演示文稿外延薄膜中的缺陷

演示文稿外延薄膜中的缺陷当前第1页\共有77页\编于星期四\3点（优选）外延薄膜中的缺陷当前第2页\共有77页\编于星期四\3点公度失配：失配度a0a0a0=0.5654nma0=0.2866nmGaAs(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:[200]Fe//[100]GaAs当前第3页\共有77页\编于星期四\3点Thoseplanesanddirectionswhichgivethebestlatticefitoften,butcertainlynotalways,determinethefilm-substrateorientationSi(111)Si(100)b-FeSi2:a=9.86,b=7.79,c=7.88(101)b-FeSi2//(lll)Si:[010]b-FeSi2//[-110]Si(100)b-FeSi2//(100)Si:[010]b-FeSi2//[110]Si当前第4页\共有77页\编于星期四\3点Tilted-LayerEpitaxy当前第5页\共有77页\编于星期四\3点Graphoepitaxy当前第6页\共有77页\编于星期四\3点外延薄膜示意图：三维集成电路当前第7页\共有77页\编于星期四\3点外延薄膜示意图：太阳能电池当前第8页\共有77页\编于星期四\3点材料的晶格常数、热膨胀系数热膨胀系数晶格常数当前第9页\共有77页\编于星期四\3点MaterialStudio模拟计算得到的Vergard’sLawVergard规则当前第10页\共有77页\编于星期四\3点当前第11页\共有77页\编于星期四\3点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AlxGa1-xAs晶格常数与带隙匹配当前第12页\共有77页\编于星期四\3点当前第13页\共有77页\编于星期四\3点影响薄膜外延的因素温度当前第14页\共有77页\编于星期四\3点解理面的影响当前第15页\共有77页\编于星期四\3点其它因素：残留气体，蒸镀速率，衬底表面缺陷（电子束辐照），电场，表面离子化，膜厚，失配度当前第16页\共有77页\编于星期四\3点材料中的各类缺陷点缺陷：空位，间隙原子，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表面点缺陷，表面线缺陷当前第17页\共有77页\编于星期四\3点金属中的点缺陷：空位间隙原子，替代杂质平衡缺陷浓度：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。面心密堆积中的间隙面心密堆积中的间隙：当前第18页\共有77页\编于星期四\3点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当前第19页\共有77页\编于星期四\3点八面体和四面体间隙相互独立、间隙大小当前第20页\共有77页\编于星期四\3点当前第21页\共有77页\编于星期四\3点八面体间隙位坐标：（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当前第22页\共有77页\编于星期四\3点体心立方密堆积的四面体间隙当前第23页\共有77页\编于星期四\3点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当前第24页\共有77页\编于星期四\3点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0.34FCC,HCP,BCC的堆积系数为0.74,0.74,0.68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，当前第25页\共有77页\编于星期四\3点间隙位置坐标：（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当前第26页\共有77页\编于星期四\3点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,当前第27页\共有77页\编于星期四\3点晶胞中有8个原子，8个四面体间隙，16个六面体间隙原子半径：0.2165，T间隙到最近邻原子中心的距离0.433，到次近邻的距离0.500;H间隙到最近邻原子中心距离为0.415为什么半导体中的填隙杂质原子比金属中的多？当前第28页\共有77页\编于星期四\3点点缺陷的畸变组态(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.局部对称性下降当前第29页\共有77页\编于星期四\3点Si中四面体间隙处(T位,即1/2,1/2,1/2)的自填隙原子(a)和<110>(b)、<100>(c)哑铃状自填隙原子当前第30页\共有77页\编于星期四\3点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,由此引起的点缺陷浓度很大.如TiOＸ中的x可以由0.69变到1.33.TiO体内正、负离子空位浓度约0.0015.TiO1.33体内氧离子空位浓度达0.02,正离子空位浓度达0.26TiO0.69体内正离子空位浓度达0.04、氧离子空位浓度达0.34.

离子晶体中的点缺陷当前第31页\共有77页\编于星期四\3点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当前第32页\共有77页\编于星期四\3点刃型位错螺型位错两种基本位错示意图(简单立方结构)当前第33页\共有77页\编于星期四\3点伯格斯回路和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。当前第34页\共有77页\编于星期四\3点位错线能量~b2,所以有的情况下位错分解以降低能量全位错、部分位错(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不等于单位点阵矢量或其整数倍的为“不全位错”或称“部分位错”伯格斯矢量守恒与点缺陷不同，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，所以对熵增的贡献很小。当前第35页\共有77页\编于星期四\3点密排原子示意图当前第36页\共有77页\编于星期四\3点当前第37页\共有77页\编于星期四\3点ZnO中的伯格斯回路及部分位错当前第38页\共有77页\编于星期四\3点Schokley不全位错位错的滑移和相互作用当前第39页\共有77页\编于星期四\3点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部分位错的柏格斯矢量,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部分位错的柏格斯矢量,即111/3.当前第40页\共有77页\编于星期四\3点与螺型位错垂直的生长表面的形貌当前第41页\共有77页\编于星期四\3点从[01]方向观察的内禀层错(a)和外禀层错(b)的结构示意图层错当前第42页\共有77页\编于星期四\3点当前第43页\共有77页\编于星期四\3点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当前第44页\共有77页\编于星期四\3点金刚石结构中的内禀层错(a)外禀层错(b)当前第45页\共有77页\编于星期四\3点当前第46页\共有77页\编于星期四\3点闪锌矿结构中的位错和层错带有不同原子悬键的两种60位错当前第47页\共有77页\编于星期四\3点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当前第48页\共有77页\编于星期四\3点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).当前第49页\共有77页\编于星期四\3点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.部分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.当前第50页\共有77页\编于星期四\3点思考题:归纳薄膜中的晶体缺陷类型画图说明全位错,部分位错的区别和联系3.画图说明外禀层错的获得当前第51页\共有77页\编于星期四\3点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103.一般情况下两种材料外延生长中产生应变的主要因素是晶格常数的不同,但冷却后热膨胀系数引起的应变的影响也不能忽略当前第52页\共有77页\编于星期四\3点fitstrainrelax外延薄膜中的应变与失配位错pseudomorphic,晶体结构一样<0膜内压应力=0无应力>0膜内张应力f当前第53页\共有77页\编于星期四\3点无位错薄膜单位面积内的应变能me

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e=f-b/S位错产生后的总能量为弹性能和位错能之和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.当前第54页\共有77页\编于星期四\3点单位面积内刃型位错能me、ms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当前第55页\共有77页\编于星期四\3点或：附：位错能的其它表达式当前第56页\共有77页\编于星期四\3点单位面积内位错能：对于薄膜，r>h,rhe=f-b/S应变薄膜的临界厚度S=b/(f-e)当前第57页\共有77页\编于星期四\3点产生位错后的总能量E=Ed+EeE对e求极小值当前第58页\共有77页\编于星期四\3点当前第59页\共有77页\编于星期四\3点临界厚度：薄膜应变随膜厚的变化膜厚增大时，r<h,r应该用S/2，而不是h当前第60页\共有77页\编于星期四\3点产生位错需要突破势垒把无位错时薄膜的应变能超过失配位错能作为产生失配位错的临界值eceE1fE2位错数目增加膜厚增加当前第61页\共有77页\编于星期四\3点GexSi1-x/Si应变薄膜临界厚度的实验和理论曲线Ge的晶格常数为0.5657nm,Si的晶格常数为0.5431nm,请给出应变薄膜临界厚度的理论曲线表达式当前第62页\共有77页\编于星期四\3点(a)ae>as,ae>as(b)ae>as,ae<as(c)ae<as,ae>as(d)ae<as,ae<as应变对晶格常数的影响当前第63页\共有77页\编于星期四\3点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.薄膜表面位错环的均匀成核.F=2e[(1+)/(1-)]hbsincos应变场对位错的作用力Fd=e[b2(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)当前第64页\共有77页\编于星期四\3点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=e[b2(1-cos2)/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)当前第65页\共有77页\编于星期四\3点

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,因此更合理的判据是：对穿过位错的作用应力应超过位错线张力,即:-d=0.024e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500-550C生长的若干外延SiGe薄膜的实验临界厚度曲线也符合得很好当前第66页\共有77页\编于星期四\3点表面成核的半位错环(a)扩展后引起失配位错(b)当前第67页\共有77页\编于星期四\3点穿过位错可滑移线段AB的增殖过程当前第68页\共有77页\编于星期四\3点

穿过位错上Frank-Reed源的增殖过程当前第69页\共有77页\编于星期四\3点

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.当前第70页\共有77页\编于星期四\3点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