（材料物理与化学专业论文）uhvcvd外延生长硅及锗硅单晶薄膜.pdf

* 4 * m x u h v c v d ，h 延生长硅a 锗硅单晶薄膜 摘要 本文采用超高真空化学气相沉积( u h v c v d ) 技术，对较低的温度 ( 5 5 0 6 6 0 。c ) 下生长硅和锗硅外延工艺及其应用进行研究。主要包括 锗硅单层和多层( 多量子阱和超品格) 结构的外延生长和表征以及对外 延生长高质量的弛豫锗硅虚衬底进行的探讨。 研究中利用了高分辨率x 射线衍射( h r x r d ) 、二次离子质谱、拉曼 光谱、原子力显微镜等多种测试技术。 实验采用本实验室自行研制的u h v c v d i i 外延设备。首先成功地 生长出了高质量、组分范围较宽( o 1 2 7 x 0 5 6 ) 的单层锗硅外延，生 长的同时不断对生长参数进行优化。对于生长中的温度，气源注入流量 比，组分和生长速度之间的关系和它们对外延层质量的影响作了系统的 研究；然后，在此基础之上，生长了s f f s i g e 多量子阱和超晶格多层结构 外延，测试结果表明所获得的多层外延s i s i g e 分界清晰，界面陡峭且平 整，各层组分和厚度分布均匀，周期性好，有效的避免了界面的原子互 扩散；最后，我们还成功地生长了质量较高的高g e 含量的弛豫s i g e 虚衬 底，为发展应变s i 器件打下了基础。 浙江 掌硕士毕业论文u h v c v d ，k 延生长硅及锖硅单晶薄膜 a b s t r a c t t h i st h e s i sw o r km a i n l yi n v o l v e st h ed e p o s i t i o nb yu h v c v da n d c h a r a c t e r i z a t i o no fu n d o p e de p i t a x i a ls i g es i n g l e l a y e ra n dm u l t i - - l a y e ra s w e l la ss t u d i e so fs i g eg r o w t hk i n e t i c s t h ed e p o s i t i o no fr e l a x e ds i , 。g e x b u f f e ru s e df o rh i g hg ec o n t e n tv i r t u a ls u b s t r a t ei sa l s oi n c l u d e di nt h e a r t i c l e i nt h er e s e a r c hw eu s eh i g hr e s o l u t i o nx r a yd i f f r a c t o m e t r y ，r a m a n s c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y ，s e c o n d a r yi o nm a s ss p e c t r o m e t r y ，t e ma n da t o m i c f o r c em i c r o s c o p yt oc h a r a c t e r i z et h ed e p o s i t e df i l m s i nt h ee x p e r i m e n t sw eu t i l i z eu h v c v d i i g r o w t hs y s t e mo fo u r l a b o r a t o r y a tf i r s t ，w ea c c o m p l i s h e dg r o w t ho fh i g hq u a l i t yl a y e r s o f s i l - x g e xs i n g l el a y e rw i t hg e r m a n i u mc o n t e n t so f0 12 7 x 8 p m ) 的长波发射器受到广泛的关注。电磁波谱 在8 1 2 9 m 存在一个“窗1 3 ”，在这个窗口内水对电磁辐射没有吸收，因此可以用作 高带宽通讯、媒体影像、机场的行李监视、食品和塑料质量的控制等。其它材料在 不同的t h z 频段存在更多这样的窗口，可将这些窗口材料应用于制造更多的探测器。 对于t h z 发射器s i l l i i i v 材料有更多的优势：子带之间的寿命差异更大有利于 粒子反转；基片的热导率较高，发射器可连续工作：b i c m o s 工艺和集成c m o s 驱 动电路的造价较低。大多数iv 多级激光器受到强极光学声子( 3 2 m e v ) 散射的限 制，这使它们不能工作在2 0 至l j 3 5 9 m 波长范围。s i 多级激光器则不存在这样的问题。 h e r i o tw a t t 大学的c a r lp i d g e n 等人1 ”佣自由电子激光器测得子带状态之间的寿命差 异超过t 2 0 p s ，超过了最近一v 工作系统一个数量级。根据偶极子选择定则，表面 发射只能在p 型系统中进行。因此与一v 边缘发射电子系统相比，p 型s i 系统可用于 制造表面发射激光器。现在的基片反射技术( 如硅一绝缘( s 0 1 ) 和埋入w s i 2 基片 技术等) 能够在s i 系统中制造垂直腔表面发射激光器，并实现发射器和探测器的平 行扫描阵列( 如图1 1 ) 。 最近，u c l a 的r u t g e rv r i j r e ne 1 4 1 和i b m 的d a v i dd iv i n c e n z o 等人提出用s i g e 异质 结制造量子计算机。量子计算机最先是由r i c h a r df e y n m a n 在1 9 8 2 年提出来的，但是 直到1 9 9 4 年贝尔实验室的p e t e rs h o r 发明了一套算法来以惊人的速度对大量整数进 行因数分解时，这方面的应用才受到关注。在普通的计算机当中，任何计算都是以 一条单一的路径和方向通过计算单元( 例如硅芯片上的晶体管和金属互联区域) 。在 量子计算机当中，根据重叠原理，任何计算可以被分裂成几条路径，并且很快发展 成平行方式。每条路径有确定的相，并且仍然具有相的相干性，它们进行相长或非 相长干涉。因此组成量子计算机的基本结构单元是一些相相干的两个状态系统。澳 大利亚新南威尔士大学的b r u c ek a n e 在1 9 9 8 年提出用纯s i 丰晶体中的磷施主原子的 核自旋了作为量了计算机【】”。 1 6 小结 * $ m * iu h v c v d 外延生长硅及锗硅单晶薄膜 s i g e 器件在很多领域得到广泛的应用，并且将来会有更多的富有成果的研究计划 予以实施。但足除非低缺陷的实基片能够被生产出来，s i g e 器件将会在不断扩张的 半导体市场当中保持小份额。s i g eh b t 已经在很多方面得到应用，特别是在射频领 域如移动电话j ：i i g p s 。如果由于某种原因( 如光刻技术、经济等) ，在f e t 的物理极 限之上的某点，s i b i c m o s 的尺寸不能够再减小，性能不能够再提高，那么s i g e 技 术将会对最后的c m o s 起到特别的推动作用。很多实验表明，在m o s f e t 的欧姆连 接当中注入少量的g e ，通过能带结构工程可有效地减少沿s i 表面的临界效应。用多 晶s i g e 代替门极多晶s i 还可以改善一般c m o s 晶体管的开启电压。尽管s i g e 器件在 所有半导体产品当中只占有一小部分，但是在将来制造的d , f q 线宽度硅晶体管中都 会用到s i g e 。 参考文献 【1 】s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n1 9 9 7t h e n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o r s e m i c o n d u c t o r s 2 】m ，g l i c k m a n19 5 5m a g n e t o r e s i s t a n c eo fg e r m a n i u m s i l i c o na l l o y sp h y s i c a lr e v i e w 1 0 0 ，1 1 4 6 - 1 1 4 7 【3 e k a s p e r ，h j h e r z o ga n dh k i b b e l1 9 7 5ao n e d i m e n s i o n a ls i g es u p e r l a t t i e e g r o w nb yu h ve p i t a x ya p p l i e dp h y s i c s8 ，19 9 - 2 0 1 【4 】j d c r e s s l e r19 9 8s i g eh b tt e c h n o l o g y ：an e wc o n t e n d e rf o rs i b a s e dr fa n d m i c r o w a v ec i r c u i ta p p l i c a t i o n si e e et r a n s m i c r o t h e o r yt e c h n i q u e s4 65 7 2 5 8 9 【5 】a c c h u r c h i l l ，d j r o b b i n s ，d j w a l l i s ，n g r i f f i n ，d j p a u l ，a j p i d d u c k ，w y l e o n ga n dg m w i l l i a m s19 9 8t w o d i m e n s i o n a le l e c t r o ng a sm o b i l i t ya saf u n c t i o n o fv i r t u a ls u b s t r a t eq u a l i t yi ns t r a i n e ds i s i g eh e t e r o j u n c t i o n sj v 。c s c zt e c h n o lb 1 6 ，1 6 3 4 16 3 8 6 s l r o m m e l , t e d i l l o n ，m w d a s h i e l l ，h f e n g ，j k o l o d z e y ，p r b e r g e r ，p e t h o m p s o n ，k d h o b a r t ，r l a k e ，a c s e a b a u g h ，g ，k i l m e c ka n dd kb l a n k s19 9 8 r o o mt e m p e r a t u r eo p e r a t i o no f e p i t a x i a l l yg r o w ns i s i o5 g e o d s ir e s o n a n ti n t e r b a n d t u n n e l l i n g d i o d e s a p p lp h y sl e t t7 3 ，2 1 9 1 2 19 3 4 浙江大掌硕士毕业论文 u h v c v d ”* 4 a 者_ 阜4 4 【7 】d t 6 b b e n ，d a w h a r a m ，g a b s t r e i t e r ，j p k o t t h a u sa n df s c h g f f l e r19 9 5b a l l i s t i c e l e c t r o nt r a n s p o r tt h r o u g haq u a n t u mp o i n tc o n t a c td e f i n e di nas i s i o7 g e 03 h e t e r o s t r u c t u r es e m i e o n ds e it e c h n o l1 0 ，711 - 714 8 k i s m a i l19 9 6e l e c t r o nt r a n s p o r ti nt h eq u a n t u mh a l lr e g i m ei ns t r a i n e ds i s i g e p h y s i c ab 2 2 7 3 1 0 - 3 1 4 【9 】n g r i f f i n19 9 8l o w d i m e n s i o n a ls y s t e m si ns i l i c o n s i l i c o ng e r m a n i u m h e t e r o s t r u c t u r e sp h dt h e s i s , u n i v e r s i t yo f c a m b r i d g e 【l0 】p t c o l e r i d g e ，r l w i l l i a m s ，y f e n ga n dp z a w a d z k i ( 19 9 7 ) m e t a l i n s u l a t o r t r a n s i t i o na tb = 0i np - t y p es i g e ”p h y s r e v b5 6 ，r 1 2 7 6 4 一r 1 2 7 6 7 【11 】r a s o r e f , lf r i e d m a na n dg s u n1 9 9 8s i l i c o ni n t e r s u b b a n dl a s e r ss u p e r l a t t i c e s a n dm i c r o s t r u c t u r e s2 34 2 7 - 4 3 9 1 2 】f c a p a s s o ，c g m a c h l ，d l s i l v a c oa n da l c h o1 9 9 9q u a n t u mc a s c a d el a s e r s p h y s i c sw o r l dj u n e2 7 3 3 1 3 】w h e i s s ，e g o m i k , h h e r t l e ，b m u r d i n ，g m h k n i p p e l s ，c j g m l a n g e r a k ，f s c h a f f l e ra n dc r p i d g e o n1 9 9 5d e t e r m i n a t i o no f t h ei n t e r s u b b a n dl i f e t i m ei n s i s i g eq u a n t u mw e l l s a p p lp h y s l e t t 6 6 ，3 3 1 3 3 3 1 5 【1 4 r v r i j e n ，e y a b l o n o v i t e h ，k w a n g ，h w j i a n g ，a b a l a n d i n ，v r o y c h o w d h u r y ，t m o la n dd d i v i n c e n z o1 9 9 9e l e c t r o ns p i nr e s o n a n c et r a n s i s t o r sf o rq u a n t u m c o m p u t i n gi ns i l i c o n - g e r m a n i u mh e t e r o - - s t r u c t u r e sq u a n t u m - p h y s i c sp r e p r i n t 9 9 0 5 0 9 6 v 2 【15 】b e k a n e1 9 9 8a s i l i c o n b a s e dn u c l e a r s p i nq u a n t u mc o m p u t e r n a t u r e 3 9 3 1 3 3 一1 3 7 浙江大学硕士早业论文】h v c v d 外延生长硅a 锗硅单晶_ 薄- 膊 第二章s i g e s i 材料的性质 s i g e s i 异质结及其超晶格和量子阱结构材料是近年来新兴的半导体材料；它与 目前十分成熟的硅平面工艺技术相兼容，被认为是2 1 世纪的新型的微电子、光电子 材料，是“第二代硅”材料；它使硅材料进入了人工设计的微结构材料时代，硅器 件进入到“异质结构”、“能带工程”时代。其工作速度扩展到毫米波、超快速领域， 光学波段进入到光纤通讯和远红外探测领域，在微电子和光电子方面都有相当多的 应用【1 1 。 2 1s i g e 的基本性质 下表总结了3 0 0 k 时无应变s i g e 体材料的一些基本性质 项目 s ig e s i l x g e x 晶体结构金刚石金刚石金刚石( 任意合金) 对称群 o ：一f d 3 mo ：一f d 3 m矾- - f d 3 m 原子数c m 35 0 0 1 0 2 2 4 4 2 1 0 2 2( 5 o o o 5 8 x ) l0 2 2 德拜温度k 6 4 03 7 46 4 0 - - 2 2 6 x 密度g c m 。 2 3 2 95 3 2 32 - 3 2 9 + 3 4 9 3 x 一0 4 9 9 x 2 介电常数1 1 71 6 21 1 7 + 45 x 电子有效质量( 单位m 。) 纵向m o 9 21 5 9 0 9 2 对于x 08 5 横向m o 1 9o 0 80 1 9 对于x o8 5 空穴有效质量( 单位r n 。) 重空穴l i i h h 05 4o3 3 轻空穴m l h 015 00 4 3 电子亲和势e v40 5 404 0 5 0 0 5 x 浙江大掌坝士毕业论文l m v ( 、v d 外延生长硅及锗硅单晶司：膜 品格常数a 54 3 1 5 6 5 8 54 3l _ 0 2 x + o 0 2 7 x 2 能带结构和载流子浓度 能隙( 直接) e v 导带最小1 1 2l1 2 04 】x + 0 0 0 8 x 2 ( x 08 5 ) 本征载流子浓度c m 。31 0 1 0 1 02 1 0 o 导带有效状态密度 2 8 1 0 1 91 0 1 0 1 9约2 8 1 0 9 ( x o 8 5 ) 项目s ig e s i l _ x g e x 价带有效状态密度 1 8 1 0 1 95 0 1 0 1 8 电特性 击穿电场v - g i r l 1 3 1 0 51 0 5 1 0 5 迁移率，( c m 2 v s ) 电子1 4 5 03 9 0 0 空穴 4 5 0 1 9 0 0 扩散系数，( c m 2 - s 。) 电子 3 61 0 03 6 一1 1 2 x0 x 03 空穴 1 25 01 2 - 2 2 x0 x 03热i 率( c m s 。) 电子 2 4 1 0 7 3 1 1 0 724 1 0 。 ( x 0 _ 8 5 ) 空穴 i6 5 1 0 71 9 1 0 7】6 5 十02 5 x 7 * 4 # m * ：tu h v c v n 外延生长硅及锗硅单晶薄膜 光学特性 折射率 3 4 24 03 4 2 + 0 3 7 x + o2 2 x 2 辐射复合系数( c m 3 s 。1 )1 i 1 0 1 46 4 1 0 - 1 4 热和力学特性 熔点 1 4 1 29 3 71 4 1 2 7 3 8 x + 2 6 3 x 2 1 4 1 2 8 0 x 3 9 5 x 。 热导率l ( w c m k 1 ) 】3o 5 8o 0 4 6 + 00 8 4 x 线性热膨胀系数p k 1 2 6 1 0 45 9 1 0 6 2 2s i g e 合金的晶格常数 s i 、g e 年n s i g e 合金均属于金刚石晶体结构，其空间群为f d 3 m 。体材料s i f f u g e 在2 5 。c 下晶格常数分别为0 5 4 3 l n m 弄1 o 5 6 5 8 n m 。根据v e g a r d 法则，体材料s i l 。g e 。合金的晶 格常数为： a s i g e ( x ) = a s i ( 1 - x ) + a g e x = 0 5 4 3 1 + 0 0 2 2 6 5 x ( 2 - 1 ) 但是，实际体材料s i - x g e x 合金的晶格常数不一定遵循v e g a r d 法则，实验测定并 推算出来的体材料s h g e 。合金的晶格常数与组分的变化关系为2 1 ： a s i g 。( x ) - 0 5 4 3 1 + o 0 1 9 9 2 x + 0 0 0 2 7 3 3 x 2 ( 2 - 2 ) 2 3s i g e ，s i 异质结构晶格失配的补偿 在衬底上生长异质外延( 品格常数不同) 时，衬底和外延的品格常数失配通过两 种方式进行补偿：1 ) s i g e 晶格发生四方应变，称之为假品立方牛长；2 ) 在界面出 产生失配位错的弛豫方式。两种方式占整个失配补偿的比例反映了应变或弛豫的程 度。( 如图2 i ) * 4 m * il 1 h v c v d 外* 4 a 镕$ 8 # 1 m ) s t r a i n e d s i i 。c 气 b u l k s i l f c 、 m i l k r e l a x e ( i s i o “。 b u l ks j r e l a x e d s i l 。g e x m i s l i l d i s l o c a t i o n b u l k 鞘 图2 1 ( a ) 表明了体材料s i 和s i l _ i g e l 不同的晶格常数；( b ) s i i 。g e l 以假晶四方的方式生长在体材 料s i 衬底上，晶格失配通过应变的方式得以补偿；( c ) s i l - i g e l 生长在s i 衬底上生长时在界面形 成失配位错来补偿晶格失配( 或者说与呻相比应变通过形成失配位错得以释放) 。 2 4s i g e s i 的能带结构 2 4 1 体材料s i g e ( 弛豫) 的能带结构 体材料s h g e 。合金( 完全弛豫) 的带隙为间接带隙，禁带宽度随g e 含量的变化 吐 e g = 1 1 5 5 一o 4 3 x + o 0 2 0 6 x 2 o x o 8 5 ( 2 - 3 ) e g22 0 2 0 1 2 7 x o 8 5 x 1 如图1 实线，g e 组分的含量小于0 8 5 时，s i g e 合金体材料的能带结构为类 s i 结构，导带底位于0 8 x 点；g e 组分大于0 8 5 时，能带结构为类g e 结构，导带底 位于l 点。 2 4 2 应变s i g e 导带底e c 和价带顶e v 位置发卜的移动 * 、工 4 * u h v c v d 外延生长硅及锗硅单晶薄膜 根据固体物理微扰理论在完整s i 品格当中用g e 占据s i 位置，由于g e 的原子半 径比s i 大，g e 的价带电子进一步交叠使价带利 禁带宽度都变宽，e c 和e v 都向上移动。同时由 于单晶g e 的晶格常数较大，晶格内部会存在压 应力，g e 周围产生应变能。以s i 占据完整g e 品 格格点时发生和上述情况相反的变化。图2 2 表 示不同衬底上生长s i g e 应变层与体材料或完全 弛豫s i g e 层能带结构理论推导的结果卧【5 ， s i g e 受压应力还是拉应力视衬底材料而定； 00 10 2 0 30 40 50 60 70 8 0 9l0 0 eo t o m cr m c t i o r 图2 2 不同衬底上生长的完全应 变s i g e 层的禁带宽度 图2 3 显示压缩和拉伸应变s i g e 随组分变化的能带偏移的情况，实线表示应变 s i g e 的能带，虚线表示体材料或弛豫的s i g e 的能带。 以上s i g e 层是考虑完全应变的形式，实际上由于生长条件和方法的不同， s i g e 外延层会发生程度不同的弛豫而通过位错产生的晶格失配的形式使平行衬底表面的 压应力得以释放，失配位错大多都产生在界面附近。品格常数相差越大，完全应变 就越难实现；应变层也存在一定的临界厚度，将在以后说明。 口 x ( ) 圈2 3a ) 压缩和b ) 拉伸应变s i g e 随组分变化的能带偏移的情况，实线表示应变s i g e 的能带，虚 线表示体材料或弛豫的s i g e 的能带。 。j 日i t $ m * 女u h v c v d ”g l a 隼昔 5 日l m 综合图2 2 、2 3 ，应变s i g e 层的能带结构有以下特点： a应变使导带底六度简并的分裂成一个四度简并态( 记为) 和一个二度简并 态( 记为上) ，价带顶简并的轻重空穴带发生分裂；异质成分( 相对于体材料) 越高，能带分裂越大； bs i g e 压应力应变层的导带底和价带顶都随着g e 含量的增加而升高，而价带顶 升高的更快a e v = 8 4 0 x ( m e v ) ，因此禁带宽度随g e 含量的增加而减小，如s i ( 0 0 1 ) 面上的完全应变层e g1 1 2 - 0 3 4 x ( e v ) ； s i g e 拉应力应变层的导带底和价带顶都随着s i 含量的增加而减小，而导带底减小 的更快，因此禁带宽度随s i 含量的增加而减小： c应变s i g e 层相对于体材料( 完全弛豫) 导带底e c 降低，价带顶e v 升高，即应 变使e g 减小。s i g e 压应力应变层价带顶比导带底偏移量大得多，e g 的减小主要贡 献来自于价带顶的偏移，而s i g e 拉应力应变层导带底比价带顶偏移大得多，e g 的 减小主要贡献来自于导带底的偏移； d 应变的程度影响导带底和价带顶的偏移量。 通过的g e 含量以及选择应变层和控制应变程度对能带e c 与e v 的位置进行调节实 现s i g e s i 异质结的多方面的应用。应变和带边位置的调节以及异质结构是通过各种 外延技术生长实现的。 2 5 应变能和临界厚度 2 5 1 失配应变和应力 若外延层和沉底的品格常数分别为a i 和a s 。b ，晶格失配参数厶为巴 厶：丛 ( 2 4 ) a n 如果失配参数f m 和临界厚度足够小，外延层则保持假晶立方形式，应变均匀，称 为失配应变，应变【6 7 1 为 唧= 一工 ( 2 - 5 ) 当外延层厚度超过临界厚度，将由将会产生失配位错释放应力来部分补偿晶格失 寸斤* # m * i u h v c v d ”& a 镕4 4 曲己。应变为： 唧= 一( l + 生) ( 2 6 ) b l 为伯格斯矢量6 的有效分量，p 为相邻位错之间的平均距离。 ( 1 1 0 ) 面上生长的假晶立方外延层的应力为： 一z 告f m = 击s 协， e 和u 是弹性杨氏模量和剪切模量，v 为泊松比。 2 5 2 应变和位错能( 周期性排列) 单个位错能量表示为m 【8 】： 蟛= 高 ( 1 - v c o s 2 p ) l n 爿 像8 ) 参数p 。的引入表示位错形成能的非弹性部分，q 表示位错的形核半径，一般和b 相等。 周期排列位错的单位面积的能量为叽 驴= 肭( 笥弓协，一告江 e d s 表示单位位错线的能量( 波动应变部分) ，精确的表达式见r e f s 【6 f 7 【8 ；b h ( b l q ) 2 表示位错网络平均位错的能量；而失配应变产生的均匀应变能为b h 兀2 。全部的均 匀应变e h 为： e = b h l f 。+ 钉( 2 - 1 1 ) 部分弛豫的应变层的所有能量为e h 和吾e d s 【7 】： e t = + 三 ( 2 1 2 ) 刀 2 5 3 临界厚度理论 根据能量最低原理，总能量必须保持最低，外延层厚度低于临界厚度时，总能量 应随为失配位错的引入而增加：而高于临界厚度时总能量随为粗失配的增加而减小 n 取3 。9 式中e t 微分等于零，令p jo 。，得到h 。表达式： 浙。江大掌硕士毕业论文 u h v c v 外l 自a 蕾$ 8 4 n ：幽二! 堕旦i n 丛( 2 - 1 3 ) 8 兀( 1 + y ) 岛 q 当外延层较厚时，取p _ c o 误差较大，因为这种情况下，p 值不是很大1 6 】。c o h e n s o l a l e t a l l l 0 1 设计出另一种模型来推导应变层的临界厚度，这种模型取均匀应变能和弛豫 能相等时的厚度为临界厚度，表达式为： h = 爿+ 兀。3 “ ( 2 1 4 ) 通过调整参数a ，上式与实验数据符合的很好。 外延层与衬底晶格常数相差越大即lf mi 越大，临界厚度越小，如图2 4 ，s i 衬底 上生长s i g e 层，g e 含量越大，晶格失配越大，临界厚度越小。 i 1、 、 “d 洲 太、 、 。 、 、善， 、 c 毒 蝌b t 凹啦 图2 4s i 衬底上应变s i g e 层的临界厚度 2 5 4 超晶格的应变和临界厚度 设超晶格中组分不同的两应变层在完全弛豫时的晶格常数分别为a t 和a z ，厚度分 别为d 1 和d 2 ；完全应变超晶格的每层的晶格常数和衬底相同，设为a ，两层的应变 分别为： i = ! ! ( 2 15 ) s 2 ：a p - - 。2 ( 2 1 6 ) ( p p 要保证假晶立方结构，必须满足两个条件：1 ) 每层的厚度小于本身的临界厚度；2 ) 超品格的总厚度小于总临界厚度，等于与超品格平均组分相同的单层临界 厚度。 * 掌 m * 。u h v c v d ，卜a 备硅$ 8 l 尊* 超晶格的平均晶格失配参数为一，： 舒= 学= ，( 2 - 铲号警a 2 ( 2 - 1 8 ) d m ， 日i 十 2 5 5 对称应变超品格 对于对称应变超品格。旧有：毛吐= 一s ：畋 ， 唧= 口。超晶格的平均晶格常数 为： 2 等孚( 2 - 1 9 ) * 工 $ m m * 二ti j h v c v d 外* 4 a 镕$ # 女 参考文献 1 r p e o p l e ，i e e ejq u a n t u me l e c t r o n ，1 9 8 6 ，q e 2 2 ：1 6 9 6 【2 】h j h e r z o g ，p r o p e r t i e so fs t r a i n e da n dr e l a x e ds i l i c o ng e r m a n i u m ，e d i t e db ye k a s p e r , i n s p e cp r e s s ，19 9 5 ，p 4 9 【3 t f r o m h e r z ，e ta 1 ，p r o p e r t i e so f s t r a i n e da n dr e l a x e ds i l i c o ng e r m a n i u m ，e d i t e db y e k a s p e r , i n s p e cp r e s s ，19 9 5 ，p 8 7 9 3 4 r p e o p l ea n dj c b e a n “b a n da l i g n e m e n t so f c o h e r e n t l ys t r a i n e dg e x s i l h e t e r o s t r u c t u r e so n ( 0 0 1 ) s u b s t r a t e s ，”a p p l p h y s l e t t ，v 0 1 4 8 ，p p 5 3 8 5 4 0 ，1 9 8 6 【5 c gv a nd ew a l l ea n dr m m a i t i n , t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n so f s e m i c o n d u c t o h e t e r o j u n c t i o nd i s c o n t i n u i t i e s , vv a c s c i t e c h n 0 1 ，v 0 1 b 4 ，p p 1 0 5 5 1 0 5 9 ，1 9 8 6 6 s c j a i n ，g e r m a n i u m - s i l i c o ns t r a i n e dl a y e r sa n dh e t e r o s t r u c t u r e s ，a d v a n c e si n e l e c t r o n i c sa n de l e c t r o np h y i s c ss e r i e s ，( s u p p l e m e n t2 4 ) ，e d i t o r - i n c h i e ff o ft h e s e r i e s ：p e t e rw h a w k e s ，( a c a d e m i cp r e s s ，b o s t o n1 9 9 4 ) 【7 】s c j a i n ，a h h a r k e ra n dr a c o w l e y , m i s f i t s t r a i na n dm i s f i t d i s l o c a t i o n si n l a t t i c e m i s m a t c h e de p i t a x i a l l a y e r s ，p h i l o s m a g a 7 5 ( 6 ) ，1 4 6 1 5 1 5 ( 1 9 9 7 ) 8 ) s c j a i n ，t j g o s l i n g ，j r w i l l i s , d h j t o t t e r d e l l ，a n dr b u l l o u 【曲，an e ws t u d yo f c r i t i c a ll a y e rt h i c k n e s s ，s t a b i l i t ya n ds t r a i nr e l a x a t i o ni np s e u d o m o r p h i cg e x s i l x s t r a i n e de p i l a y e r s ，p h i l m a g a6 5 ，1 1 5 1 6 7 ( 1 9 9 2 ) 9 j h v a n d e rm e r w e ，“c r u s t a li n t e r f a c e s p a r ti s e m i i n f i n i t ec r y s t a l s , a p p l p h y s ， v 0 1 3 4 ，n o 1 ，p p 1 1 7 - 1 2 2 ，1 9 6 3 【1 0 】g c o h e n s o l a l ，f b a i l l y , a n dm b a r b e c r i t i c a lt h i c k n e s si nh e t e r o e p i t a x i a lg r o w t ho f z i n cb l e n d es e m i c o n d u c t o rc o m p o u n d s ，j c r y s t a lg r o w t h1 3 8 ，6 8 7 4 ( 1 9 9 4 ) 11 】d j o l e g o ，k s h a h z a d ，j p e t r u z z e l l o ，a n dd a c a m m a c k ，d e p t hp r o f i l i n go f e l a s t i c s t r a i n si nl a t t i c e m i s m a t c h e ds e m i c o n d u c t o rh e t e r o s t u c t u r e sa n ds t r a i n e d l a y e r s u p e r l a t t i c e s ，p h y s r e v b3 6 ，7 6 7 4 7 ( 1 9 8 7 ) 【1 2 】k s h a h z a d ，d jo l e g o ，a n dd a c a m m a c k ，t h i c k n e s sd e p e n d e n c eo f s t r a i n si n s t r a i n e d - l a y e rs u p e r l a t t i c e s ，a p p l p h y s l e t t 5 2 ，1 4 1 6 - 8 ( 1 9 8 8 ) i 哳4 # 目e _ 士 * ：tu h v c v d 外延生长硅a 锗硅单晶商l 膜 第三章s i g e s i 材料的应用 3 1 应变s i g e 基区i 口t h b t 在高频和微波电路的应用又很多优点：高发射极注入效率( 高电流增益和低 基区内电阻) 、低发射极电荷积累、小基区度越时间t e ( 基区能带倾斜) 。应变s i g e 层作为基区s i 与s i g e 存在能隙差e g = e g ( s i ) 一e g ( s i g e ) ，这样制作的h b t 不是宽禁带 发射区结构而是窄禁带基区结构：而i t l 一v 族h b t 为宽带发射区结构，尽管提高发 射区禁带宽度有了很大的进展，如g a p 1 】、半导体绝缘体多晶硅( s i p o s ) 【2 】、氧掺 杂硅外延薄膜( o x s e f ) 3 1 等宽禁带发射区，但是由于高的温度要求，低的体材料 和接触电阻( 高发射区电阻) 和存在非极性材料上生长极性外延( g a p ) 的问题等， 这些方法都失败了。窄带s i g e 基区h b t 贝j 不存在上述问题，因此用应变s i g e 作为基 区h b t 是提高s i 基b j t 运行速度和电流特性的有效途径。 与b j t 相比，在小注入的情况下，h b t 电流的提 高可以表示为： i 。( h b t ) 一w 8 ( b j t ) nb ( b j t ) d b ( h b t l ，v e 。k t i 。( b j t )( h b t ) ( h b t ) d n ( b j t ) ( 3 - 1 ) w b 为基区宽度，n b 为基区掺杂量，d b 为电子扩 散系数，e g 为基区禁带宽度的减小量，如图3 1 ( 4 】， 电流的增益随s b g e 。基区g e 含量x 成指数 变化( 这里可以认为a e g o c x )圈3 1 集电极电流随基区g e 含量的变化( 卸5 v ) 应变s h g e 。层的禁带宽度是g e 组分的函数，这样在生k s i l - x g e 。时可以使g e 的组 分逐渐改变，使带边发生倾斜如图3 2 ，这样在基区。 ； 内建立一内建电场，加速通过基区的载流子，减小 i x 基区度越时间。可大幅度提高f t1 5 1 ，特别是在低温； 的情况。能带倾h b t 性能的改进【6 】： 1 电流放大系数 囤 因 图3 2h b t 内组分和能带的分布 * $ m m * 女u h v c v d ”e & 昔$ 4 。何半唧c 竿j p 。一 l 。p f 二竺! ：皇! 墅塑1 1 l 船 ， r 3 2 、 a e 。( g j l a d e ) 为g e 组分渐变基区两端禁带差。 2 基区度越时间 旷筹去。 1 一去h 气竽 、 h b t 具有更好的低温工作特性，一般来说，低温工作有几点众所周知的优势：跨 导提高，互连延迟减小( 低金属电导率) ，信号波动减小，与液氮温度c m o s 7 1 相兼 容。普通的高频双极器件低温工作性能很差，有三方面原因：1 ) 电流增益 b 。：e x p ( a e g k t ) 】随温度指数下降；2 ) 基区载流子冻出效应( f r e e z e o u t ) 导致基区电阻 急速上升；3 ) 基区陷阱俘获载流子增加了载流子的渡越时间。通过组分和应变的控 制使禁带宽度之差变大，提高电流增益；提高基区掺杂量，以减小冻出效应 ( f r e e z e o u t ) ，杂质散射造