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晶体缺陷简述 2019 12 29 1 概要 引言晶体结构缺陷的类型单晶硅中的缺陷总结 2019 12 29 2 一 引言 固体在热力学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态 此时 其内部能量最低 晶体中的原子按理想的晶格点阵排列 实际的真实晶体中 在高于0K的任何温度下 都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离 即存在着结构缺陷 结构缺陷的存在及其运动规律 对固体的一系列性质和性能有着密切的关系 因此掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础 缺陷的含义 通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷 理想晶体 质点严格按照空间点阵排列 实际晶体 存在着各种各样的结构的不完整性 2019 12 29 3 晶体缺陷 2019 12 29 4 二 晶体结构缺陷的类型 1 点缺陷 零维缺陷 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上 即三维方向上缺陷的尺寸都很小 点缺陷具有如下几种情况 填隙原子 或离子 指原子 或离子 进入正常格点位置之间的间隙位置 成为填隙原子 离子 空位 正常结点位置出现的原子或离子空缺 杂质原子 离子 晶体组分以外的原子进入晶格中 即为杂质 杂质原子可以取代晶体中正常格点位置上的原子 离子 称为置换原子 离子 也可进入正常格点位置之间的间隙位置 成为填隙的杂质原子 离子 按缺陷的几何形态分类 点缺陷与材料的电学性质 光学性质 材料的高温动力学过程等有关 2019 12 29 5 2 线缺陷 一维缺陷 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性 规则性排列所产生的缺陷 即缺陷尺寸在一维方向较长 另外二维方向上很短 如各种位错 dislocation 线缺陷的产生及运动与材料的韧性 脆性密切相关 线缺陷有下面两种情况 2019 12 29 6 晶体中的线缺陷 KTA晶体的缺陷 2019 12 29 7 3 面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷 是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性 规则性排列而产生的缺陷 即缺陷尺寸在二维方向上延伸 在第三维方向上很小 如晶界 表面 堆积层错 镶嵌结构等 面缺陷可分为以下几个类型 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关 2019 12 29 8 晶体的面缺陷 2019 12 29 9 4 体缺陷 所谓体缺陷 是指在晶体中三维尺度上出现的周期性排列的紊乱 也就是在较大的尺寸范围内的晶格排列的不规则 这些缺陷的区域基本上可以和晶体或者晶粒的尺寸相比拟 属于宏观的缺陷 较大的体缺陷可以用肉眼就能够清晰观察 体缺陷有很多种类 常见的有包裹体 气泡 空洞 微沉淀等 这些缺陷区域在宏观上与晶体其他位置的晶格结构 晶格常数 材料密度 化学成分以及物理性质有所不同 好像是在整个晶体中的独立王国 比如 空洞是在晶体中包含的较大的空隙区 微沉淀是指在晶体中出现的分离相 是由某些超浓度的杂质所形成的 包裹体则是在晶体中包裹了其他状态的成分 多为生长时原来的液体 2019 12 29 10 晶体的体缺陷 2019 12 29 11 按缺陷产生的原因分类 1 热缺陷 本征缺陷 指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点 原子或离子 热缺陷浓度与温度的关系 温度升高时 热缺陷浓度增加 2019 12 29 12 晶体中的热缺陷 2019 12 29 13 2019 12 29 14 2 杂质缺陷 非本征缺陷 杂质缺陷对材料性能有比较大的影响 2019 12 29 15 3 非化学计量结构缺陷 非整比化合物 原子或离子晶体化合物中 可以不遵守化合物的整数比或化学计量关系的准则 即同一种物质的组成可以在一定范围内变动 相应的结构称为非化学计量结构缺陷 也称为非化学计量化合物 非化学计量结构缺陷中存在的多价态元素保持了化合物的电价平衡 非化学计量结构缺陷的形成 组成中有多价态元素组分 如过渡金属氧化物 环境气氛和压力的变化 2019 12 29 16 三 单晶硅中的缺陷 晶体生长时 由于应力 杂质等因素 会导致晶格的周期性发生错乱 硅单晶中 多多少少都存在各种缺陷 根据缺陷的几何形状可分为4类 一维的线缺陷 包括各种位错 二维的面缺陷 包括晶界 孪晶 堆垛层错 表面和界面 旋涡微缺陷 即杂质串 点缺陷串或杂质和点缺陷分凝沉淀的聚合体 原子级大小的点缺陷 包括像空穴和自填隙原子这种本征的缺陷 以及存在于晶格点上或间隙中的杂质原子 各种缺陷的存在将影响硅的性能 并进一步影响器件的性能 2019 12 29 17 1 一维的线缺陷 2019 12 29 18 硅中的位错对硅的性能有较大影响 位错在硅中起受主能级作用 从而影响晶体的电阻率 位错可使晶格发生崎变 改变能带位置 影响复合过程 使少数载流子的寿命下降 位错周围的晶格弹性形变 具有吸引杂质作用 导致杂质在位错处凝聚和沉淀 扭曲PN结 造成局部短击穿 杂质沿位错线扩散最快 尤其重金属 器件在热加工过程中原生位错将诱发新位错 从而更严重地影响器件性能 但在一定条件下 位错也有一定的积极作用 比如它有助于合金与硅片的沾润 在一定程度上能吸除微缺陷和杂质 微缺陷微缺陷是一种硅晶体中偏聚出来的本征点缺陷与杂质聚集在一起的缺陷 2019 12 29 19 面缺陷晶界在单晶生长时这种缺陷一般是可以避免的 但有时会在外延片中出现 它是硅中最严重的结构缺陷 杂质极易在晶界处聚集足够高浓度 导致材料局部毁坏 即使结晶时杂质不在此聚集 杂质在晶界上扩散也远远快于在体材料中 因此 存在晶界的情况下 很难得到均匀的掺杂浓度分布 对太阳电池来说 正在设法产生含有大颗粒的多晶硅 并设法保持晶界干净 或设法钝化它们 以致它们不妨碍光产生的载流子的收集 蓝宝石上异质外延硅 505 结构 有许多低角晶界 这些晶界减低了载流子的寿命 但对于金属一氧化物一半导体 MOS 器件来说是可接受的 因为MOS是不依赖扩散的结 2 二维的面缺陷 2019 12 29 20 孪晶和堆垛层错在单晶生长技术发展的最初年代曾是个待解决的问题 后来由于单晶生长技术的进步 孪晶和堆垛层错一般不易出现 对于外延片生长来说 由于基片表面存在氧化物 或机械损伤 在外延的起始阶段将会出现堆垛层错 并传播进入外延层 也因此而产生孪晶 金属杂质在堆垛层错上优先沉淀 这些沉淀会使器件短路 表面和界面 如Si 5102界面都能成为杂质优先聚集的地方 这些杂质会在界面处产生有害的电场 或作为迅速复合的中心 对于器件工艺来说对表面和界面态的控制 很有必要 2019 12 29 21 3 旋涡微缺陷 微缺陷微缺陷是一种硅晶体中偏聚出来的本征点缺陷与杂质聚集在一起的缺陷 在晶体生长过程中 由于热场不对称 热起伏和振动等原因 导致杂质和本征点缺陷浓度较高 产生微区偏聚和沉淀 形成旋涡花纹缺陷 有的微缺陷跟空位与氧杂质聚集形成Vxoy空位团有关 它们的形成过程及机理很复杂 跟分凝的杂质和本征缺陷互作用有关 现已辨明 本征缺陷是空位和硅自填隙原子 但它们的浓度不同 而杂质尚不很清楚 可能跟碳或氧有关 区熔单晶生长速度大于某一临界值时就观察不到这种缺陷 中心沉淀物有时会导致位错和位错环的产生 在热氧化工艺中 氧化将优先发生在微缺陷处 并将导致热氧化层错的产生 重金属杂质也容易在微缺陷处沉淀 所有这些都将给LSI器件带来不良影响 2019 12 29 22 4 原子级大小的点缺陷 点缺陷仅由空位形成的点缺陷是肖特基缺陷 由空位和填隙原子 离子 对构成的缺陷是弗伦克尔缺陷 硅中本征缺陷仍是一个有争论的课题 与金属缺陷理论相比 可预料空位将是主要的本征缺陷 然而 有证据表明 高温下自填隙原子是重要的本征缺陷 缺陷的带电状态与费米能级和温度有关 形成缺陷的能量和它们运动所需的激活能均与它们的带电状态有关 点缺陷要形成一串 或与杂质混合成聚集团所需的键合能也跟电荷有关 这就使得硅中本征点缺陷比金属中的缺陷复杂得多 对于它们的特性的理解和研究有待深入进行 2019 12 29 23 硅中空位可以通过分享价电子而重建 并消失悬挂键 通过电子顺磁共振 EPR 在高温下可观察到存在于硅中的空位 而观察不到自间隙原子 在区熔硅单晶中旋涡缺陷确由自填隙原子组成 并且是15或更多的原子组成非晶态填隙原子团而不存在悬挂键 这个自间隙原子团有较高的能量和嫡 及较低的激活能 人们已观察到许多缺陷和杂质具有复合增强扩散的新现象 当电流输进时 缺陷运动比没有电流时大大加快了 这是由于复合能够减少缺陷的运动激活能 从而加速了缺陷的运动 本征点缺陷易与杂质形成微缺陷而影响硅的性能 复合增强扩散的现象将影响半导体器件的寿命 可能导致器件在运行中失效 2019 12 29 24 四 总结 通过查阅相关文献 书籍以及网络资源 分别从几何形态和形成原因两个大方面介绍了晶体结构缺陷的类型 按照几何形态来分 晶体结构的缺陷主要可分为点缺陷 线缺陷 面缺陷和体缺陷 而按照形成原因来分 晶体结构的缺陷主要分为热缺陷 本征缺陷 杂质缺陷 非本征缺陷 以及非化学计量结构缺陷 非整比化合物 在介绍了晶体结构缺陷的类型的基础上 简要介绍了单晶硅中缺陷的类型 在单晶硅中主要存在以下几种缺陷 点缺陷 线缺陷