УДК 620.17: 621.315.592
ЛИТВИНОВ Ю.М., ЛИТВИНОВ М.Ю.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
СОЕДИНЕНИЙ AIIIBV: ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ
МЕТАЛЛИЗАЦИИ И ИОННОСТИ В СИЛАХ СВЯЗИ
ОАО ЭЛМА, Россия, 103460, г. Москва, Зеленоград, тел.: (095) 5328438, fax: (095) 5310976, e-
mail: hohlov@elma.zgrad.ru
На основе представлений об изоэлектронных (изоанионных и изокатионных)
аналогах [1] предложена простая, не требующая сложных квантово-механических
расчетов [2, 3], схема предсказания механических свойств (твердости H,
трещиностойкости KIc, хрупкости ) полупроводниковых материалов типа AIIIBV.
Схема основана на закономерном изменении механических свойств со степенью
ионности по Полингу fi, и степени металлизации в силах связи. Последняя
выражается через среднее значение главных квантовых чисел валентных оболочек
атомов А и В по Пирсону [n = (nA + nB)/2]. Хрупкость, , определяли через твердость
и трещиностойкость - = H/K
H E
H
Ic, либо через соотношение [4] =
=
.
K 2
2
Ic
В этой интерпретации хрупкость представляет собой отношение энергии
деформации на единицу объема к поверхностной энергии разрушения на единицу
площади, .
На основе ранее известных данных по твердости и трещиностойкости [1], а
также полученных с помощью метода непрерывного вдавливания индентора [5],
были построены зависимости твердости, трещиностойкости и хрупкости от степени
ионности в силах связи fi в соответствующих изоанионных и изокатионных рядах.
Так, в изоанионных рядах, например, AlP, GaP, InP или AlSb, GaSb, InSb твердость
линейно уменьшается с увеличением fi, что обусловлено уменьшением степени
металлизации, n, при замене более легкого аниона более тяжелым (Рис. 1). В
изокатионных рядах, например, InSb, InAs, InP или GaSb, GaAs, GaP, наоборот,
твердость увеличивается с увеличением fi, что обусловлено увеличением степени
металлизации, n, при замене более тяжелого аниона на более легкий.

Аналогичным
образом
линейно
изменяется
в
соответствующих
изоэлектронных рядах и трещиностойкость, а также производный от
трещиностойкости и твердости параметр - хрупкость .
Обнаруженные закономерности позволили предсказать значения твердости и
трещиностойкости для AlP (соответственно 9,4 ГПа и 0,60 МПам1/2), а из величины
хрупкости определить модуль Юнга (EAlP = 88 ГПа). Также предсказаны значения
трещиностойкости и хрупкости для AlAs (KIc = 0,60 МПам1/2 и = 16 мкм-1/2), для
AlSb (KIc = 0,40 МПам1/2 и = 6,8 мкм-1/2), GaSb (KIc = 0,38 МПам1/2 и = 6,4 мкм-
1/2), и для InSb (KIc = 0,32 МПам1/2 и = 5,0 мкм-1/2).
10
(3) AlP [9,4]
(3,5) GaP
(4) GaAs
, ГПа
(3,5) AlAs
, Н 5
(4) InP
(4) AlSb
Твердость
(4,5) InAs
(4,5) GaSb
(5) InSb
0
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
Степень ионности, fi
Рис.1.
Изменение твердости в изоанионных (пунктирные линии) и изокатионных (сплошные линии)
рядах с изменением степени ионности и металлизации (в скобках) в силах связи.
Найдено, что и обрабатываемость полупроводниковых материалов - скорость
абразивного износа при шлифовании (V
-3/4
изн. ≈KIc
H-1/2) и скорость съема при
химико-механическом полировании (ХМП) (Vсъема ≈(Es + Ew)/EsEw), где Es и Ew -
соответственно модуль Юнга суспензии и обрабатываемого материала, также
закономерно изменяются с fi и n. Так, например, Vизн. линейно увеличивается с
увеличением fi в изоанионных рядах (AlP, GaP, InP),(AlAs, GaAs, InAs) и (AlSb,
GaSb, InSb). Таким увеличением Vизн. обязано не только увеличению fi, но и
увеличению n в каждом из рядов. И наоборот, в изокатионных рядах (AlSb, AlAs,

AlP), (GaSb, GaAs, GaP) и (InSb, InAs, InP) Vизн. уменьшается с увеличением fi и
одновременном уменьшении n при замене более тяжелого аниона более легким.
Подобные изменения с изменением fi и n в изокатионных и изоанионных рядах
наблюдали и для Vсъема при ХМП.
Полагая, что независимо от механизма съема (хрупкое разрушение или
упруго-пластическая деформация), Vизн. и Vсъема пропорциональны глубине
нарушенного слоя, hповр., должна наблюдаться корреляция между рассчитанными
Vизн. и Vсъема и экспериментально наблюдаемыми hповр.. Это действительно имеет
место как для ХМП полупроводников наночастицами SiO2, так и для шлифования
их водной суспензией -Al2O3 с размером зерна абразива 9-12 мкм.
Представленные результаты демонстрируют простоту и действенность
предложенного подхода. Данная схема может быть реализована не только для
полупроводниковых материалов типа AIIIBV с решеткой сфалерита, но и вюрцита, а
также для полупроводниковых материалов типа AIIBVI с решеткой сфалерита и
вюрцита.
1.
Литвинов Ю.М. Трещиностойкость полупроводниковых соединений AIIIBV:
влияние ионности и металлизации связей. Тезисы VI Всесоюзной
конференции Физика разрушения Ч.1, с.26-27, Киев, 26-28 сентября 1989 г.
2.
Clerc D.G., Ledbetter H.M. Mechanical Hardness: A Semiempirilical Theory Based
on Screened Electrostatic and Elastic Shear. J. Phys. Chem. Solids., vol. 59, p. 1071,
1998.
3.
Щуров А.Ф., Перевощиков В.А., Круглов А.В. Связь показателя пластичности
с псевдопотенциалом ковалентных тетраэдрических кристаллов.
4.
Письма в ЖТФ., том 24, 10, с. 60, 1998.
5.
Quinn J.B., Quinn G.D. Indentation Brittleness of Ceramics: A Fresh Approach. J.
Mater. Sci., vol. 32, p. 4331, 1997.
6.
V.P. Alekhin, S.I. Bulychov, M.Y. Litvinov, Y.M. Litvinov. Semiconductor
Materials Mechanical Properties Determination by Using Depth Sensing Indentation
Method. Proc. of the Third Internat. Conf. Single Crystal Growth Strength
Problems and Heat Mass Transfer ICSC-99, Obninsk, 1999, pp.120-122.