晶體缺陷簡述

晶體缺陷簡述(jiǎnshù)精品資料概要引言晶體結(jié)構(gòu)缺陷(quēxiàn)的類型單晶硅中的缺陷(quēxiàn)總結(jié)精品資料一、引言(yǐnyán)固體在熱力學上最穩(wěn)定的狀態(tài)是處于0K溫度時的完整晶體狀態(tài)，此時，其內(nèi)部能量最低。晶體中的原子按理想的晶格點陣排列。實際的真實(zhēnshí)晶體中，在高于0K的任何溫度下，都或多或少的存在著對理想晶體結(jié)構(gòu)的偏離，即存在著結(jié)構(gòu)缺陷。結(jié)構(gòu)缺陷的存在及其運動規(guī)律，對固體的一系列性質(zhì)和性能有著密切的關(guān)系，因此掌握晶體缺陷的知識是掌握材料科學的基礎(chǔ)。

缺陷的含義：通常把晶體點陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為晶體的結(jié)構(gòu)缺陷。

理想晶體：質(zhì)點嚴格按照空間點陣排列。

實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。精品資料明顯的缺陷添晶解理開裂無規(guī)則的開裂晶體缺陷精品資料二、晶體結(jié)構(gòu)缺陷(quēxiàn)的類型1、點缺陷(quēxiàn)（零維缺陷(quēxiàn)）缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。點缺陷具有如下幾種情況：填隙原子（或離子）：指原子（或離子）進入正常格點位置之間的間隙位置，成為填隙原子（離子）；空位：正常結(jié)點位置出現(xiàn)的原子或離子空缺；雜質(zhì)原子（離子）：晶體組分以外的原子進入晶格中，即為雜質(zhì)。雜質(zhì)原子可以取代晶體中正常格點位置上的原子（離子），稱為置換原子（離子）；也可進入正常格點位置之間的間隙位置，成為填隙的雜質(zhì)原子（離子）。a空位b填隙基質(zhì)原子c替位雜質(zhì)d填隙雜質(zhì)按缺陷的幾何形態(tài)分類點缺陷與材料的電學性質(zhì)、光學性質(zhì)、材料的高溫動力學過程等有關(guān)。精品資料2、線缺陷(quēxiàn)（一維缺陷(quēxiàn)）指在一維方向上偏離(piānlí)理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺

寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。如各種位錯（dislocation）刃型位錯（Edgedislocation）晶體中某一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排的現(xiàn)象螺型位錯（Screwdislocation）一個晶體的某一部分相對于其余部分發(fā)生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個晶面間距線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。線缺陷有下面兩種情況：精品資料晶體(jīngtǐ)中的線缺陷KTA晶體(jīngtǐ)的缺陷精品資料3、面缺陷(quēxiàn)面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則

性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如

晶界、表面、堆積層錯、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。面缺陷可分為(fēnwéi)以下幾個類型：面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。界面兩側(cè)晶體以一特征的非點陣平移相聯(lián)系者稱平移界面，包括堆垛層錯、反相疇界和結(jié)晶切變面等面缺陷。平移界面第三類面缺陷為晶粒間界，它們是以任意取向關(guān)系相交接的兩晶粒間的界面。第二類面缺陷稱為孿晶界面，它所分隔開的兩部分晶體間以特定的取向關(guān)系相交接，

從而構(gòu)成新的附加對稱元素，如反映面、旋轉(zhuǎn)軸或?qū)ΨQ中心。孿晶界面晶粒間界精品資料KTP晶體中的雙晶界Tb：YAB晶體的腐蝕抗形態(tài)——孿晶Yb：YAB晶體的孿晶TYb：YAB晶體的孿晶晶體(jīngtǐ)的面缺陷精品資料4、體缺陷(quēxiàn)所謂體缺陷，是指在晶體中三維尺度上出現(xiàn)的周期性排列的紊亂，也就是在較大的尺寸范圍(fànwéi)內(nèi)的晶格排列的不規(guī)則。這些缺陷的區(qū)域基本上可以和晶體或者晶粒的尺寸相比擬，屬于宏觀的缺陷，較大的體缺陷可以用肉眼就能夠清晰觀察。體缺陷有很多種類，常見的有包裹體、氣泡、空洞、微沉淀等。這些缺陷區(qū)域在宏觀上與晶體其他位置的晶格結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、材料密度、化學成分以及物理性質(zhì)有所不同，好像是在整個晶體中的獨立王國。比如，空洞是在晶體中包含的較大的空隙區(qū)，微沉淀是指在晶體中出現(xiàn)的分離相，是由某些超濃度的雜質(zhì)所形成的，包裹體則是在晶體中包裹了其他狀態(tài)的成分，多為生長時原來的液體。精品資料晶體(jīngtǐ)的體缺陷KABO晶體中的缺陷KBBF單晶中的包裹物精品資料按缺陷產(chǎn)生的原因(yuányīn)分類1、熱缺陷(quēxiàn)（本征缺陷(quēxiàn)）指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點（原子或離子）。熱缺陷濃度與溫度的關(guān)系:溫度升高時，熱缺陷濃度增加。肖特基缺陷離開平衡位置的原子遷移至晶體表面的正常格點位置，而晶體內(nèi)僅留有空位，晶體中形成了肖特基缺陷。肖特基缺陷的特點晶體體積膨脹，密度下降。弗侖克爾缺陷離開平衡位置的原子進入晶格的間隙位置，晶體中形成了弗倫克爾缺陷。弗倫克爾缺陷的特點是空位和間隙原子同時出現(xiàn)，晶體體積不發(fā)生變化，晶體不會因為出現(xiàn)空位而產(chǎn)生密度變化。精品資料晶體(jīngtǐ)中的熱缺陷弗倫克爾缺陷肖特基缺陷精品資料2、雜質(zhì)(zázhì)缺陷（非本征缺陷）外來原子進入主晶格（即原有晶體點陣）而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)為雜質(zhì)缺陷。

晶體的雜質(zhì)缺陷濃度僅取決于加入到晶體中的雜質(zhì)含量，而與溫度無關(guān)，這是雜質(zhì)缺陷形成（非本征缺陷）與熱缺陷形成（本征缺陷）的重要區(qū)別。點缺陷雜質(zhì)原子無論進入晶格間隙的位置或取代主晶格原子，都必須在晶格中隨機分布，不形成特定的結(jié)構(gòu)。雜質(zhì)原子在主晶格中的分布可以比喻成溶質(zhì)在溶劑中的分散，稱之為固溶體。

雜質(zhì)(zázhì)缺陷對材料性能有比較大的影響。精品資料3、非化學計量結(jié)構(gòu)(jiégòu)缺陷（非整比化合物）原子或離子晶體化合物中，可以不遵守化合物的整數(shù)比或化學計量關(guān)系的準則，即同一種物質(zhì)的組成可以在一定范圍內(nèi)變動。相應的結(jié)構(gòu)(jiégòu)稱為非化學計量結(jié)構(gòu)(jiégòu)缺陷，也稱為非化學計量化合物。非化學計量結(jié)構(gòu)(jiégòu)缺陷中存在的多價態(tài)元素保持了化合物的電價平衡。非化學計量結(jié)構(gòu)缺陷的形成：組成中有多價態(tài)元素組分，如過渡金屬氧化物；環(huán)境氣氛和壓力的變化。精品資料三、單晶硅中的缺陷(quēxiàn)晶體生長時，由于應力、雜質(zhì)等因素，會導致晶格的周期性發(fā)生錯亂。硅單晶中，多多少少都存在各種(ɡèzhǒnɡ)缺陷。根據(jù)缺陷的幾何形狀可分為4類：一維的線缺陷，包括各種位錯；二維的面缺陷，包括晶界、孿晶、堆垛層錯、表面和界面；旋渦微缺陷，即雜質(zhì)串、點缺陷串或雜質(zhì)和點缺陷分凝沉淀的聚合體；原子級大小的點缺陷，包括像空穴和自填隙原子這種本征的缺陷，以及存在于晶格點上或間隙中的雜質(zhì)原子。各種缺陷的存在將影響硅的性能，并進一步影響器件的性能。精品資料1、一維的線缺陷(quēxiàn)

精品資料硅中的位錯對硅的性能有較大影響。位錯在硅中起受主能級作用，從而影響晶體的電阻率，位錯可使晶格發(fā)生崎變，改變能帶位置，影響復合過程，使少數(shù)載流子的壽命下降，位錯周圍的晶格彈性形變，具有吸引雜質(zhì)作用，導致雜質(zhì)在位錯處凝聚和沉淀，扭曲PN結(jié)，造成(zàochénɡ)局部短擊穿。雜質(zhì)沿位錯線擴散最快，尤其重金屬。器件在熱加工過程中原生位錯將誘發(fā)新位錯，從而更嚴重地影響器件性能。但在一定條件下，位錯也有一定的積極作用，比如它有助于合金與硅片的沾潤，在一定程度上能吸除微缺陷(quēxiàn)和雜質(zhì)。微缺陷(quēxiàn)微缺陷(quēxiàn)是一種硅晶體中偏聚出來的本征點缺陷(quēxiàn)與雜質(zhì)聚集在一起的缺陷(quēxiàn)。精品資料面缺陷晶界在單晶生長時這種缺陷一般是可以避免(bìmiǎn)的，但有時會在外延片中出現(xiàn)。它是硅中最嚴重的結(jié)構(gòu)缺陷，雜質(zhì)極易在晶界處聚集足夠高濃度，導致材料局部毀壞。即使結(jié)晶時雜質(zhì)不在此聚集，雜質(zhì)在晶界上擴散也遠遠快于在體材料中。因此，存在晶界的情況下，很難得到均勻的摻雜濃度分布。對太陽電池來說，正在設(shè)法產(chǎn)生含有大顆粒的多晶硅，并設(shè)法保持晶界干凈，或設(shè)法鈍化它們，以致它們不妨礙光產(chǎn)生的載流子的收集。藍寶石上異質(zhì)外延硅（505）結(jié)構(gòu)，有許多低角晶界，這些晶界減低了載流子的壽命，但對于金屬一氧化物一半導體（MOS）器件來說是可接受的，因為MOS是不依賴擴散的結(jié)。2、二維的面缺陷(quēxiàn)精品資料孿晶和堆垛層錯在單晶生長技術(shù)發(fā)展的最初年代曾是個待解決的問題(wèntí)。后來由于單晶生長技術(shù)的進步，孿晶和堆垛層錯一般不易出現(xiàn)。對于外延片生長來說，由于基片表面存在氧化物，或機械損傷，在外延的起始階段將會出現(xiàn)堆垛層錯，并傳播進入外延層，也因此而產(chǎn)生孿晶。金屬雜質(zhì)在堆垛層錯上優(yōu)先沉淀，這些沉淀會使器件短路。表面和界面，如Si/5102界面都能成為雜質(zhì)優(yōu)先聚集的地方(dìfāng)。這些雜質(zhì)會在界面處產(chǎn)生有害的電場，或作為迅速復合的中心。對于器件工藝來說對表面和界面態(tài)的控制，很有必要。精品資料3、旋渦(xuánwō)微缺陷微缺陷微缺陷是一種硅晶體中偏聚出來的本征點缺陷與雜質(zhì)聚集在一起的缺陷。在晶體生長過程中，由于(yóuyú)熱場不對稱、熱起伏和振動等原因，導致雜質(zhì)和本征點缺陷濃度較高，產(chǎn)生微區(qū)偏聚和沉淀，形成旋渦花紋缺陷。有的微缺陷跟空位與氧雜質(zhì)聚集形成Vxoy空位團有關(guān)。它們的形成過程及機理很復雜，跟分凝的雜質(zhì)和本征缺陷互作用有關(guān)?，F(xiàn)已辨明，本征缺陷是空位和硅自填隙原子，但它們的濃度不同，而雜質(zhì)尚不很清楚，可能跟碳或氧有關(guān)。區(qū)熔單晶生長速度大于某一臨界值時就觀察不到這種缺陷。中心沉淀物有時會導致位錯和位錯環(huán)的產(chǎn)生。在熱氧化工藝中，氧化將優(yōu)先發(fā)生在微缺陷處，并將導致熱氧化層錯的產(chǎn)生，重金屬雜質(zhì)也容易在微缺陷處沉淀，所有這些都將給LSI器件帶來不良影響。精品資料4、原子級大小(dàxiǎo)的點缺陷點缺陷僅由空位形成的點缺陷是肖特基缺陷，由空位和填隙原子（離子）對構(gòu)成的缺陷是弗倫克爾缺陷。硅中本征缺陷仍是一個有爭論的課題。與金屬缺陷理論(lǐlùn)相比，可預料空位將是主要的本征缺陷。然而，有證據(jù)表明，高溫下自填隙原子是重要的本征缺陷。缺陷的帶電狀態(tài)與費米能級和溫度有關(guān)。形成缺陷的能量和它們運動所需的激活能均與它們的帶電狀態(tài)有關(guān)。點缺陷要形成一串，或與雜質(zhì)混合成聚集團所需的鍵合能也跟電荷有關(guān)，這就使得硅中本征點缺陷比金屬中的缺陷復雜得多。對于它們的特性的理解和研究有待深入進行。精品資料硅中空位可以通過分享價電子而重建，并消失懸掛鍵。通過電子順磁共振(EPR)在高溫(gāowēn)下可觀察到存在于硅中的空位，而觀察不到自間隙原子。在區(qū)熔硅單晶中旋渦缺陷確由自填隙原子組成，并且是15或更多的原子組成非晶態(tài)填隙原子團而不存在懸掛鍵。這個自間隙原子團有較高的能量和嫡，及較低的激活能。人們已觀察到許多缺陷和雜質(zhì)具有復合增強擴散的新現(xiàn)象。當電流輸進時，缺陷運動比沒有電流時大大加快了。這是由于復合能夠減少缺陷的運動激活能，從而加速了缺陷的運動。本征點缺陷易與雜質(zhì)形成微缺陷而影響硅的性能。復合增強擴散的現(xiàn)象將影響半導體器件的壽命，可能(kěnéng)導致器件在運行中失效。精品資料四、總結(jié)(zǒngjié)通過查閱相關(guān)文獻、書籍以及網(wǎng)絡(luò)資源，分別從幾何形態(tài)和形成原因(yuányīn)兩個大方面介紹了晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型。按照幾何形態(tài)來分，晶體結(jié)構(gòu)的缺陷主要可分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷；而按照形成原因(yuányīn)來分，晶體結(jié)構(gòu)的缺陷主要分為熱缺陷（本征缺陷）、雜質(zhì)缺陷（非本征缺陷）以及非化學計量結(jié)構(gòu)缺陷