GeSi的晶体结构学习教案

1、会计学1GeSi的晶体结构的晶体结构第一页，共37页。第1页/共37页第二页，共37页。1、 晶胞晶胞(jn bo)和晶格常数和晶格常数 Ge、Si晶体中原子排列的情况如图晶体中原子排列的情况如图1-1所示。图中的立方体是反映所示。图中的立方体是反映Ge、Si晶体晶体中原子排列基本中原子排列基本(jbn)特点的一个单元，特点的一个单元，常称为晶胞。晶胞的各个边长叫做晶格常常称为晶胞。晶胞的各个边长叫做晶格常数，是不同晶体的一个特征性参量。对数，是不同晶体的一个特征性参量。对Ge、Si晶体，其晶胞是图晶体，其晶胞是图1-1所示的立方所示的立方体，因此只有一个晶格常数（记为体，因此只有一个晶格常数

2、（记为a）。）。 1.1 Ge、Si的晶体结构的晶体结构图1-1 Ge、Si的晶格(jn )结构 第2页/共37页第三页，共37页。第3页/共37页第四页，共37页。第4页/共37页第五页，共37页。2、锗，硅晶体中原子、锗，硅晶体中原子(yunz)排列的规律排列的规律 完整晶体中原子的排列是很规则的，各有一定的排列规律完整晶体中原子的排列是很规则的，各有一定的排列规律(gul)，这种规律，这种规律(gul)可完全由其晶胞结构反映出来。可完全由其晶胞结构反映出来。 仔细分析图仔细分析图1-1中的晶胞，就会发现，对中的晶胞，就会发现，对Ge、Si晶体，其晶体，其原子排列的规律原子排列的规律(gu

3、l)可从两方面来看：可从两方面来看：（1）每个原子的周围有）每个原子的周围有4个最邻近的原子个最邻近的原子（与中心原子的距离都相等），而且这（与中心原子的距离都相等），而且这4个最个最邻近的原子按正四面体分布，邻近的原子按正四面体分布，Ge、Si中的原中的原子之所以有这种特殊的排列规律，是由其共子之所以有这种特殊的排列规律，是由其共价键的性质所决定的。按这种规律分布的键，价键的性质所决定的。按这种规律分布的键，通常称为四面体键。根据通常称为四面体键。根据(gnj)这种看法，这种看法，则整个晶体可认为是由图则整个晶体可认为是由图1-2所示的许多共价所示的许多共价四面体堆砌而成的。四面体堆砌而成的

4、。 图图1-2 锗、硅中的四面体结构锗、硅中的四面体结构第5页/共37页第六页，共37页。图1-3 面心立方(lfng)晶格图1-4 锗、硅的晶格(jn )结构第6页/共37页第七页，共37页。 由图由图1-4可见，处于正四面体中心的原子和四面体顶可见，处于正四面体中心的原子和四面体顶角的原子，分别属于角的原子，分别属于(shy)两套不同的面心立方晶格，两套不同的面心立方晶格，它们是有区别的。四面体中心原子和顶角原子的价键取向它们是有区别的。四面体中心原子和顶角原子的价键取向是不一样的，就是说，尽管原子种类相同，但其在晶体中是不一样的，就是说，尽管原子种类相同，但其在晶体中所处的环境不同。应当

5、注意，所谓四面体中心或顶角，这所处的环境不同。应当注意，所谓四面体中心或顶角，这是相对的，实际上，任何一个原子既可以是某个四面体的是相对的，实际上，任何一个原子既可以是某个四面体的中心原子，也可以是另一个四面体的顶角原子。中心原子，也可以是另一个四面体的顶角原子。 结构分析指出，这种结构分析指出，这种Ge、Si的晶体结构与金刚石的的晶体结构与金刚石的晶体结构完全相同，只是原子种类和晶格常数不同，因此，晶体结构完全相同，只是原子种类和晶格常数不同，因此，通常把这种形式的晶体结构统称为通常把这种形式的晶体结构统称为“金刚石结构金刚石结构”。第7页/共37页第八页，共37页。3、 四面体半径和杂质四

6、面体半径和杂质(zzh)的失配的失配 Ge、Si中每一个原子周围有中每一个原子周围有4个按正面体分布的邻近原子。因此，个按正面体分布的邻近原子。因此，Ge、Si晶体中的最小原子间距，也就是正四面体的中心原子到顶角原子之间的距离，晶体中的最小原子间距，也就是正四面体的中心原子到顶角原子之间的距离，把这个最小原子间距再除以把这个最小原子间距再除以2，就定义为四面体半径，就定义为四面体半径(bnjng)，显然，四面体半，显然，四面体半径径(bnjng)也就是把晶体原子都看成是一个个硬球的球半径也就是把晶体原子都看成是一个个硬球的球半径(bnjng)，这是金，这是金刚石结构特有的一个结构参数。刚石结构

7、特有的一个结构参数。 由图由图1-4可以看到，最小原子间距就是晶胞体对角线长的可以看到，最小原子间距就是晶胞体对角线长的1/4。因此易于用。因此易于用晶格常数晶格常数a表示出四面体半径表示出四面体半径(bnjng)r。因为晶胞体对角线长为。因为晶胞体对角线长为 ，则最小原，则最小原子间距为子间距为 ，所以四面体半径，所以四面体半径(bnjng)r = ，代入，代入Ge、Si的晶格常数，的晶格常数，即求得：即求得： rSi0.117nm，rGe0.122 nm a3a43a83第8页/共37页第九页，共37页。334r83a%348333233283433333arar第9页/共37页第十页，共

8、37页。杂质元素NCBPSiAlAsGeGaSbSnInBiPbTl四面体半径/nm0.0700.0770.0880.1100.1170.1260.1180.1220.1260.1360.1400.1440.1460.1460.147表表1-1常用杂质常用杂质(zzh)元素的四面体半径元素的四面体半径杂质PAsSbBAlGaInSnCGe在硅中晶的失配因子0.0160.0080.160.2480.0770.0770.2310.200.3420.0427表表1-2杂质在硅中的失配杂质在硅中的失配(sh pi)因子因子第10页/共37页第十一页，共37页。4、 掺杂掺杂(chn z)问题问题 在在

9、Ge、Si晶体中，如果所掺入杂质的失配因子较大，则杂质将使晶格发晶体中，如果所掺入杂质的失配因子较大，则杂质将使晶格发生畸变，在晶体中造成较大的应力，在高温下由于晶体内摩擦力迅速减小，则生畸变，在晶体中造成较大的应力，在高温下由于晶体内摩擦力迅速减小，则晶体原子有可能发生重新排列以减小应力，这就必将导致晶体原子有可能发生重新排列以减小应力，这就必将导致(dozh)各种晶体缺各种晶体缺陷的出现。由于这种失配杂质的掺入所引起的位错，称为失配位错。显然，失陷的出现。由于这种失配杂质的掺入所引起的位错，称为失配位错。显然，失配杂质掺入越多，则晶格畸变越大，就越容易产生晶体缺陷。因此，在配杂质掺入越多，

10、则晶格畸变越大，就越容易产生晶体缺陷。因此，在Ge、Si晶体中，为保证不致于产生大量的缺陷，就有一个掺杂浓度的上限。例如，对晶体中，为保证不致于产生大量的缺陷，就有一个掺杂浓度的上限。例如，对硅中的硅中的B和和P，掺杂浓度上限分别为，掺杂浓度上限分别为51019/cm3和和51020/cm3 ；但对；但对Si中的中的As，因其失配因子很小，则此浓度上限可接近其最大固溶度，因其失配因子很小，则此浓度上限可接近其最大固溶度51021/cm3 ，所，所以，在以，在Si中掺中掺As不易产生缺陷。不易产生缺陷。 第11页/共37页第十二页，共37页。v怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完

11、整怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整(wnzhng)呢？这就呢？这就是所谓是所谓“完美晶体技术完美晶体技术”需要解决的一个重要课题。目前，在硅工艺中所采用的办法，需要解决的一个重要课题。目前，在硅工艺中所采用的办法，归纳起来可以有三种：归纳起来可以有三种：v（1）用）用As取代取代P和和Sbv（2）四面体半径大于）四面体半径大于Si的杂质，和四面体半径小于的杂质，和四面体半径小于Si的杂质同时掺入。的杂质同时掺入。v（3）P和和As或或B和和As同时掺入。同时掺入。图1-5 硅晶格常数随掺杂浓度(nngd)的变化第12页/共37页第十三页，共37页。1tzsyrxtlskr

12、h1,1,11lzkyhx第13页/共37页第十四页，共37页。 B格子的格点还可看成是分列在一系列平行、等距的平面系上，这些平面格子的格点还可看成是分列在一系列平行、等距的平面系上，这些平面系称为晶面系（晶面族）。系称为晶面系（晶面族）。 一个一个(y )无穷大的无穷大的B格子，可有无穷多方向不同的晶面系。格子，可有无穷多方向不同的晶面系。 v3.晶面指数（密勒指数）：晶面指数（密勒指数）：第14页/共37页第十五页，共37页。第15页/共37页第十六页，共37页。v例例1：在立方晶系中，：在立方晶系中，100代表代表v 100,010,001三个等效晶向。三个等效晶向。v例例2：在立方晶系

13、中，：在立方晶系中，100代表代表(100), (010), (001)三个等效晶面族。三个等效晶面族。v 有时有时(yush)为了表示一个具体的晶面，也可以不化为了表示一个具体的晶面，也可以不化互质整数。互质整数。v例例3：(200)指平行于指平行于(100)，但与，但与a轴截距为轴截距为a/2的晶面。的晶面。v说明：若选用基矢坐标系，方法类似，显然数值是不同的。说明：若选用基矢坐标系，方法类似，显然数值是不同的。第16页/共37页第十七页，共37页。第17页/共37页第十八页，共37页。第18页/共37页第十九页，共37页。第19页/共37页第二十页，共37页。说明：六角晶系的四指数表示说

14、明：六角晶系的四指数表示 以上三指数表示晶向、晶面原则上适用于任何晶系，但用于以上三指数表示晶向、晶面原则上适用于任何晶系，但用于六角晶系有一个缺点：六角晶系有一个缺点： 晶体具有等效的晶面、晶向不具有类似的指数。晶体具有等效的晶面、晶向不具有类似的指数。例：六棱柱的两个相邻的外表面在晶体学上应是等价的，但例：六棱柱的两个相邻的外表面在晶体学上应是等价的，但其密勒指数却分别其密勒指数却分别(fnbi)为为(100)和和(110)。夹角为。夹角为600的的密排方向是等价的，但其方向指数却为密排方向是等价的，但其方向指数却为100和和110.在晶体结构上本来是等价的晶面却不具有类似的指数，给研在晶

15、体结构上本来是等价的晶面却不具有类似的指数，给研究带来不方便。究带来不方便。第20页/共37页第二十一页，共37页。第21页/共37页第二十二页，共37页。第22页/共37页第二十三页，共37页。1.3 锗硅晶体锗硅晶体(jngt)的各向异性的各向异性第23页/共37页第二十四页，共37页。v1、原子分布(fnb)和键密度的各向异性图1-19 锗、硅中常用晶向上(xingshng)原子的分布 aa1212aaa4 . 1222121aaa17.110：111：可见，可见，110方向上的原子线密度最大。方向上的原子线密度最大。第24页/共37页第二十五页，共37页。22

16、241411aa2228 . 22422124142aaa2223 . 23432124142aaa图图1-20画出了锗、硅晶体的几个画出了锗、硅晶体的几个(j )主要晶面上原子分布的情况由此容易主要晶面上原子分布的情况由此容易计算出各个晶面上的原子密度如下：计算出各个晶面上的原子密度如下：（110）：）：（111）：）：（100）：）：图1-20 锗、硅中常用(chn yn)晶面上原子的分布第25页/共37页第二十六页，共37页。v观察图观察图1-21，以原子，以原子O为例，当它作为（为例，当它作为（100）面）面上的原子时，与一侧相邻的（上的原子时，与一侧相邻的（100）面中的原子）面中的

17、原子A、B间有间有2个键作用着，与另一侧相邻的（个键作用着，与另一侧相邻的（100）面中）面中的原子的原子C、D间也有间也有2个键作用着，即（个键作用着，即（100）面间）面间每一个原子有每一个原子有2个键作用着。而（个键作用着。而（100）面上的原子）面上的原子密度密度(md)为为2/a2，所以在（，所以在（100）面间，单位面）面间，单位面积上作用的键数积上作用的键数键的面密度键的面密度(md)为为22/a2=4/a2。图1-21 锗、硅晶体结构第26页/共37页第二十七页，共37页。v再观察图再观察图1-21中的原子中的原子O，当它作为，当它作为(zuwi)（110）面上的原子时，）面上

18、的原子时，它与一侧相邻的（它与一侧相邻的（110）面中的原子）面中的原子B有一个键作用着，与另一侧相邻有一个键作用着，与另一侧相邻的（的（110）面中的原子）面中的原子D也有一个键作用着，即（也有一个键作用着，即（110）面间每一个原）面间每一个原子有一个键作用着。而（子有一个键作用着。而（110）面的原子密度为）面的原子密度为2.8/a2，所以（，所以（110）面间的键密度为：面间的键密度为：22/8 . 28 . 21aa表表1-41-4晶面的几种晶面的几种(j zhn(j zhn) )密密度分析度分析原子线密度原子线密度原子面密度原子面密度键的面密度（即晶面间作键的面密度（即晶面间作用力

19、的强度）用力的强度）110111100111100110111第27页/共37页第二十八页，共37页。v我们知道，云母可以剥成一层一层的薄片，这就是云母的解理性，所剥裂我们知道，云母可以剥成一层一层的薄片，这就是云母的解理性，所剥裂出的面就是解理面；当然，在剪切力的作用下，层与层之间（即解理面之出的面就是解理面；当然，在剪切力的作用下，层与层之间（即解理面之间）也是容易错开的，这就是所谓滑移。间）也是容易错开的，这就是所谓滑移。v一般说来，滑移面或解理面是原子面密度最大的晶面，因为这样的晶面其一般说来，滑移面或解理面是原子面密度最大的晶面，因为这样的晶面其面间距较大，作用力较弱。但是面间距较大

20、，作用力较弱。但是(dnsh)对对Ge、Si晶体，虽然晶体，虽然110面的面的原子密度最大，然而其晶面间的作用力并不是最小。因此，原子密度最大，然而其晶面间的作用力并不是最小。因此，Ge、Si晶体的晶体的滑移面或解理面不是滑移面或解理面不是110面，而应当是键密度最小的面，而应当是键密度最小的111面。这已为很面。这已为很多事实所证明，例如当弄碎一块薄多事实所证明，例如当弄碎一块薄Si片后，断面往往是很平整的片后，断面往往是很平整的111面。面。v2、锗、硅晶体(jngt)中的滑移或解理的各向异性第28页/共37页第二十九页，共37页。v考虑到考虑到Ge、Si的的111面易于裂开这一特点，对指

21、导半导体器件的生产实践具有面易于裂开这一特点，对指导半导体器件的生产实践具有重要意义。例如，在用重要意义。例如，在用100片子制作器件时，管芯图形的排列应当片子制作器件时，管芯图形的排列应当(yngdng)沿沿方向方向(见图见图1-22),因为因为111面与面与100面的交线是面的交线是方向，这样排列方向，这样排列管芯有利于最后划片时获得形状较正规的管芯，减少了弄破管芯的可能性，又如，管芯有利于最后划片时获得形状较正规的管芯，减少了弄破管芯的可能性，又如，对对111晶片，最好是按图晶片，最好是按图1-23排列管芯，即一边沿着排列管芯，即一边沿着方向方向,因为因为111面之面之间的交线就是间的交

22、线就是方向，这就可以保证沿方向，这就可以保证沿方向划片时不易弄碎管芯。值方向划片时不易弄碎管芯。值得注意的是，在垂直得注意的是，在垂直方向划片时，划刀的走向应当方向划片时，划刀的走向应当(yngdng)按图按图1-23所所示的箭头方向进行，否则，划刀相反进行的，将易于引起晶片沿其它二个示的箭头方向进行，否则，划刀相反进行的，将易于引起晶片沿其它二个方向的方向的111面裂开，而造成管芯破碎。面裂开，而造成管芯破碎。第29页/共37页第三十页，共37页。图1-22 100面管芯排列(pili)图1-23 111晶面上管芯的排列(pili)v在应力的作用下，在应力的作用下，Ge、Si晶体将最易沿晶体

23、将最易沿111面发生滑移，但究竟朝面发生滑移，但究竟朝哪个方向最易发生滑移呢？实践表明这也是各向异性的，存在有一个哪个方向最易发生滑移呢？实践表明这也是各向异性的，存在有一个所谓滑移方向，就是所谓滑移方向，就是方向。这是不难理解的，因为方向。这是不难理解的，因为方向方向上原子的分布最密，原子间的作用必然较强，要冲破这些原子间的联上原子的分布最密，原子间的作用必然较强，要冲破这些原子间的联系就不容易，所以系就不容易，所以(suy)只有沿该方向滑移时才不需要那么大的力。只有沿该方向滑移时才不需要那么大的力。第30页/共37页第三十一页，共37页。v总而言之，总而言之，Ge、Si晶体的滑移面（解理面

24、）是晶体的滑移面（解理面）是111面，滑移方向是面，滑移方向是。但有必要指出，这里所说的滑移面和滑移方向，是指最容易发生的滑移的晶面和晶向，并不排除沿其它晶面和晶向发生滑移的可能。例如，打碎一块。但有必要指出，这里所说的滑移面和滑移方向，是指最容易发生的滑移的晶面和晶向，并不排除沿其它晶面和晶向发生滑移的可能。例如，打碎一块Ge或或Si单晶时，其断面不太整齐，这就是证明。单晶时，其断面不太整齐，这就是证明。v下面我们根据下面我们根据Ge、Si晶体滑移的各向异性性质，来说明晶体滑移的各向异性性质，来说明Ge、Si晶体中的棱位错的某些特点。晶体中的棱位错的某些特点。v我们知道，位错是晶体中发生不完

25、全滑移的结果，是已滑移区与未滑移区的交界线。图我们知道，位错是晶体中发生不完全滑移的结果，是已滑移区与未滑移区的交界线。图1-24中中D点处垂直于纸面的一条线，称为点处垂直于纸面的一条线，称为(chn wi)棱位错，图中箭头表示的是滑移方向。可以想见，位错线应当位于滑移面内，而且是沿着原子密度最大的方向。所以，棱位错，图中箭头表示的是滑移方向。可以想见，位错线应当位于滑移面内，而且是沿着原子密度最大的方向。所以，Ge、Si晶体中的位错线往往是在晶体中的位错线往往是在111面内，而且其方向往往是面内，而且其方向往往是方向。而导致发生位错的滑移，其方向如上述也是方向。而导致发生位错的滑移，其方向如

26、上述也是方向。由于在同一个面内的两个方向。由于在同一个面内的两个方向，其间夹角为方向，其间夹角为60（见图（见图1-17），故），故Ge、Si晶体中的棱位错线往往与滑移方向互成晶体中的棱位错线往往与滑移方向互成60夹角，因此，就把这种位错特称为夹角，因此，就把这种位错特称为(chn wi)“60位错位错”。第31页/共37页第三十二页，共37页。v位错不但可以通过滑移产生，而且也容易通过滑移而发生运动。由于位错不但可以通过滑移产生，而且也容易通过滑移而发生运动。由于Ge、Si晶体中存在有最容易发生滑移的晶面和晶向，所以晶体中存在有最容易发生滑移的晶面和晶向，所以Ge、Si晶晶体中位错的分布并不

27、杂乱无章，而是有一定规律的，即位错线往往是体中位错的分布并不杂乱无章，而是有一定规律的，即位错线往往是处于处于111面内的面内的方向。因此，在晶体的一个表面上所观察到的方向。因此，在晶体的一个表面上所观察到的许多许多(xdu)位错的露头处，将成为有规律的排列位错的露头处，将成为有规律的排列位错排，如图位错排，如图1-25所示。所示。图1-24 棱位移(wiy)示意图图1-25 晶体表面(biomin)位错排的显示第32页/共37页第三十三页，共37页。v一般说来，晶面间的共价键密度愈高，则此晶面簇的各晶面连接得愈牢，也就愈一般说来，晶面间的共价键密度愈高，则此晶面簇的各晶面连接得愈牢，也就愈难

28、被腐蚀掉，因此在该晶面簇的垂直方向上腐蚀速度就愈慢。相反，晶面间的共难被腐蚀掉，因此在该晶面簇的垂直方向上腐蚀速度就愈慢。相反，晶面间的共价键密度愈低，则该种晶面愈易被腐蚀掉，因此，在该晶面簇的垂直方向上腐蚀价键密度愈低，则该种晶面愈易被腐蚀掉，因此，在该晶面簇的垂直方向上腐蚀速度就越快。由表速度就越快。由表1-4可知，对可知，对Ge、Si晶体晶体(jngt)，111双层原子面内的共价键双层原子面内的共价键密度最高，其次是密度最高，其次是100，再其次是，再其次是110。所以。所以Ge、Si晶体晶体(jngt)在在方向方向上腐蚀速度最快，上腐蚀速度最快，次之，次之，最慢。最慢。v3、 锗、硅晶体化学腐蚀(fsh)的各向异性第33页/共37页第三十四页，共37页。v我们知道我们知道(zh do)，位错在晶体表面的露头处，经过腐蚀后将出现一，位错在晶体表面的露头处，经过腐蚀后将出现一些形状规则的腐蚀坑。晶面种类不同，腐蚀坑的形状也不相同，据此些形状规则的腐蚀坑。晶面种类不同，腐蚀坑的形状也不相同，据此可粗略地确定晶向，或用光点法精确地定向。尽管腐蚀坑的形状与很可粗略地确定晶向，或用光点法精确地定向。尽管腐蚀坑的形状与很多因素有关，但基本上腐蚀坑中的各个晶面都倾向于多因素有关，但基本上腐蚀坑中的各个晶面都倾向于111面，因为面，因为沿沿方向的腐蚀速度