентных плоскостей и направлений и меньшая анизотропия физических свойств.

Центр симметрии решетки типа алмаза расположен в середине прямой, соединяющей атомы, являющиеся ближайшими соседями.

К структурному типу алмаза принадлежат всего четыре вещества – С – алмаз, a-Sn (серое олово), Ge, Si.

К структуре типа цинковой обманки относится большинство полупроводниковых материалов типа A^IIIB^V и A^IIB^VI.

Обе эти решетки не относятся к числу плотноупакованных. Максимальный относительный объем, который может быть занят атомами, составляет 0,34, т. е. 46 % от величины, характерной для плотноупакованных структур. Связи в решетке типа алмаза ковалентные, направление связей á111ñ. В координатных направлениях проходят плоскости скользящего отражения типа d (алмазный сдвиг), в диагональных – плоскости типа m. На их пересечениях рождаются винтовые оси 4₁. Пространственная группа решетки типа алмаза – Fd3m. Решетка типа цинковой обманки F 3m характеризуется смешанным типом связи (ковалентной с большой долей ионной). Ковалентные связи, направленные вдоль á111ñ, составляют друг с другом углы 109^о28’. Каждый атом окружен четырьмя атомами, расположенными в вершинах тетраэдра (рис. 35). Если рассмотреть алмазный узел, расположив вертикально связь, то три другие связи располагаются под углом 109^о28’ к вертикали, поэтому плоскости типа {111} получаются как бы двойные. В решетке типа F 3m геометрическая полярность структуры хорошо видна по сравнению с решеткой типа Fd3m (рис. 36).

Рис. 35. Алмазный узел

Один подслой плоскости {111} состоит из атомов, у которых вертикально расположенные связи направлены вверх, второй – из атомов, у которых такие же связи направлены вниз. Подслои двойного слоя соединены между собой тремя связями на атом, а с двумя соседними двойными слоями – одной связью на атом. Такое расположение играет существенную роль в анизотропии механических свойств кристаллов со структурой типа алмаза. В структуре существуют шестисторонние каналы в направлении á110ñ, пронизывающие структуру как бы насквозь. По этим каналам особенно легко идет диффузия примесей в кристалле. Наиболее плотно упакованные плоскости в обеих структурах – это плоскости {111}, а наиболее плотноупакованное направление – направление á110ñ.