2 Versetzungen in kristallinen Halbleitern

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Versetzungen in kristallinen Halbleitern 8 Durch das Auftreten der 60° A(g)- und B(g)-Segmente in binären Halbleitern mit Zinkblendestruktur besitzt die Versetzungsschleife bipolaren Charakter, der sich durch die spezielle Richtung des Burgersvektors der Versetzungsschleifenstruktur beschreiben lässt. Die Erklärung der polaren Kernstruktur auf der Grundlage der Struktur im Zinkblendegitter ergibt sich aus den nachfolgenden Betrachtungen. Ein idealer Zinkblendekristall kann durch eine Stapelung von {111} A- und B- Atomebenen entsprechend der Abfolge ...-Ab-Bc-Ca-Ab-Bc... gebildet werden (Abb. 2.4). Dabei werden die „dichtesten“ Stapelungen Ab, Bc und Ca als {111}-Doppelebenen bezeichnet. Gestrichelt umrandet sind in Abb. 2.4 zwei Teile einer (111)-Doppelebene, die {111}-„Halbebenen“ im Zinkblendegitter veranschaulichen. Durch Einschub einer solchen Halbebene, die entlang [011] in der {111}-Gleitebene endet, ergibt sich eine 60°-Versetzung. Es existieren, wie in Abb. 2.4 dargestellt ist, vier verschiedene Möglichkeiten der Versetzungsbildung (Abb. 2.5, [haa57, hol62]). Diese unterscheiden sich durch ihre verschiedenartigen Kernstrukturen, welche sich aus der Kantenbesetzung der eingeschobenen {111}-Extrahalbebenen ableiten lassen. Die Unterscheidung der Besetzung mit A- oder B-Atom führt auf die Polarität der Versetzungen [ale79]. [111> < 111] ( 111) ( 111) A b B C A B c b c a glide-set shuffle-set Abb. 2.4 Stapelfolge von {111}-Ebenen mit Kennzeichnung der Lage der Gleitebenen im shuffle-set und glideset. Ebenfalls bezeichnet sind die dichtest gepackten waagerechten Atomschichten nach ihrer Lage zueinander. Es ergibt sich eine Stapelfolge ...-Ab-Bc-Ca-Ab-Bc-... usw.. Die Atomlagen C und a ergeben zusammen eine „Doppelebene“. Gestrichelt umrandet sind {111}-Halbebenen. Durch ihr Entfernen bzw. zusätzliches Einfügen als Extrahalbebenen (Gedankenexperiment) erfolgt die Bildung perfekter 60°-Versetzung mit entgegengesetzter A- und B-Typ Kernstruktur. Die Verhältnisse in Abb. 2.4 verdeutlichen, dass in Abhängigkeit von der Festlegung der angenommenen {111}-Gleitebene in der sogenannten „glide-set“ oder „shuffle-set“ Position [geo87] und der Einfügung der {111}-Extrahalbebenen A- als auch B-Typ Kernstrukturen auftreten. Beim Übergang zwischen der glide-set und shuffle-set Position der Gleitebenen wechselt die Kernstruktur ihren Charakter. Eine zusätzliche Modifikation der Kernstruktur ergibt sich bei der Dissoziation der vollständigen 60°- und Schraubenversetzungssegmente. Aufgrund des polaren Charakters der 60°-Versetzungen im Zinkblendegitter sind Unterschiede in ihren elektronischen und dynamischen Eigenschaften zu erwarten [abr72].
Versetzungen in kristallinen Halbleitern 9 Gleitfähige Versetzungen treten zumeist im dissoziierten Zustand der glide-set Konfiguration auf [lei88, luy94]. Die Aufspaltung einer perfekten Gleitversetzung in zwei Partialversetzungen (→ Partialversetzungen, b=a/6) ist durch a / 6 [ 211] + a / 6 [ 121] = a / 2 [ 110] (2.1) beschrieben und führt zur Ausbildung eines Shockleyschen Stapelfehlers zwischen den Partialversetzungen. Hochauflösende TEM-Untersuchungen zeigen die Existenz von perfekten als auch dissoziierten Versetzungen [hor58, azz89, coo89, ger93]. Letztere scheinen bei Gleitversetzungen bevorzugt aufzutreten. Für GaAs wird eine Gleichgewichtsstapelfehlerweite kleiner 10nm beobachtet [ger93]. Eine perfekte 60°-Versetzung spaltet in eine 90°- und eine 30°-Versetzung gleicher Polarität auf, eine Schraubenversetzung dissoziiert in zwei 30°- Versetzungen entgegengesetzter Polarität. Zur Kennzeichnung der polaren Versetzungskernstrukturen in der glide-set Konfiguration werden in dieser Arbeit die Schreibweisen „A(g)“ und „B(g)“ benutzt. Die korrelierenden Bezeichnungen als „ℵ- bzw. ↵-Versetzungen“ finden im weiteren kaum Verwendung. Abb. 2.5 Vollständige 60°-Versetzungen. (a) A-Typ im shuffle-set A(s), (b) B-Typ im shuffle-set B(s), (c) B-Typ im glide-set B(g) und (d) A-Typ im glide-set A(g). Die Extrahalbebenen sind gepunktet umrandet. In (e) ist die Lage von Versetzungslinienvektor s und Burgersvektor b in der waagerechten Gleitebene skizziert. Die Bezeichnungen α- bzw. β-Versetzung beschreiben den Einschub der Extrahalbebenen von „unten“ bzw. „oben“ [geo87]. Ein hexagonaler Versetzungsring in seiner dissoziierten Form ist in Abb. 2.6 dargestellt [coo89]. Der Bereich des Shockleyschen Stapelfehlers ist grau eingefärbt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Tatsache, dass die Schraubenversetzungen ebenso wie die 60°- Versetzungen in polare Partialversetzungsanteile aufspalten. In der Abbildung ist zusätzlich die Konfiguration von → Superkinken auf den einzelnen Versetzungssegmenten dargestellt. Eine Versetzungsbewegung erfolgt im Rahmen des Peierls-Mechanismus [pei40] durch die Nukleation, Bewegung und Annihilation von → Kinken (siehe Kapitel 6). Aufgrund der unterschiedlichen strukturellen Eigenschaften der verschiedenen Versetzungssegmente des Versetzungsringes ist ein asymmetrisches Verhalten hinsichtlich der Versetzungsbewegung zu erwarten. Das skizzierte Modell der Gleitversetzungsstruktur kann für die Analyse der generierten Defektanordnung in den {111}-Gleitsystemen zu Grunde gelegt werden. Bei gegebener Absolutorientierung des Probenkristalls ist aus der Kenntnis der geometrischen
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