外延薄膜中的缺陷.ppt

單晶薄膜：薄膜中的全部原子或分子呈規(guī)則排列。多晶薄膜：薄膜由大量微小晶體(晶粒)組成。外延薄膜：在單晶基片上，生長出的單晶薄膜與基片保持一定的晶體學(xué)取向關(guān)系。如SiC(111)/Si(111)；Ag(001)/NaCl(001)同質(zhì)外延生長，異質(zhì)外延生長標(biāo)記:(HKL)/(hkl);UVW/uvw(001)Ni/(001)Cu;100Ni/100Cu(111)PbTe/(111)MgAl2O4;211PbTe/101MgAl2O4,第九章外延薄膜中的缺陷,公度失配：,失配度,a0,a0,a0=0.5654nm,a0=0.2866nm,GaAs(001),Fe(001),f=(0.5654-2*0.2866)/(2*0.2866)=-1.38%,都是面內(nèi)晶格常數(shù),Thoseplanesanddirectionswhichgivethebestlatticefitoften,butcertainlynotalways,determinethefilm-substrateorientation,Si(111),Si(100),Tilted-LayerEpitaxy,Graphoepitaxy,外延薄膜示意圖：三維集成電路,外延薄膜示意圖：太陽能電池,9.1材料的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù),熱膨脹系數(shù),晶格常數(shù),MaterialStudio模擬計算得到的VergardsLaw,Vergard規(guī)則,常見半導(dǎo)體材料帶隙與晶格常數(shù)的關(guān)系圖,虛線：間接帶隙,四元合金,AlxGa1-xAs,晶格常數(shù)與帶隙匹配,9.2材料中的各類缺陷,點缺陷：空位，間隙原子，替代雜質(zhì)原子，間隙雜質(zhì)原子線缺陷：刃型位錯，螺型位錯，層錯面缺陷:孿晶界，小角晶界，共格晶界金屬，半導(dǎo)體：不同的結(jié)構(gòu)不同的特性表面點缺陷，表面線缺陷,金屬中的點缺陷：空位間隙原子，替代雜質(zhì),缺陷濃度：,四面體間隙位坐標(biāo)：（1/4,1/4,1/4)+各原子坐標(biāo)其余四面體間隙坐標(biāo)。,面心密堆積中的間隙,面心密堆積中的間隙：,面心立方金屬的間隙,八面體間隙位坐標(biāo)：（1/2,1/2,1/2)+各原子坐標(biāo)其余八面體間隙坐標(biāo)。,（1/2,0,1/2)+（1/2,1/2,1/2),（1,1/2,1),晶胞中原子、四面體間隙、八面體間隙數(shù)目：4,8,4,八面體和四面體間隙相互獨立、間隙大小,八面體間隙位坐標(biāo)：（1/2,0,1/2)+各原子坐標(biāo)其余八面體間隙坐標(biāo)。,體心立方金屬的間隙,體心立方密堆積的四面體間隙,體心立方密堆積的間隙不是正多面體，四面體間隙包含于八面體間隙之中,晶胞中原子、四面體間隙、八面體間隙數(shù)目：2,12,6,半導(dǎo)體中的點缺陷,半導(dǎo)體具有敞形結(jié)構(gòu)：堆積系數(shù)為0.34FCC,HCP,BCC的堆積系數(shù)為0.74,0.74,0.68半導(dǎo)體凝結(jié)成固體時體積膨脹。,半導(dǎo)體：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間隙大，半導(dǎo)體中的點缺陷：雜質(zhì)原子多，具有不同的荷電狀態(tài)，,間隙位置坐標(biāo)：（1/2,1/2,1/2)+各原子坐標(biāo)其余間隙位置坐標(biāo)。,金剛石結(jié)構(gòu)中的間隙,金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞中原子在底面的投影,數(shù)字是垂直方向上的坐標(biāo),其單位是晶格常數(shù)的1/8(b),四面體間隙(方形)和六角間隙(三角形)在底面的投影,晶胞中有8個原子，8個四面體間隙，16個六面體間隙原子半徑：0.2165，T間隙到最近鄰原子中心的距離0.433，到次近鄰的距離0.500;H間隙到最近鄰原子中心距離為0.415,為什么半導(dǎo)體中的填隙雜質(zhì)原子比金屬中的多？,點缺陷的畸變組態(tài)(局部對稱性改變),硅、鍺中的點缺陷有空位、自填隙原子、填隙雜質(zhì)原子、空位-雜質(zhì)原子等.,硅中空位四周的懸鍵(a)，懸鍵形成兩個新鍵(b)和失去一個電子后(c)引起畸變，(d)是啞鈴狀空位.,局部對稱性下降,Si中四面體間隙處(T位,即1/2,1/2,1/2)的自填隙原子(a)和(b)、(c)啞鈴狀自填隙原子,離子晶體的點缺陷和元素晶體有所不同.許多離子晶體的正離子和負離子各占一半,如NaCl等.但是,空位可以是負離子空位為主,此時離子晶體為了保證電中性,可以俘獲電子,如NaCl晶體的Cl離子空位上俘獲電子形成著名的“色心”.許多金屬氧化物的組分顯著偏離化學(xué)比,由此引起的點缺陷濃度很大.如TiO中的x可以由0.69變到1.33.TiO體內(nèi)正、負離子空位濃度約0.0015.TiO1.33體內(nèi)氧離子空位濃度達0.02,正離子空位濃度達0.26TiO0.69體內(nèi)正離子空位濃度達0.04、氧離子空位濃度達0.34.,離子晶體中的點缺陷,形變與滑移,材料中的線缺陷,刃型位錯,螺型位錯,滑移方向的不同,刃型位錯螺型位錯,兩種基本位錯示意圖(簡單立方結(jié)構(gòu)),伯格斯回路和伯格斯矢量,刃型位錯：伯格斯矢量和位錯線方向垂直；螺型位錯：伯格斯矢量和位錯線方向平行；混合位錯：伯格斯矢量和位錯線方向成一角度；位錯線是一條曲線。,位錯線能量b2,所以有的情況下位錯分解以降低能量全位錯、部分位錯(不全位錯):（1）b等于單位點陣矢量的稱為“單位位錯”。（2）b等于單位點陣矢量的整數(shù)倍的為“全位錯”（3）b不等于單位點陣矢量或其整數(shù)倍的為“不全位錯”或稱“部分位錯”伯格斯矢量守恒,與點缺陷不同，位錯并不是熱力學(xué)上的要求，因為位錯具有特定的晶體學(xué)方向，所以對熵增的貢獻很小。,密排原子示意圖,ZnO中的伯格斯回路及部分位錯,Schokley不全位錯,位錯的滑移和相互作用,Thompson四面體,兩個英文大寫字母組成的矢量,如AB等,表示全位錯的柏格斯矢量,即110/2.希文字母和英文字母組成的一組處于滑移面內(nèi)的矢量,如A,B等,表示Shockley部分位錯的柏格斯矢量,即112/6.希文字母和英文字母組成的另一組和滑移面垂直的矢量,如A,B等,表示Frank部分位錯的柏格斯矢量,即111/3.,與螺型位錯垂直的生長表面的形貌,從01方向觀察的內(nèi)稟層錯(a)和外稟層錯(b)的結(jié)構(gòu)示意圖,層錯,金剛石結(jié)構(gòu)中位錯的兩種滑移類型,金剛石結(jié)構(gòu)中的位錯和層錯,金剛石結(jié)構(gòu)中的內(nèi)稟層錯(a)外稟層錯(b),閃鋅礦結(jié)構(gòu)中的位錯和層錯,帶有不同原子懸鍵的兩種60位錯,六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的俯視圖(a)和側(cè)視圖(b),Zn,纖鋅礦結(jié)構(gòu)的位錯和層錯,垂直位錯列,孿晶界和其他面缺陷,面心立方金屬(111)原子面的堆垛次序是ABCABC,以(111)為界面的孿晶中的堆垛次序是ABCABCBACBA,這是以中心的C面為對稱面的兩個面心立方晶體的結(jié)合,形成所謂的孿晶(孿生的晶體).,共格相界面兩側(cè)的晶體具有完全確定的位向關(guān)系,一側(cè)的原子面和另一側(cè)的原子面可以取向不同或有扭折,但可以逐一對應(yīng)和過渡,具體的例子有Co的面心立方結(jié)構(gòu)和六角密堆結(jié)構(gòu)之間的界面、GaAs和InGaAs之間的界面等.Al中固溶少量Cu原子后形成的富Cu的一、二原子層厚的GP區(qū)和基體之間也可以認為形成了共格相界面.部分共格界面的典型例子是GaAs(001)上生長的較厚的InGaAs層,界面兩側(cè)晶粒取向雖有確定的取向關(guān)系,但界面兩側(cè)的原子面已無逐一對應(yīng)和過渡的關(guān)系.此時界面上出現(xiàn)一系列刃型失配位錯,那些多余的半原子面一直插到界面處.,思考題:歸納薄膜中的晶體缺陷類型畫圖說明全位錯,部分位錯的區(qū)別和聯(lián)系3.畫圖說明外稟層錯的獲得,外延薄膜中的失配位錯,異質(zhì)半導(dǎo)體膜外延時由于二種材料晶格常數(shù)不同引起的應(yīng)變稱為失配應(yīng)變.溫度變化后由二種材料熱膨脹系數(shù)不同引起的應(yīng)變稱為熱應(yīng)變.,溫度變化幾百度引起它們晶格常數(shù)的變化約103.一般情況下兩種材料外延生長中產(chǎn)生應(yīng)變的主要因素是晶格常數(shù)的不同,但冷卻后熱膨脹系數(shù)引起的應(yīng)變的影響也不能忽略,fit,strain,relax,外延薄膜中的應(yīng)變與失配位錯,pseudomorphic,晶體結(jié)構(gòu)一樣,0膜內(nèi)張應(yīng)力,f,無位錯薄膜單位面積內(nèi)的應(yīng)變能,me切變模量；v泊松比h薄膜厚度；f失配度,位錯產(chǎn)生后，應(yīng)變由f變?yōu)閑=f-b/S位錯產(chǎn)生后的總能量為彈性能和位錯能之和,b,考慮產(chǎn)生位錯在能量上是否有利,產(chǎn)生位錯的臨界厚度,產(chǎn)生失配位錯的驅(qū)動力來自薄膜應(yīng)變能的降低.,單位面積內(nèi)刃型位錯能,me、ms薄膜和襯底的切變模量；v泊松比r位錯應(yīng)變場的有效范圍；b伯格斯矢量,單位長度位錯能：,s,單位面積內(nèi)位錯總長度：2/S,或：,附：位錯能的其它表達式,單位面積內(nèi)位錯能：,對于薄膜，rh,rh,e=f-b/S,應(yīng)變薄膜的臨界厚度,S=b/(f-e),產(chǎn)生位錯后的總能量E=Ed+Ee,E對e求極小值,臨界厚度：,薄膜應(yīng)變隨膜厚的變化,膜厚增大時，ras,aeas,(b)aeas,aeas,(c)aeas,(d)aeas,aeas,應(yīng)變對晶格常數(shù)的影響,失配位錯的成核機制主要有兩種:1.來自襯底的穿過位錯的增殖,2.薄膜表面位錯環(huán)的均勻成核.F=2e(1+)/(1-)hbsincosFd=eb2(1-cos2)/4(1-)ln(h/b),失配位錯的成核和增殖,穿過位錯引起失配位錯的過程(穿過位錯的增殖),而穿過位錯自身的線張力隨膜厚對數(shù)地緩慢增大,它的表達式是:Fd=eb2(1-cos2)/4(1-)ln(h/b)這里的是位錯線芯部尺寸參數(shù),對金屬它可以取為1,即位錯線芯部尺寸為b,對半導(dǎo)體它可以取為4,即位錯線芯部尺寸為b/4.,穿過位錯引起失配位錯的過程(穿過位錯的增殖),用薄膜應(yīng)變場對穿過位錯的作用應(yīng)力(=2F/hb)和位錯自身的線張應(yīng)力d(=2Fd/b)相等為判據(jù)(e=0),也可以得到薄膜臨界厚度的表達式.但是,要求上述兩個應(yīng)力相等的判據(jù)實際上是過低了,因為此時位錯受到的凈作用力為零,即使依靠熱激活,位錯運動速度也太小,因此更合理的判據(jù)是：對穿過位錯的作用應(yīng)力應(yīng)超過位錯線張力,即:-d=0.024e用這樣的判據(jù)得到的臨界厚度隨失配度的理論曲線比-d=0得到的曲線提高了幾倍,并且和Si(100)基底上500-550C生長的若干外延SiGe薄膜的實驗臨界厚度曲線也符合得很好,表面成核的半位錯環(huán)(a)擴展后引起失配位錯(b),穿過位錯可滑移線段AB的增殖過程,穿過位錯上Frank-Reed源的增殖過程,一定失配度條件下薄膜中的應(yīng)變和位錯的演化過程:薄膜厚度小于臨界值時,薄膜和襯底完全共格,薄膜中沒有失配位錯,薄膜是應(yīng)變膜.薄膜厚度大于臨界值時,開始形成失配位錯,薄膜應(yīng)變開始松弛,但由于位錯滑移運動摩擦力的存在,應(yīng)變的松弛比較緩慢.薄膜厚度繼續(xù)增大,位錯增殖機制起動,產(chǎn)生大量失配位錯,應(yīng)變的松弛顯著加快.在失配位錯增加的同時穿過位錯也顯著增加.要使薄膜中失配位錯和穿過位錯減少,需要減小失配度和薄膜厚度,或采取適當(dāng)?shù)拇胧┤缡褂锰荻冗^渡層等.,島狀薄膜中的應(yīng)變和失配位錯,失配度大時薄膜的生長模式將從大面積地一層一層生長改變?yōu)閸u狀生長或單層加島狀生長,隨著島的不斷增大,其中的應(yīng)變和失配位錯也有一個演化過程.為簡單起見,設(shè)想一個方形的島,它在x,y(平行界面),z(垂直界面)上的尺寸分別為X,Y,Z.如果島只在x方向上和襯底存在失配度f,島中的應(yīng)變能E可以表示為E=eVf2/(1-)即應(yīng)變能隨V(V=XYZ)而線性地增大.,襯底上薄膜的長方形島,長方形島生長過程中應(yīng)變的變化,每產(chǎn)生一根位錯，島的應(yīng)變降低b/X1,島狀薄膜中的應(yīng)變和失配位錯,E=eVf2/(1-),襯底上大面積逐層生長時位錯也是一根一根產(chǎn)生的,位錯產(chǎn)生時也會引起應(yīng)變的突然松弛,也會得到類似的鋸齒狀曲線.P57給出的是大面積逐層生長薄膜時、應(yīng)變能和位錯能之和為極小條件下的應(yīng)變-厚度曲線,由于它沒有考慮位錯的產(chǎn)生需要克服勢壘,不考慮單根位錯的突然產(chǎn)生,因此得到了單調(diào)下降的連續(xù)曲線.,每產(chǎn)生一根位錯，島的應(yīng)變降低b/X1,正方形島生長過程中失配位錯的產(chǎn)生,島邊緣產(chǎn)生失配位錯的原子過程,外延薄膜中其他缺陷的產(chǎn)生,CdTe(111)堆垛次序不同