晶體缺陷簡述

1、晶體缺陷簡述 概 要 引 言 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型 單晶硅中的缺陷 總 結(jié) 一、引言 固體在熱力學(xué)上最穩(wěn)定的狀態(tài)是處于 0K K 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。實際的真實晶體中，在高于 0K K 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(xué)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(yán)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。 明顯的缺陷添

2、晶 解理開裂無規(guī)則的開裂 晶體缺陷 二、晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型 1、點缺陷（零維缺陷） 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(jìn)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(jìn)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(jìn)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) l 按缺陷的幾何形態(tài)分類按缺陷的

3、幾何形態(tài)分類 點缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動力學(xué)過程等有關(guān)。 2、線缺陷（一維缺陷） 指在一維方向上偏離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） u 刃型位錯（刃型位錯（Edge dislocation） 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 u 螺型位錯（螺型位錯（Screw dislocation） 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

4、兩種情況： 晶體中的線缺陷KTA晶體的缺陷 3、面缺陷 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

5、元素，如反 映面、旋轉(zhuǎn)軸或?qū)ΨQ中心。 孿晶界面孿晶界面晶粒間界晶粒間界 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 晶體的面缺陷 4、體缺陷 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(xué)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

6、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。 晶體的體缺陷 KABO晶體中的缺陷KBBF單晶中的包裹物 l 按缺陷產(chǎn)生的原因分類按缺陷產(chǎn)生的原因分類 1、熱缺陷（本征缺陷） 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。 弗侖克爾缺陷弗侖克

7、爾缺陷 離開平衡位置的原子進(jìn)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。 晶體中的熱缺陷 弗倫克爾缺陷 肖特基缺陷 2、雜質(zhì)缺陷（非本征缺陷） 外來原子進(jìn)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(jìn)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

8、，稱之為固溶體。 雜質(zhì)缺陷對材料性能有比較大的影響。 3、非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)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(xué)計量關(guān)系的準(zhǔn)則， 即同一種物質(zhì)的組成可以在一定范圍內(nèi)變動。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)稱為非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)缺 陷，也稱為非化學(xué)計量化合物。非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)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(xué)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； 1.環(huán)境氣氛和壓力的變化。 三、單晶硅中的缺陷 晶體生長時，由于應(yīng)力、雜質(zhì)等因素，會導(dǎo)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

9、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(jìn)一步影響器件的性能。 1、一維的線缺陷 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(fù)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(dǎo)致雜質(zhì)在位錯處凝 聚和沉淀，扭曲PN結(jié)，造成局部短擊穿。 雜質(zhì)沿位錯線擴散最快，尤其重金屬

10、。 器件在熱加工過程中原生位錯將誘 發(fā)新位錯，從而更嚴(yán)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 陷和雜質(zhì)。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。 面缺陷晶界在單晶生長時這種缺陷一般是可以避免的，但有時會在外延片中出現(xiàn)。它是 硅中最嚴(yán)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(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)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

11、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(lán)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(dǎo)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 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。 后來由于單晶生長技術(shù)的進(jìn)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(jìn)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)

12、優(yōu)先聚集的地方。這些雜 質(zhì)會在界面處產(chǎn)生有害的電場， 或作為迅速復(fù)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。 3、旋渦微缺陷 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，由于熱場不對稱、熱起伏和振動等原因，導(dǎo)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(tuán)有關(guān)。它 們的形成過程及機理很復(fù)雜，跟分凝的雜質(zhì)和本征缺陷互作用有關(guān)。 現(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

13、種缺陷。中心沉淀物有時 會導(dǎo)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(dǎo)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。 4、原子級大小的點缺陷 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。與金屬缺陷理論相比，可 預(yù)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(tuán)所需的鍵合能

14、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(fù)雜得多。對于它們的特性的理解和研究有待深入進(jìn)行。 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(tuán)而不存在懸掛鍵。 這個自間隙原子團(tuán)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(fù)合 增強擴散的新現(xiàn)象。當(dāng)電流輸進(jìn)時，缺 陷運動比沒有電流時大大加快了。這是 由于復(fù)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(fù) 合增強擴散的現(xiàn)象將影響半導(dǎo)體器件的 壽命，可能導(dǎo)致器件在運行中失效。 四、總結(jié) 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、書籍以及網(wǎng)絡(luò)資源，分別從幾何形態(tài)和形成原因兩個大方面介 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(xué)計量結(jié)構(gòu)缺