外延薄膜中的缺陷

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1、多 晶 薄 膜 ： 薄 膜 由 大 量 微 小 晶 体 (晶 粒 )组 成 。单 晶 薄 膜 ： 薄 膜 中 的 全 部 原 子 或 分 子 呈 规 那 么 排 列 。外 延 薄 膜 ： 在 单 晶 基 片 上 ， 生 长 出 的 单 晶 薄 膜 与 基 片 保 持 一定 的 晶 体 学 取 向 关 系 。 (薄 膜 和 衬 底 材 料 之 间 晶格 的 连 续 过 渡 )如 SiC(111)/Si(111)； Ag(001)/NaCl(001)同 质 外 延 生 长 ， 异 质 外 延 生 长标 记 : (HKL)/(hkl);UVW/uvw (001)Ni/(001)Cu;100Ni/10

2、0Cu(111)PbTe/(111)MgAl2O4; 211PbTe/101MgAl2O4第 九 章 外 延 薄 膜 中 的 缺 陷 ( )/s e ef a a a ( )/s e ef na ma ma 公 度 失 配 ：失 配 度a0 a0a 0=0.5654 nm a0=0.2866 nmGaAs(001) Fe(001)f =(0.5654-2*0.2866)/(2*0.2866)= -1.38%都 是 面 内 晶 格 常 数(110)Fe/(110)GaAs:200Fe/100GaAs Those planes and directions which give the best

3、lattice fit often, but certainly not always, determine the film-substrate orientationSi(111)Si(100)b-FeSi2 (101)b-FeSi2/(lll)Si:010 b-FeSi2/-110Si(100)b-FeSi2/(100)Si:010b-FeSi2/110Si Tilted-Layer Epitaxy Graphoepitaxy 外 延 薄 膜 示 意 图 ： 三 维 集 成 电 路 外 延 薄 膜 示 意 图 ： 太 阳 能 电 池 材 料 的 晶 格 常 数 、 热 膨 胀 系 数热膨

4、胀系数 晶 格 常 数 Material Studio模 拟 计 算 得 到的 Vergards LawVergard 规 那 么 常 见 半 导 体 材 料 带 隙 与 晶 格 常 数 的 关 系 图虚 线 ： 间 接 带 隙 四 元 合 金Al xGa1-xAs晶 格 常 数 与 带 隙 匹 配 影 响 薄 膜 外 延 的 因 素温 度 解 理 面 的 影 响 其 它 因 素 ： 残 留 气 体 ， 蒸镀 速 率 ， 衬 底 外 表 缺 陷 电 子 束 辐 照 ， 电 场 ，外 表 离 子 化 ， 膜 厚 ， 失 配度 材 料 中 的 各 类 缺 陷点 缺 陷 ： 空 位 ， 间 隙 原

5、子 ， 替 代 杂 质 原 子 ， 间 隙 杂质 原 子线 缺 陷 ： 刃 型 位 错 ， 螺 型 位 错 ， 层 错面 缺 陷 : 孪 晶 界 ， 小 角 晶 界 ， 共 格 晶 界 金 属 ， 半 导 体 ： 不 同 的 结 构 不 同 的 特 性外 表 点 缺 陷 ， 外 表 线 缺 陷 金 属 中 的 点 缺 陷 ： 空 位 间 隙 原 子 ， 替 代 杂 质平 衡 缺 陷 浓 度 ： )/exp()/exp(/)(exp kTEkSkTTSEn 四 面 体 间 隙 位 坐 标 ： 1/4,1/4, 1/4)+各 原 子 坐 标 其 余 四 面 体 间 隙 坐 标 。 面 心 密 堆

6、积 中 的 间 隙面 心 密 堆 积 中 的 间 隙 ： 面 心 立 方 金 属 的 间 隙八 面 体 间 隙 位 坐 标 ： 1/2,1/2, 1/2)+各 原 子 坐 标 其 余 八 面 体 间 隙 坐 标 。 1/2,0, 1/2) + 1/2,1/2, 1/2) 1,1/2, 1) 晶 胞 中 原 子 、 四 面 体 间 隙 、 八面 体 间 隙 数 目 ： 4,8,4 八面体和四面体间隙相互独立、间隙大小 八 面 体 间 隙 位 坐 标 ： 1/2,0, 1/2)+各 原 子 坐 标 其 余 八 面 体 间 隙 坐 标 。体 心 立 方 金 属 的 间 隙 面心 棱 体 心 立 方

7、密 堆 积 的 四 面 体 间 隙 体 心 立 方 密 堆 积 的 间 隙 不 是 正 多 面体 ， 四 面 体 间 隙 包 含 于 八 面 体 间 隙之 中晶 胞 中 原 子 、 四 面 体 间 隙 、 八面 体 间 隙 数 目 ： 2,12,6 半 导 体 中 的 点 缺 陷半 导 体 具 有 敞 形 结 构 ： 金 刚 石 结 构 堆 积 系 数 为FCC,HCP,BCC的 堆 积 系 数 为半 导 体 凝 结 成 固 体 时 体 积 膨 胀 。半 导 体 ： 结 构 复 杂 ， 间 隙 大 ，半 导 体 中 的 点 缺 陷 ： 杂 质 原 子 多 ， 具 有 不 同 的 荷 电状 态

8、， 间 隙 位 置 坐 标 ： 1/2,1/2, 1/2)+各 原 子 坐 标 其 余 间 隙 位 置 坐 标 。 金 刚 石 结 构 中 的 间 隙 金 刚 石 结 构 的 晶 胞 中 原 子 在 底 面 的 投 影 , 数 字 是 垂 直 方 向 上的 坐 标 , 其 单 位 是 晶 格 常 数 的 1/8(b), 四 面 体 间 隙 (方 形 )和 六 角间 隙 (三 角 形 )在 底 面 的 投 影 , 晶 胞 中 有 8个 原 子 ， 8个 四 面 体 间隙 ， 16个 六 面 体 间 隙原 子 半 径 ： ，T间 隙 到 最 近 邻 原 子 中 心 的 距 离 ，到 次 近 邻 的

9、 距 离 0.500;H间 隙 到 最 近 邻 原 子 中 心 距 离 为为 什 么 半 导 体 中 的 填 隙 杂 质 原 子比 金 属 中 的 多 ？ 点 缺 陷 的 畸 变 组 态 (局 部 对 称 性 改 变 )硅 、 锗 中 的 点 缺 陷 有 空 位 、 自 填 隙 原 子 、 填 隙 杂 质 原 子 、空 位 -杂 质 原 子 等 . 硅 中 空 位 四 周 的 悬 键 (a)， 悬 键 形 成 两 个 新 键 (b)和 失 去 一 个 电 子 后(c)引 起 畸 变 ， (d)是 哑 铃 状 空 位 . 局部对称性下降 Si中 四 面 体 间 隙 处 (T位 , 即 1/2,

10、1/2, 1/2)的 自 填 隙 原 子 (a)和 (b)、 (c)哑 铃 状 自 填 隙 原 子 离 子 晶 体 的 点 缺 陷 和 元 素 晶 体 有 所 不 同 . 许 多 离 子 晶 体 的 正离 子 和 负 离 子 各 占 一 半 , 如 NaCl等 . 但 是 , 空 位 可 以 是 负 离子 空 位 为 主 , 此 时 离 子 晶 体 为 了 保 证 电 中 性 , 可 以 俘 获 电 子 , 如 NaCl晶 体 的 Cl离 子 空 位 上 俘 获 电 子 形 成 著 名 的 “ 色 心 . 许 多 金 属 氧 化 物 的 组 分 显 著 偏 离 化 学 比 , 由 此 引 起

11、的 点 缺 陷浓 度 很 大 . 如 TiO 中 的 x可 以 由 变 到 1.33. TiO体 内 正 、 负 离 子 空 位 浓 度 约 0.0015. TiO体 内 氧 离 子 空 位 浓 度 达 0.02, 正 离 子 空 位 浓 度 达TiO体 内 正 离 子 空 位 浓 度 达 、 氧 离 子 空 位 浓 度 达 0.34. 离 子 晶 体 中 的 点 缺 陷 形 变 与 滑 移 材 料 中 的 线 缺 陷刃 型 位 错 螺 型 位 错滑 移 方 向 的 不 同 刃 型 位 错 螺 型 位 错两 种 根 本 位 错 示 意 图 (简 单 立 方 结 构 ) 伯 格 斯 回 路 和

12、伯 格 斯 矢 量刃 型 位 错 ： 伯 格 斯 矢 量 和 位 错 线 方 向 垂 直 ；螺 型 位 错 ： 伯 格 斯 矢 量 和 位 错 线 方 向 平 行 ；混 合 位 错 ： 伯 格 斯 矢 量 和 位 错 线 方 向 成 一 角 度 ； 位 错 线 是 一 条 曲 线 。 位 错 线 能 量 b2, 所 以 有 的 情 况 下 位 错 分 解 以 降 低 能 量全 位 错 、 局 部 位 错 (不 全 位 错 ): 1 b 等 于 单 位 点 阵 矢 量 的 称 为 “ 单 位 位 错 。 2 b等 于 单 位 点 阵 矢 量 的 整 数 倍 的 为 “ 全 位 错 3 b 不 等

13、 于 单 位 点 阵 矢 量 或 其 整 数 倍 的 为 “ 不 全 位 错 或 称“ 局 部 位 错 伯 格 斯 矢 量 守 恒 21 bbb 与 点 缺 陷 不 同 ， 位 错 并 不 是 热 力 学 上 的 要 求 ， 因 为 位 错 具 有特 定 的 晶 体 学 方 向 ， 所 以 对 熵 增 的 奉 献 很 小 。 密 排 原 子 示 意 图 ZnO中 的 伯 格 斯 回 路 及 局 部 位 错 Schokley不 全 位 错位 错 的 滑 移 和 相 互 作 用 Thompson四 面 体两 个 英 文 大 写 字 母 组 成 的 矢 量 , 如 AB等 , 表 示 全 位 错 的

14、 柏 格 斯 矢 量 , 即 110 /2. 希 文 字 母 和 英 文 字 母 组 成 的 一 组 处 于 滑 移 面 内 的 矢 量 , 如 A , B等 , 表 示 Shockley局 部 位 错 的 柏 格 斯 矢 量 , 即 112 /6. 希文 字 母 和 英 文 字 母 组 成 的 另 一 组 和 滑 移 面 垂 直 的 矢 量 , 如 A , B 等 , 表 示 Frank局 部 位 错 的 柏 格 斯 矢 量 , 即 111 /3. 与 螺 型 位 错 垂 直 的 生 长 外 表 的 形 貌 从 01方 向 观 察 的 内 禀 层 错 (a)和 外 禀 层 错 (b)的结 构

15、 示 意 图层 错 金 刚 石 结 构 中 位 错 的 两 种 滑 移 类 型金 刚 石 结 构 中 的 位 错 和 层 错 金 刚 石 结 构 中 的 内 禀 层 错 (a)外 禀 层 错 (b) 闪 锌 矿 结 构 中 的 位 错 和 层 错带 有 不 同 原 子 悬 键 的 两 种 60位 错 六 角 纤 锌 矿 结 构 的 俯 视 图 (a)和 侧 视 图 (b)Zn纤 锌 矿 结 构 的 位 错 和 层 错 垂 直 位 错 列孪 晶 界 和 其 他 面 缺 陷面 心 立 方 金 属 (111)原 子 面 的 堆 垛 次序 是 ABCABC, 以 (111)为 界 面 的 孪 晶中 的

16、 堆 垛 次 序 是 ABCABCBACBA, 这 是 以 中 心 的 C面 为 对 称 面 的 两 个 面心 立 方 晶 体 的 结 合 , 形 成 所 谓 的 孪 晶(孪 生 的 晶 体 ). 共 格 相 界 面 两 侧 的 晶 体 具 有 完 全 确 定 的 位 向 关 系 , 一 侧 的原 子 面 和 另 一 侧 的 原 子 面 可 以 取 向 不 同 或 有 扭 折 , 但 可 以逐 一 对 应 和 过 渡 , 具 体 的 例 子 有 Co的 面 心 立 方 结 构 和 六 角密 堆 结 构 之 间 的 界 面 、 GaAs和 InGaAs之 间 的 界 面 等 . Al中固 溶 少

17、 量 Cu原 子 后 形 成 的 富 Cu的 一 、 二 原 子 层 厚 的 GP区和 基 体 之 间 也 可 以 认 为 形 成 了 共 格 相 界 面 . 局 部 共 格 界 面 的 典 型 例 子 是 GaAs(001)上 生 长 的 较 厚 的InGaAs层 , 界 面 两 侧 晶 粒 取 向 虽 有 确 定 的 取 向 关 系 , 但 界面 两 侧 的 原 子 面 已 无 逐 一 对 应 和 过 渡 的 关 系 . 此 时 界 面 上出 现 一 系 列 刃 型 失 配 位 错 , 那 些 多 余 的 半 原 子 面 一 直 插 到界 面 处 . 思 考 题 :归 纳 薄 膜 中 的

18、晶 体 缺 陷 类 型画 图 说 明 全 位 错 , 局 部 位 错 的 区 别 和 联 系3. 画 图 说 明 外 禀 层 错 的 获 得 外 延 薄 膜 中 的 失 配 位 错异 质 半 导 体 膜 外 延 时 由 于 二 种 材 料 晶 格 常 数 不 同 引 起 的 应变 称 为 失 配 应 变 . 温 度 变 化 后 由 二 种 材 料 热 膨 胀 系 数 不 同 引 起 的 应 变 称 为热 应 变 . 温 度 变 化 几 百 度 引 起 它 们 晶 格 常 数 的 变 化 约 10 3. 一 般 情 况 下两 种 材 料 外 延 生 长 中 产 生 应 变 的 主 要 因 素 是

19、 晶 格 常 数 的 不 同 , 但 冷 却 后 热 膨 胀 系 数 引 起 的 应 变 的 影 响 也 不 能 忽 略 fit strain relax外 延 薄 膜 中 的 应 变 与 失 配 位 错pseudomorphic, 晶 体 结 构 一 样 0 膜 内 张 应 力f 无 位 错 薄 膜 单 位 面 积 内 的 应 变 能 2 12 1e vE hf v e 切 变 模 量 ； v 泊 松 比h 薄 膜 厚 度 ； f 失 配 度位 错 产 生 后 ， 应 变 由 f 变 为 = f-b/S位 错 产 生 后 的 总 能 量 为 弹 性 能 和 位 错 能 之和 2 12 1e

20、vE h v b考 虑 产 生 位 错 在 能 量 上 是 否 有 利 产 生 位 错 的 临 界 厚 度 产 生 失 配 位 错 的 驱 动 力 来 自 薄 膜应 变 能 的 降 低 . 单 位 面 积 内 刃 型 位 错 能 2 ln( / ) 12 (1 )e sd e s bE r bv e、 s薄 膜 和 衬 底 的 切 变 模 量 ； v 泊 松 比r 位 错 应 变 场 的 有 效 范 围 ； b 伯 格 斯 矢 量单 位 长 度位 错 能 ： s单 位 面 积 内 位 错 总 长 度 ： 2/S 2 ln( / )2 (1 )e sd e s bE r bv b 72.2701

21、.0:b )/ln( 4 )/ln()1(4 02 02 rRb rRb 螺 位 错 ：刃 位 错 ： 或 ： 附 ： 位 错 能 的 其 它 表 达 式 2 ln( / ) 1/(1 )e sd e s bE r b Sv 单 位 面 积 内 位 错 能 ：对 于 薄 膜 ， r h, r h = f-b/S ( )ln( / ) 1(1 ) e sd e s b fE h bv 应 变 薄 膜 的 临 界 厚 度S = b/(f-) 2 12 1e vE h v ( )ln( / ) 1(1 )e sd e s b fE h bv 产 生 位 错 后 的 总 能 量 E=Ed+E ln(

22、/ ) 14 (1 ) sc e s b h bh v E对 求 极 小 值 临 界 厚 度 ： ln( / ) 14 (1 )sc ce s bh h bf v 薄 膜 应 变 随 膜厚 的 变 化膜 厚 增 大 时 ， r as, aeas(b) aeas,aeas (c) aeas(d) aeas,aeas应 变 对 晶 格 常 数 的 影 响 失 配 位 错 的 成 核 机 制 主 要 有 两 种 : 1.来 自 衬 底 的 穿 过 位 错 的 增 殖 , 2.薄 膜 外 表 位 错 环 的 均 匀 成 核 . F =2 e(1+ )/(1- )h bsin cos 应 变 场 对 位

23、 错的 作 用 力Fd= eb2(1- cos2 )/4 (1- )ln( h/b) 位 错 自 身 的 张力 失 配 位 错 的 成 核 和 增 殖穿 过 位 错 引 起 失 配 位 错 的 过 程 (穿 过 位 错 的 增 殖 ) 而 穿 过 位 错 自 身 的 线 张 力 随 膜 厚 对 数 地 缓 慢 增 大 , 它 的 表达 式 是 : Fd=eb2(1-cos2b)/4(1-)ln(h/b)这 里 的 是 位 错 线 芯 部 尺 寸 参 数 , 对 金 属 它 可 以 取 为 1, 即位 错 线 芯 部 尺 寸 为 b, 对 半 导 体 它 可 以 取 为 4, 即 位 错 线 芯

24、部 尺 寸 为 b/4. 穿 过 位 错 引 起 失 配 位 错 的 过 程 (穿 过 位 错 的 增 殖 ) 用 薄 膜 应 变 场 对 穿 过 位 错 的 作 用 应 力 (=2F /hb)和 位 错 自身 的 线 张 应 力 d (=2Fd/b)相 等 为 判 据 ( e=0), 也 可 以 得 到 薄 膜 临 界 厚 度 的 表 达 式 . 但 是 , 要 求 上 述 两 个 应 力 相等 的 判 据 实 际 上 是 过 低 了 , 因 为 此 时 位 错 受 到 的 净 作 用 力 为 零 , 即 使 依 靠 热 激 活 , 位 错 运 动 速 度 也 太 小 , 因 此 更 合 理

25、 的 判 据 是 ：对 穿 过 位 错 的 作 用 应 力 应 超 过 位 错 线 张 力 , 即 : - d e用 这 样 的 判 据 得 到 的 临 界 厚 度 随 失 配 度 的 理 论 曲 线 比 -d=0得 到 的 曲 线 提 高 了 几 倍 , 并 且 和 Si(100)基 底 上 500-550 C生 长 的 假 设 干 外 延 SiGe薄 膜 的 实 验 临 界 厚 度 曲 线 也 符 合 得 很 好 外 表 成 核 的 半 位 错 环 (a)扩 展 后 引 起 失 配 位 错 (b) 穿 过 位 错 可 滑 移 线 段 AB的 增 殖 过 程 穿 过 位 错 上 Frank-

26、Reed源 的 增 殖 过 程 一 定 失 配 度 条 件 下 薄 膜 中 的 应 变 和 位 错 的 演 化 过 程 :薄 膜 厚 度 小 于 临 界 值 时 , 薄 膜 和 衬 底 完 全 共 格 , 薄 膜 中 没 有 失 配位 错 , 薄 膜 是 应 变 膜 . 薄 膜 厚 度 大 于 临 界 值 时 , 开 始 形 成 失 配 位 错 , 薄 膜 应 变 开 始 松弛 , 但 由 于 位 错 滑 移 运 动 摩 擦 力 的 存 在 , 应 变 的 松 弛 比 较 缓慢 . 薄 膜 厚 度 继 续 增 大 , 位 错 增 殖 机 制 起 动 , 产 生 大 量 失 配 位 错 , 应变

27、 的 松 弛 显 著 加 快 . 在 失 配 位 错 增 加 的 同 时 穿 过 位 错 也 显 著 增 加 . 要 使 薄 膜 中 失 配位 错 和 穿 过 位 错 减 少 , 需 要 减 小 失 配 度 和 薄 膜 厚 度 , 或 采 取适 当 的 措 施 如 使 用 梯 度 过 渡 层 等 . 岛 状 薄 膜 中 的 应 变 和 失 配 位 错 失 配 度 大 时 薄 膜 的 生 长 模 式 将 从 大 面 积 地 一 层 一 层 生 长 改 变为 岛 状 生 长 或 单 层 加 岛 状 生 长 , 随 着 岛 的 不 断 增 大 , 其 中 的 应变 和 失 配 位 错 也 有 一 个

28、 演 化 过 程 . 为 简 单 起 见 , 设 想 一 个 方 形 的 岛 , 它 在 x,y(平 行 界 面 ), z(垂 直界 面 )上 的 尺 寸 分 别 为 X, Y, Z. 如 果 岛 只 在 x方 向 上 和 衬 底 存 在失 配 度 f, 岛 中 的 应 变 能 E可 以 表 示 为 E =eVf2/(1-) 即 应 变 能 随 V(V=XYZ)而 线 性 地 增 大 . 衬 底 上 薄 膜 的 长 方 形 岛 长 方 形 岛 生 长 过 程 中 应 变 的 变 化 每 产 生 一 根 位 错 ， 岛 的 应 变 降 低 b/X1岛 状 薄 膜 中 的 应 变 和 失 配 位

29、错 E=eVf2/(1-) 衬 底 上 大 面 积 逐 层 生 长 时 位 错 也 是 一 根 一 根 产 生 的 , 位 错 产 生时 也 会 引 起 应 变 的 突 然 松 弛 , 也 会 得 到 类 似 的 锯 齿 状 曲 线 . P57 给 出 的 是 大 面 积 逐 层 生 长 薄 膜 时 、 应 变 能 和 位 错 能 之 和 为 极 小条 件 下 的 应 变 -厚 度 曲 线 , 由 于 它 没 有 考 虑 位 错 的 产 生 需 要 克 服势 垒 , 不 考 虑 单 根 位 错 的 突 然 产 生 , 因 此 得 到 了 单 调 下 降 的 连 续曲 线 . 每 产 生 一 根

30、 位 错 ， 岛 的 应 变 降 低 b/X 1 正 方 形 岛 生 长 过 程 中 失 配 位 错 的 产 生 岛 边 缘 产 生 失 配 位 错 的 原 子 过 程 外 延 薄 膜 中 其 他 缺 陷 的 产 生 CdTe(111)堆 垛 次 序 不 同 引 起 的 孪 晶 薄 片 化 合 物 半 导 体 膜 中 反 相 畴 界 的 形 成 , (a)在 Ge(001)面 上 生 长 , (b)在 Ge(110)面 上 生 长 . 在 化 合 物 半 导 体 薄 膜 中 可 以 产 生 反 相 畴 界 . 化 合 物 中 一 般 有两 种 原 子 , 图 (a)的 上 方 是 GaAs110方 向 的 投 影 图 , 黑 白 圆 圈表 示 两 种 原 子 , 大 小 圆 圈 表 示 前 后 两 个 (110)面 上 的 原 子 . 外 延 薄 膜 生 长 中 产 生 的 各 种 缺 陷 (1,3:刃 型 和 螺 型 穿 过 位错 , 2:界 面 上 的 失 配 位 错 , 4:外 表 上 的 生 长 卷 线 , 5,6:堆 垛层 错 , 7:卵 形 缺 陷 , 8:小 丘 , 9:沉 淀 颗 粒 ) 思 考 ：从 缺 陷 形 成 过 程 , 详 细 表 达 在 高 质 量 外 延 膜 生 长中 应 注 意 的 问 题