《外延薄膜中的缺陷》PPT课件.ppt

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1、单晶薄膜：薄膜中的全部原子或分子呈规则排列。单晶薄膜：薄膜中的全部原子或分子呈规则排列。多晶薄膜：薄膜由大量微小晶体多晶薄膜：薄膜由大量微小晶体(晶粒晶粒)组成。组成。外延薄膜：在单晶基片上，生长出的单晶薄膜与基片外延薄膜：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。保持一定的晶体学取向关系。如如SiC(111)/Si(111)；Ag(001)/NaCl(001)同质外延生长，异质外延生长同质外延生长，异质外延生长标记标记:(HKL)/(hkl);UVW/uvw(001)Ni/(001)Cu;100Ni/100Cu(111)PbTe/(111)MgAl2O4;211PbTe/

2、101MgAl2O4第九章第九章 外延薄膜中的缺陷外延薄膜中的缺陷公度失配：公度失配：失配度失配度a0a0a0=0.5654 nma0=0.2866 nmGaAs(001)Fe(001)f=(0.5654-2*0.2866)/(2*0.2866)=-1.38%都是面内晶格常数都是面内晶格常数Those planes and directions which give the best lattice fit often,but certainly not always,determine the film-substrate orientationSi(111)Si(100)Tilted-La

3、yer EpitaxyGraphoepitaxy外延薄膜示意图：太阳能电池外延薄膜示意图：太阳能电池9.1 材料的晶格常数、热膨胀系数材料的晶格常数、热膨胀系数热热膨膨胀胀系系数数晶格常数晶格常数Material Studio模拟计算得到的Vergards LawVergard 规则规则常见半导体材料带隙与晶格常数的关系图常见半导体材料带隙与晶格常数的关系图虚线：间接带隙虚线：间接带隙四元合金四元合金AlxGa1-xAs晶格常数与带隙匹配外延薄膜中的失配位错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引起的应变称为失配应

4、变失配应变.温度变化后由二种材料热膨胀系数不同引起的应温度变化后由二种材料热膨胀系数不同引起的应变称为变称为热应变热应变.温度变化几百度引起它们晶格常数的变化约温度变化几百度引起它们晶格常数的变化约10 3.一一般情况下两种材料外延生长中产生应变的主要因素是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晶格常数的不同,但冷却后热膨胀系数引起的应变的但冷却后热膨胀系数引起的应变的影响也不能忽略影响也不能忽略 fitstrainrelax外延薄膜中的应变与失配位错外延薄膜中的应变与失配位错pseudomorphic,晶体结构一样晶体结构一样0 膜内张应力膜内张应力f单位面积内刃型位错

5、能单位面积内刃型位错能m me、m ms薄膜和衬底的切变模量；薄膜和衬底的切变模量；v 泊松比泊松比r 位错应变场的有效范围；位错应变场的有效范围；b 伯格斯矢量伯格斯矢量单位长度单位长度位错能：位错能：s单位面积内位错总长度：单位面积内位错总长度：2/S单位面积内位错能：单位面积内位错能：对于薄膜，对于薄膜，r h,r h =f-b/S应变薄膜的临界厚度应变薄膜的临界厚度S=b/(f-)产生位错后的总能量E=Ed+EeE对e求极小值临界厚度：临界厚度：薄膜应变随薄膜应变随膜厚的变化膜厚的变化膜厚增大时，r as,a aea as(b)aeas,a aea as(c)aea as(d)aeas

6、,a aea as应变对晶格常数的影响应变对晶格常数的影响失配位错的成核机制主要有两种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薄膜表面位错环的均匀成核.F=2 e(1+)/(1-)h bsin cos Fd=eb2(1-cos2)/4(1-)ln(h/b)失配位错的成核和增殖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引起失配位错的过程(穿过位错的增殖穿过位错的增殖)表面成核的半位错环表面成核的半位错环(a)扩展后引起失配位错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-Reed源

7、的增殖过程长方形岛生长过程中应变的变化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错岛状薄膜中的应变和失配位错 E=eVf2/(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:表面上的生长卷线,5,6:堆垛层错,7:卵形缺陷,8:小丘,9:沉淀颗粒)