Кристаллография, 2021, T. 66, № 4, стр. 606-609

ВВЕДЕНИЕ

Винтовые дислокации являются одним из характерных видов протяженных дефектов, возникающих при гетероэпитаксии нитрида галлия. Особенностью винтовых дислокаций в нитевидных нанокристаллах (ННК) является наличие положения устойчивого равновесия линии дислокации вдоль центральной оси кристалла. При этом энергия структуры с дислокацией очевидно выше в сравнении с бездефектной, что, например, приводит к отсутствию краевых дислокаций, которые эффективно покидают объем нанокристалла в силу близости свободной поверхности. Устойчивость винтовых дислокаций в ННК обусловлена тем, что под воздействием возникающих полей напряжений возникает кручение кристалла вдоль его оси, так называемое “кручение Эшелби” (рис. 1), которое делает смещение дислокации из центра кристалла энергетически невыгодным [1].

Величина самого кручения α [рад/м] описывается выражением

где b – модуль вектора Бюргерса дислокации, S – площадь поперечного сечения ННК. При этом форма сечения слабо влияет на величину кручения, например разница в случае гексагонального или круглого сечения составляет ∼1.5% [2]. Отметим, что величина кручения зависит только от геометрических характеристик структуры и не зависит от упругих свойств материала.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В настоящей работе представлены результаты исследования винтовых дислокаций в ННК нитрида галлия, выращенных по технологии пар–жидкость–кристалл с помощью метода осаждения металлоорганических соединений из газообразной фазы (MOCVD) [3]. Ось ННК совпадает с направлением [0001], огранка выполнена плоскостями типа $\left\{ {1\bar {1}00} \right\}$. В этом случае особенностью метода роста являлось формирование специального шероховатого буферного слоя титана, следствием чего явилась высокая частота наличия винтовых дислокаций в данных ННК.

Структурные исследования проводили методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с использование микроскопа Jeol JEM‑2100F (ускоряющее напряжение 200 кВ, разрешение по точкам 0.19 нм).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Винтовая дислокация в ННК проявляется не только на изображениях, полученных в режиме дифракционного контраста, но и в виде кручения кристалла, приводящего к соответствующим закономерным изменениям картин электронной дифракции [4], включая равномерное движение линий Кикучи в поперечном направлении при движении вдоль оси ННК. Также наблюдается последовательное чередование участков, ориентированных осями зон типа $\left\langle {1\bar {1}00} \right\rangle $ и $\left\langle {2\bar {1}\bar {1}0} \right\rangle $ вдоль электронного пучка (рис. 2).

Согласно формуле (1) произведение αS должно соответствовать модулю вектора Бюргерса b винтовой дислокации. Кручение α может быть определено по расстоянию между соседними участками ННК, ориентированными некоторыми осями зон структуры нитрида галлия, определяемыми по картинам электронной дифракции. Например, угол между ближайшими друг к другу направлениями типа $\left\langle {1\bar {1}00} \right\rangle $ и $\left\langle {2\bar {1}\bar {1}0} \right\rangle $ составляет 30° = π/6 рад; если расстояние между участками ННК, ориентированными данными направлениями параллельно электронному пучку, составляет L, то кручение будет равно α = π/(6L). Площадь сечения может быть определена по наблюдаемой на электронно-микроскопическом снимке ширине ННК d по формуле $S = \frac{{3\sqrt 3 }}{8}{{d}^{2}}$ для случая наблюдения оси зоны типа $\left\langle {1\bar {1}00} \right\rangle $ или $S = \frac{{\sqrt 3 }}{2}{{d}^{2}}$ для случая оси зоны $\left\langle {2\bar {1}\bar {1}0} \right\rangle $ с учетом того, что данные ННК огранены плоскостями типа $\left\{ {1\bar {1}00} \right\}$ (рис. 3).

Измерения, основанные на наблюдаемом кручении Эшелби, показали, что модуль вектора Бюргерса винтовых дислокаций в исследованных ННК принимает значения в диапазоне 1–5 нм, т.е. существенно превышает параметр c элементарной ячейки кристаллической решетки нитрида галлия, составляющий 0.52 нм.

Примечательно, что некоторые из исследованных ННК демонстрируют особый вид структуры с периодической последовательностью дефектов упаковки в базовой плоскости (0001). Обнаружены структуры с периодом следования дефектов упаковки 5, 7 8, 9, 11, 12, 13, 15 монослоев GaN(0001). На рис. 4 представлены примеры изображений и картин электронной дифракции таких ННК.

Подтверждением того, что такая структура возникает вследствие особого значения вектора Бюргерса винтовой дислокации, является соотношение наблюдаемого периода следования дефектов упаковки L_SF и длины вектора Бюргерса, измеренного по кручению Эшелби, как представлено на рис. 5. Также в левой части рисунка приведены данные для ННК, в которых дефекты упаковки отсутствуют.

Таким образом, наблюдается сильное соответствие между периодом следования дефектов упаковки и длинами векторов Бюргерса винтовых дислокаций, что дополнительно подтверждает достоверность полученных аномально высоких значений последних. Как видно из рис. 5, статистический разброс измерений вектора Бюргерса достаточно велик и не позволяет определить его с точностью до монослоя. Тем не менее можно предположить, что основным механизмом возникновения периодических дефектов упаковки является образование частичных винтовых дислокаций с полуцелым вектором Бюргерса, равным (n + 1/2)c. В этом случае в ходе роста ННК винтовое движение соответствующей ступени, содержащей нечетное количество монослоев GaN, приводит к образованию дефекта упаковки типа I₁ с вектором смещения, равным $1{\text{/}}6[2\bar {2}03]$ [5, 6], через каждые 2n + 1 монослоя, как показано на рис. 6. Вектор Бюргерса, равный nc, т.е. случай ступени роста, содержащей четное количество монослоев, не должен непосредственно приводить к образованию таких особенностей, что преимущественно и наблюдается. Однако обнаруженное редкое образование последовательностей дефектов упаковки с периодом, равным четному количеству монослоев, может быть связано с образованием дефектов упаковки типа I₂, характеризующихся вектором смещения $1{\text{/3}}[1\bar {1}00]$, лежащим в плоскости роста. Такие дефекты могут возникать как следствие сдвиговых напряжений, ассоциированных с кручением Эшелби, при послеростовом охлаждении ННК [7] или в результате исходного наличия краевой компоненты, приводящей к появлению относительного латерального смещения, которое затем неизбежно периодически воспроизводится в ходе роста.

Образование наблюдаемых “супердислокаций” возможно в результате агрегации нескольких простых винтовых дислокаций, образовавшихся в пределах зародыша ННК на начальных этапах роста, на оси ННК, так как из-за кручения Эшелби возникает область, в пределах которой на винтовую дислокацию действует сила, направленная в сторону центра ННК. Радиус этой области равен 0.54 радиуса ННК, т.е. в рассматриваемом случае составляет величину ~50 нм. При этом наличие множества винтовых дислокаций в данной области возможно при их плотности на начальных этапах роста ∼10¹¹–10¹² см^–2, что, в свою очередь, может не иметь места. С другой стороны, образование дислокаций такого типа может быть обусловлено сравнительно высокой шероховатостью поверхности буферного слоя, на котором осуществляется рост ННК, что, вероятно, может приводить к непосредственному образованию многослойных зерен винтовой формы вблизи локальных резких перепадов высот величиной 1–5 нм в результате того, что ростовая поверхность не может из-за этого сохранить свою непрерывность.

Таким образом, механизм роста ННК определяется винтовыми дислокациями подобно аналогичным примерам [8, 9] с тем отличием, что значения модулей вектора Бюргерса сравнительно велики. При этом значительный интерес представляет отсутствие полых трубок вдоль линии дислокаций, радиус которых теоретически должен достигать в данном случае единиц и даже десятков нанометров [10, 11].

Широкий диапазон возможных значений b винтовых дислокаций определяет разброс высот соответствующих ступеней на ростовой грани, что, вероятно, приводит к значительному различию скоростей роста и объясняет значительный разброс длин, а также высокие скорости роста ННК. Причем обнаруженные аномальные значения вектора Бюргерса винтовых дислокаций позволяют предположить возможность существования аналогичных дислокаций с b $ \gg $ c в тонких пленках или объемных кристаллах GaN, а равно и в других III-нитридных структурах, особенно в случае роста, основанного на образовании трехмерных островков на начальных этапах. При этом наличие винтовых дислокаций с вектором Бюргерса, многократно превосходящим вектор [0001], может быть ответственно за частые расхождения в значениях плотности дислокаций, полученных с помощью прямого подсчета по изображениям ПЭМ и путем анализа распределения полей деформации на основе данных рентгеновской дифрактометрии [12, 13].

Отметим, что картины электронной дифракции от ННК с периодической последовательностью дефектов упаковки аналогичны картинам от предположительных политипов 3(2n + 1)R-GaN или 2nH-GaN в случаях нечетного и четного периодов соответственно. Образование дислокаций с большими значениями вектора Бюргерса может объяснять наблюдение зерен различных политипов как в III-нитридных структурах [14], так и в других материалах.

Представляет интерес и возможность управления свойствами материала за счет получения структур с заданной периодичностью дефектов упаковки, как было предложено, например, в отношении ННК на основе ван-дер-ваальсовых кристаллов [15, 16].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано существование в нитевидных нанокристаллах нитрида галлия винтовых дислокаций с длиной вектора Бюргерса до 5 нм. При этом обнаружены структуры с периодической последовательностью дефектов упаковки, которые в соответствии с системой обозначений Рамсделла [17] можно охарактеризовать как политипы нитрида галлия 15R, 21R, 27R, 33R, 39R, 45R, а также 8H и 12H.

Авторы выражают благодарность М.М. Рожавской, В.В. Лундину и В.М. Устинову за предоставленные для исследования образцы ННК.

Исследования методом ПЭМ выполнены с использованием оборудования федерального ЦКП “Материаловедение и диагностика в передовых технологиях” при поддержке Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEFI62119X0021).