第一章 Ge、Si的晶體結(jié)構(gòu)

1、光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件 光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件本章內(nèi)容v1.1 Ge、Si的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)v1.2 晶向和晶面晶向和晶面v1.3 鍺硅晶體的各向異性鍺硅晶體的各向異性光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件1、 晶胞和晶格常數(shù)晶胞和晶格常數(shù) Ge、Si晶體中原子排列的情況如圖晶體中原子排列的情況如圖1-1所示。圖中的立方體是反映所示。圖中的立方體是反映Ge、Si晶體中原子排列基本特點的一個單元，晶體中原子排列基本特點的一個單元，常稱為常

2、稱為晶胞晶胞。晶胞的各個邊長叫做。晶胞的各個邊長叫做晶格晶格常數(shù)常數(shù)，是不同晶體的一個特征性參量。，是不同晶體的一個特征性參量。對對Ge、Si晶體，其晶胞是圖晶體，其晶胞是圖1-1所示的所示的立方體，因此只有一個晶格常數(shù)（記為立方體，因此只有一個晶格常數(shù)（記為a）。）。 1.1 Ge、Si的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)圖1-1 Ge、Si的晶格結(jié)構(gòu) 光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v 晶體中原子排列的情況和晶格常數(shù)等，可通過晶體中原子排列的情況和晶格常數(shù)等，可通過X射線射線結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)確定出來。已給出結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)確定出來。已給出硅的晶格常數(shù)硅的晶格常數(shù)

3、a=0.5428nm，鍺的晶體常數(shù)鍺的晶體常數(shù)a=0.5658nm。v 仔細(xì)觀察一下圖仔細(xì)觀察一下圖1-1所示的晶胞，就可以知道，該立方所示的晶胞，就可以知道，該立方體晶胞中共包含有體晶胞中共包含有18個原子（頂角個原子（頂角8個，面心個，面心6個，內(nèi)部個，內(nèi)部4個），但是真正屬于該晶胞的原子只有個），但是真正屬于該晶胞的原子只有8個，據(jù)此就容易計個，據(jù)此就容易計算晶體的原子密度。因為晶胞的體積為算晶體的原子密度。因為晶胞的體積為a3，則晶體中每個，則晶體中每個原子所占有的體積為原子所占有的體積為a3/8，所以晶體原子密度，所以晶體原子密度=8/a3。代入。代入a的值就得到：的值就得到：Si晶

4、體的原子密度晶體的原子密度=51022/cm3，Ge晶體的晶體的原子密度原子密度=4.41022/cm3。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v晶胞中的晶胞中的18個原子，分別處于兩種不同的位置，一種是在個原子，分別處于兩種不同的位置，一種是在晶體胞的頂角和面心上，另一種是在晶胞內(nèi)的體對角線上，晶體胞的頂角和面心上，另一種是在晶胞內(nèi)的體對角線上，它們的坐標(biāo)分別為：它們的坐標(biāo)分別為：v第一種位置：第一種位置： （0，0，0）；（）；（1/2， 1/2 ，0）；（）；（ 1/2 ，0， 1/2 ）；）；（0， 1/2 ， 1/2 ）；）；v第二種位置：第

5、二種位置： （ 1/4 ， 1/4 ， 1/4 ）；（）；（ 3/4 ， 3/4 ， 1/4 ）；）； （ 3/4 ， 1/4 ， 3/4 ）；（）；（ 1/4 ， 3/4 ， 3/4 ）；）；光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件2、鍺，硅晶體中原子排列的規(guī)律、鍺，硅晶體中原子排列的規(guī)律 完整晶體中原子的排列是很規(guī)則的，各有一定的排列完整晶體中原子的排列是很規(guī)則的，各有一定的排列規(guī)律，這種規(guī)律可完全由其晶胞結(jié)構(gòu)反映出來。規(guī)律，這種規(guī)律可完全由其晶胞結(jié)構(gòu)反映出來。 仔細(xì)分析圖仔細(xì)分析圖1-1中的晶胞，就會發(fā)現(xiàn)，對中的晶胞，就會發(fā)現(xiàn)，對Ge、Si晶體，晶

6、體，其原子排列的規(guī)律可從兩方面來看：其原子排列的規(guī)律可從兩方面來看：（1）每個原子的周圍有）每個原子的周圍有4個最鄰近的原個最鄰近的原子（與中心原子的距離都相等），而且子（與中心原子的距離都相等），而且這這4個最鄰近的原子按正四面體分布，個最鄰近的原子按正四面體分布，Ge、Si中的原子之所以有這種特殊的排中的原子之所以有這種特殊的排列規(guī)律，是由其共價鍵的性質(zhì)所決定的。列規(guī)律，是由其共價鍵的性質(zhì)所決定的。按這種規(guī)律分布的鍵，通常稱為四面體按這種規(guī)律分布的鍵，通常稱為四面體鍵。根據(jù)這種看法，則整個晶體可認(rèn)為鍵。根據(jù)這種看法，則整個晶體可認(rèn)為是由圖是由圖1-2所示的許多共價四面體堆砌而所示的許多共價

7、四面體堆砌而成的。成的。 圖圖1-2 鍺、硅中的四面體結(jié)構(gòu)鍺、硅中的四面體結(jié)構(gòu)光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v（2）整個）整個Ge、Si晶體可看成由兩套面晶體可看成由兩套面心立方晶格套構(gòu)起來的。面心立方晶心立方晶格套構(gòu)起來的。面心立方晶格的一個晶胞是帶有面心原子的立方格的一個晶胞是帶有面心原子的立方體，如圖體，如圖1-3所示，所示，Al，Au等金屬就等金屬就具有這種晶格。具有這種晶格。Ge、Si的晶格，可看的晶格，可看成是由兩套面心立方格沿晶胞體對角成是由兩套面心立方格沿晶胞體對角線方向，且錯開線方向，且錯開1/4體對角線長度套構(gòu)體對角線長度套

8、構(gòu)而成的，如圖而成的，如圖1-4所示。這就是說，所示。這就是說，Ge、Si晶格是由兩套簡單的面心立方晶格是由兩套簡單的面心立方晶格構(gòu)成，是一種較為復(fù)雜的晶格，晶格構(gòu)成，是一種較為復(fù)雜的晶格，正因為正因為Ge、Si晶格可由基本的面心立晶格可由基本的面心立方晶格套構(gòu)而成，所以常常把方晶格套構(gòu)而成，所以常常把Ge、Si的結(jié)構(gòu)歸屬于面心立方晶格。的結(jié)構(gòu)歸屬于面心立方晶格。 圖1-3 面心立方晶格圖1-4 鍺、硅的晶格結(jié)構(gòu)光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件 由圖由圖1-4可見，處于正四面體中心的原子和四面體頂可見，處于正四面體中心的原子和四面體頂角的原子，分

9、別屬于兩套不同的面心立方晶格，它們是有角的原子，分別屬于兩套不同的面心立方晶格，它們是有區(qū)別的。四面體中心原子和頂角原子的價鍵取向是不一樣區(qū)別的。四面體中心原子和頂角原子的價鍵取向是不一樣的，就是說，盡管原子種類相同，但其在晶體中所處的環(huán)的，就是說，盡管原子種類相同，但其在晶體中所處的環(huán)境不同。應(yīng)當(dāng)注意，所謂四面體中心或頂角，這是相對的，境不同。應(yīng)當(dāng)注意，所謂四面體中心或頂角，這是相對的，實際上，任何一個原子既可以是某個四面體的中心原子，實際上，任何一個原子既可以是某個四面體的中心原子，也可以是另一個四面體的頂角原子。也可以是另一個四面體的頂角原子。 結(jié)構(gòu)分析指出，這種結(jié)構(gòu)分析指出，這種Ge、

10、Si的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)與金剛石的晶與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)完全相同，只是原子種類和晶格常數(shù)不同，因此，體結(jié)構(gòu)完全相同，只是原子種類和晶格常數(shù)不同，因此，通常把這種形式的晶體結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為通常把這種形式的晶體結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為“金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)”。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件3、 四面體半徑和雜質(zhì)的失配四面體半徑和雜質(zhì)的失配 Ge、Si中每一個原子周圍有中每一個原子周圍有4個按正面體分布的鄰近原子。因此，個按正面體分布的鄰近原子。因此，Ge、Si晶體中的最小原子間距，也就是正四面體的中心原子到頂角原晶體中的最小原子間距，也就是正四面體的中心原子到頂角原子之

11、間的距離，把這個最小原子間距再除以子之間的距離，把這個最小原子間距再除以2，就定義為四面體半徑，就定義為四面體半徑，顯然，四面體半徑也就是把晶體原子都看成是一個個硬球的球半徑，顯然，四面體半徑也就是把晶體原子都看成是一個個硬球的球半徑，這是金剛石結(jié)構(gòu)特有的一個結(jié)構(gòu)參數(shù)。這是金剛石結(jié)構(gòu)特有的一個結(jié)構(gòu)參數(shù)。 由圖由圖1-4可以看到，最小原子間距就是晶胞體對角線長的可以看到，最小原子間距就是晶胞體對角線長的1/4。因。因此易于用晶格常數(shù)此易于用晶格常數(shù)a表示出四面體半徑表示出四面體半徑r。因為晶胞體對角線長為。因為晶胞體對角線長為 ，則最小原子間距為則最小原子間距為 ，所以四面體半徑，所以四面體半徑

12、r = ，代入，代入Ge、Si的晶的晶格常數(shù)，即求得：格常數(shù)，即求得： rSi0.117nm，rGe0.122 nm a3a43a83光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v如果把晶體看作是由一個個硬球按一定規(guī)律堆積而成的，就可以根據(jù)四如果把晶體看作是由一個個硬球按一定規(guī)律堆積而成的，就可以根據(jù)四面體半徑來計算出這些硬球所占整個晶體體積的百分比。面體半徑來計算出這些硬球所占整個晶體體積的百分比。v因為每個球的體積等于因為每個球的體積等于 ，而每個球所占有的晶體體積為，而每個球所占有的晶體體積為 ，所以所以空間利用率空間利用率等于等于v可見，如可見，如G

13、e、Si等金剛石結(jié)構(gòu)的晶體，體內(nèi)大部分空間是等金剛石結(jié)構(gòu)的晶體，體內(nèi)大部分空間是“空空”的。正的。正因為如此，某些半徑較小的雜質(zhì)原子（如因為如此，某些半徑較小的雜質(zhì)原子（如Cu、Fe、Ni等原子）就可以等原子）就可以較容易地在較容易地在Ge、Si晶體中運動和鑲嵌在這些晶體中運動和鑲嵌在這些“空隙空隙”中。這樣的雜質(zhì)通中。這樣的雜質(zhì)通常為常為間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)。v但是，如果雜質(zhì)原子的半徑較大，或價鍵性決定其不易進(jìn)入晶體間隙中但是，如果雜質(zhì)原子的半徑較大，或價鍵性決定其不易進(jìn)入晶體間隙中（如（如B、P、Sb等等、族雜質(zhì)），顯然，這些雜質(zhì)原子就只有通過與族雜質(zhì)），顯然，這些雜質(zhì)原子就只有通過與基

14、體基體Ge、Si原子互換位置才能進(jìn)入晶體中。這樣的雜質(zhì)通常為原子互換位置才能進(jìn)入晶體中。這樣的雜質(zhì)通常為代位式雜代位式雜質(zhì)。質(zhì)。 334r83a%348333233283433333arar光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v失配因子失配因子=|基體原子半徑基體原子半徑-雜質(zhì)原子半徑雜質(zhì)原子半徑|/基體原子半徑基體原子半徑雜質(zhì)元素NCBPSiAlAsGeGaSbSnInBiPbTl四面體半徑/nm0.0700.0770.0880.1100.1170.1260.1180.1220.1260.1360.1400.1440.1460.1460.147表表

15、1-1常用雜質(zhì)元素的四面體半徑常用雜質(zhì)元素的四面體半徑雜質(zhì)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雜質(zhì)在硅中的失配因子雜質(zhì)在硅中的失配因子光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件4、 摻雜問題摻雜問題 在在Ge、Si晶體中，如果所摻入雜質(zhì)的失配因子較大，則雜質(zhì)將使晶體中，如果所摻入雜質(zhì)的失配因子較大，則雜質(zhì)將使晶格發(fā)生晶格發(fā)生畸變畸變，在晶體中造成較大的應(yīng)力，在高溫下由于晶體內(nèi)摩擦，在晶體中造成較大的應(yīng)力，在高溫下由于晶體內(nèi)摩擦力迅速減

16、小，則晶體原子有可能發(fā)生重新排列以減小應(yīng)力，這就必將力迅速減小，則晶體原子有可能發(fā)生重新排列以減小應(yīng)力，這就必將導(dǎo)致各種導(dǎo)致各種晶體缺陷晶體缺陷的出現(xiàn)。由于這種失配雜質(zhì)的摻入所引起的位錯，的出現(xiàn)。由于這種失配雜質(zhì)的摻入所引起的位錯，稱為稱為失配位錯失配位錯。顯然，失配雜質(zhì)摻入越多，則晶格畸變越大，就越容。顯然，失配雜質(zhì)摻入越多，則晶格畸變越大，就越容易產(chǎn)生晶體缺陷。因此，在易產(chǎn)生晶體缺陷。因此，在Ge、Si晶體中，為保證不致于產(chǎn)生大量的晶體中，為保證不致于產(chǎn)生大量的缺陷，就有一個摻雜濃度的上限。例如，對硅中的缺陷，就有一個摻雜濃度的上限。例如，對硅中的B和和P，摻雜濃度上，摻雜濃度上限分別為限

17、分別為51019/cm3和和51020/cm3 ；但對；但對Si中的中的As，因其失配因子，因其失配因子很小，則此濃度上限可接近其最大固溶度很小，則此濃度上限可接近其最大固溶度51021/cm3 ，所以，在，所以，在Si中摻中摻As不易產(chǎn)生缺陷。不易產(chǎn)生缺陷。 光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v怎樣才能保證在半導(dǎo)體中既要摻雜濃度高又要保持晶體的完整呢？這怎樣才能保證在半導(dǎo)體中既要摻雜濃度高又要保持晶體的完整呢？這就是所謂就是所謂“完美晶體技術(shù)完美晶體技術(shù)”需要解決的一個重要課題。目前，在硅工需要解決的一個重要課題。目前，在硅工藝中所采用的辦法，歸

18、納起來可以有三種：藝中所采用的辦法，歸納起來可以有三種：v（1）用）用As取代取代P和和Sbv（2）四面體半徑大于）四面體半徑大于Si的雜質(zhì)，和四面體半徑小于的雜質(zhì)，和四面體半徑小于Si的雜質(zhì)同時摻入。的雜質(zhì)同時摻入。v（3）P和和As或或B和和As同時摻入。同時摻入。圖1-5 硅晶格常數(shù)隨摻雜濃度的變化光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件1.2 晶向和晶面晶向和晶面v1、晶面的標(biāo)記、晶面的標(biāo)記 如果空間中某一平面與坐標(biāo)軸如果空間中某一平面與坐標(biāo)軸X、Y、Z的截距分別為的截距分別為r、s、t，則，則該平面方程可寫成：該平面方程可寫成： 若令若令 則該

19、平面的方程可換寫成為：則該平面的方程可換寫成為： 可見，某一個平面可完全由其各個截距的倒數(shù)可見，某一個平面可完全由其各個截距的倒數(shù)h、k、l值來決定，值來決定，因此該平面就可以用因此該平面就可以用“h、k、l”這一組數(shù)來標(biāo)記。這一組數(shù)來標(biāo)記。1tzsyrxtlskrh1,1,11lzkyhx光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v2.晶向指數(shù)：晶向指數(shù)： B格子的格點可看成是分列在一系列平行、等距的直線系上，這些格子的格點可看成是分列在一系列平行、等距的直線系上，這些直線系稱為晶列。直線系稱為晶列。 一個無窮大的一個無窮大的B格子，可有無窮多種晶列。格

20、子，可有無窮多種晶列。晶向指數(shù)：晶向指數(shù)：從該晶列通過軸矢坐標(biāo)系原點的直線上任取一格點，把該從該晶列通過軸矢坐標(biāo)系原點的直線上任取一格點，把該格點指數(shù)化為互質(zhì)整數(shù)，稱為晶向指數(shù)，表示為格點指數(shù)化為互質(zhì)整數(shù)，稱為晶向指數(shù)，表示為h,k,l。 B格子的格點還可看成是分列在一系列平行、等距的平面系上，格子的格點還可看成是分列在一系列平行、等距的平面系上，這些平面系稱為晶面系（晶面族）。這些平面系稱為晶面系（晶面族）。 一個無窮大的一個無窮大的B格子，可有無窮多方向不同的晶面系。格子，可有無窮多方向不同的晶面系。 v3.晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）：晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）：光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器

21、件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v晶面表示方法：晶面表示方法：v（1）找出晶面系中任一晶面在軸矢上的截距；）找出晶面系中任一晶面在軸矢上的截距；v（2）截距取倒數(shù)；）截距取倒數(shù)；v（3）化為互質(zhì)整數(shù)，表示為（）化為互質(zhì)整數(shù)，表示為（h,k,l）。）。 （h,k,l）可表示一個晶面系，也可表示某一個晶面。）可表示一個晶面系，也可表示某一個晶面。v注意：注意：化互質(zhì)整數(shù)時，所乘的因子的正、負(fù)并未限制，化互質(zhì)整數(shù)時，所乘的因子的正、負(fù)并未限制，故故100和和100應(yīng)視為同一晶向。應(yīng)視為同一晶向。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v例例1：在立方

22、晶系中，在立方晶系中，100代表代表 100,010,001三個等效晶向。三個等效晶向。v例例2：在立方晶系中，在立方晶系中，100代表代表(100), (010), (001)三個等效晶面族。三個等效晶面族。 有時為了表示一個具體的晶面，也可以不化互質(zhì)整數(shù)。有時為了表示一個具體的晶面，也可以不化互質(zhì)整數(shù)。v例例3：(200)指平行于指平行于(100)，但與，但與a軸截距為軸截距為a/2的晶面。的晶面。v說明：說明：若選用基矢坐標(biāo)系，方法類似，顯然數(shù)值是不同若選用基矢坐標(biāo)系，方法類似，顯然數(shù)值是不同的。的。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料

23、與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件說明：說明：六角晶系的四指數(shù)表示六角晶系的四指數(shù)表示v 以上三指數(shù)表示晶向、晶面原則上適用于任何晶系，但以上三指數(shù)表示晶向、晶面原則上適用于任何晶系，但用于六角晶系有一個缺點：用于六角晶系有一個缺點： 晶體具有等效的晶面、晶向不具有類似的指數(shù)。晶體具有等效的晶面、晶向不具有類似的指數(shù)。v例：例：六棱柱的兩個相鄰的外表面在晶體學(xué)上應(yīng)是等價的，六棱柱的兩個相鄰的外表面在

24、晶體學(xué)上應(yīng)是等價的，但其密勒指數(shù)卻分別為但其密勒指數(shù)卻分別為(100)和和(110)。夾角為。夾角為600的密排的密排方向是等價的，但其方向指數(shù)卻為方向是等價的，但其方向指數(shù)卻為100和和110.v在晶體結(jié)構(gòu)上本來是等價的晶面卻不具有類似的指數(shù)，在晶體結(jié)構(gòu)上本來是等價的晶面卻不具有類似的指數(shù)，給研究帶來不方便。給研究帶來不方便。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v在在1-1中我們已經(jīng)講過中我

25、們已經(jīng)講過, Ge、Si晶體的原子體密度為晶體的原子體密度為8/a3。而。而晶體中每一個原子有晶體中每一個原子有4個共價鍵，因此在單位體積內(nèi)的共價個共價鍵，因此在單位體積內(nèi)的共價鍵數(shù)目鍵數(shù)目鍵的體密度為鍵的體密度為48/a3。v此外，還有必要考察一下此外，還有必要考察一下Ge、Si晶體中主要晶向和晶面的晶體中主要晶向和晶面的原子線密度、面密度和鍵的面密度，因為這些數(shù)值在不同晶原子線密度、面密度和鍵的面密度，因為這些數(shù)值在不同晶向和晶面上的差異是造成晶體各向異性的根本所在。因此下向和晶面上的差異是造成晶體各向異性的根本所在。因此下面先來討論這些問題，然后再說明一些與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的實面先來討論這些

26、問題，然后再說明一些與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的實際問題。際問題。1.3 鍺硅晶體的各向異性鍺硅晶體的各向異性光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件vGe、Si晶體中幾個主要晶向上的晶體中幾個主要晶向上的原子分布情況如圖原子分布情況如圖1-19所示。由此所示。由此可容易求出各個方向上單位長度內(nèi)可容易求出各個方向上單位長度內(nèi)的原子數(shù)目的原子數(shù)目原子線密度如下：原子線密度如下：v1、原子分布和鍵密度的各向異性圖1-19 鍺、硅中常用晶向上原子的分布 aa1212aaa4 . 1222121aaa17.110：111：可見，可見，110方向上的

27、原子線密度最大。方向上的原子線密度最大。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件22241411aa2228 . 22422124142aaa2223 . 23432124142aaa圖圖1-20畫出了鍺、硅晶體的幾個主要晶面上原子分布的情況由此容易計畫出了鍺、硅晶體的幾個主要晶面上原子分布的情況由此容易計算出各個晶面上的原子密度如下：算出各個晶面上的原子密度如下：（110）：）：（111）：）：（100）：）：圖1-20 鍺、硅中常用晶面上原子的分布光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v可見，可見，110面上

28、的原子密度最大。另外，值得注意的是：面上的原子密度最大。另外，值得注意的是：111面上的面上的原子分布是均勻的，每個原子的周圍都等距離地分布有六個原子，這樣原子分布是均勻的，每個原子的周圍都等距離地分布有六個原子，這樣的原子面實際上就是密排面，但應(yīng)注意到其原子密度并不是最大的。的原子面實際上就是密排面，但應(yīng)注意到其原子密度并不是最大的。v雖然雖然110面上的原子密度最大，但是面上的原子密度最大，但是110面之間的作用力卻不是最大，面之間的作用力卻不是最大，下面通過對各主要晶面上鍵密度的計算就可以指出這一點。下面通過對各主要晶面上鍵密度的計算就可以指出這一點。v觀察圖觀察圖1-21，以原子，以原

29、子O為例，當(dāng)它作為為例，當(dāng)它作為（100）面上的原子時，與一側(cè)相鄰的（）面上的原子時，與一側(cè)相鄰的（100）面中的原子面中的原子A、B間有間有2個鍵作用著，與另一個鍵作用著，與另一側(cè)相鄰的（側(cè)相鄰的（100）面中的原子）面中的原子C、D間也有間也有2個個鍵作用著，即（鍵作用著，即（100）面間每一個原子有）面間每一個原子有2個個鍵作用著。而（鍵作用著。而（100）面上的原子密度為）面上的原子密度為2/a2，所以在（所以在（100）面間，單位面積上作用的鍵）面間，單位面積上作用的鍵數(shù)數(shù)鍵的面密度為鍵的面密度為22/a2=4/a2。圖1-21 鍺、硅晶體結(jié)構(gòu)光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件

30、光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v再觀察圖再觀察圖1-21中的原子中的原子O，當(dāng)它作為（，當(dāng)它作為（110）面上的原子時，它與一側(cè)相）面上的原子時，它與一側(cè)相鄰的（鄰的（110）面中的原子）面中的原子B有一個鍵作用著，與另一側(cè)相鄰的（有一個鍵作用著，與另一側(cè)相鄰的（110）面）面中的原子中的原子D也有一個鍵作用著，即（也有一個鍵作用著，即（110）面間每一個原子有一個鍵作用）面間每一個原子有一個鍵作用著。而（著。而（110）面的原子密度為）面的原子密度為2.8/a2，所以（，所以（110）面間的鍵密度為：）面間的鍵密度為：22/8 . 28 . 21aa表表1-41-4晶面的幾種密度分

31、析晶面的幾種密度分析原子線密度原子線密度原子面密度原子面密度鍵的面密度（即晶面間作鍵的面密度（即晶面間作用力的強度）用力的強度）110111100111100110111光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v我們知道，云母可以剝成一層一層的薄片，這就是云母的解理性，我們知道，云母可以剝成一層一層的薄片，這就是云母的解理性，所剝裂出的面就是解理面；當(dāng)然，在剪切力的作用下，層與層之所剝裂出的面就是解理面；當(dāng)然，在剪切力的作用下，層與層之間（即解理面之間）也是容易錯開的，這就是所謂間（即解理面之間）也是容易錯開的，這就是所謂滑移滑移。v一般說來，滑移面或解

32、理面是原子面密度最大的晶面，因為這樣一般說來，滑移面或解理面是原子面密度最大的晶面，因為這樣的晶面其面間距較大，作用力較弱。但是對的晶面其面間距較大，作用力較弱。但是對Ge、Si晶體，雖然晶體，雖然110面的原子密度最大，然而其晶面間的作用力并不是最小。因面的原子密度最大，然而其晶面間的作用力并不是最小。因此，此，Ge、Si晶體的滑移面或解理面不是晶體的滑移面或解理面不是110面，而應(yīng)當(dāng)是鍵密度面，而應(yīng)當(dāng)是鍵密度最小的最小的111面。這已為很多事實所證明，例如當(dāng)弄碎一塊薄面。這已為很多事實所證明，例如當(dāng)弄碎一塊薄Si片片后，斷面往往是很平整的后，斷面往往是很平整的111面。面。v2、鍺、硅晶體

33、中的滑移或解理的各向異性光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v考慮到考慮到Ge、Si的的111面易于裂開這一特點，對指導(dǎo)半導(dǎo)體器件的面易于裂開這一特點，對指導(dǎo)半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)實踐具有重要意義。例如，在用生產(chǎn)實踐具有重要意義。例如，在用100片子制作器件時，管芯片子制作器件時，管芯圖形的排列應(yīng)當(dāng)沿圖形的排列應(yīng)當(dāng)沿方向方向(見圖見圖1-22),因為因為111面與面與100面的面的交線是交線是方向，這樣排列管芯有利于最后劃片時獲得形狀較正方向，這樣排列管芯有利于最后劃片時獲得形狀較正規(guī)的管芯，減少了弄破管芯的可能性，又如，對規(guī)的管芯，減少了弄破管芯的可能性

34、，又如，對111晶片，最好晶片，最好是按圖是按圖1-23排列管芯，即一邊沿著排列管芯，即一邊沿著方向方向,因為因為111面之間的面之間的交線就是交線就是方向，這就可以保證沿方向，這就可以保證沿方向劃片時不易弄碎方向劃片時不易弄碎管芯。值得注意的是，在垂直管芯。值得注意的是，在垂直方向劃片時，劃刀的走向應(yīng)當(dāng)方向劃片時，劃刀的走向應(yīng)當(dāng)按圖按圖1-23所示的箭頭方向進(jìn)行，否則，劃刀相反進(jìn)行的，將易于所示的箭頭方向進(jìn)行，否則，劃刀相反進(jìn)行的，將易于引起晶片沿其它二個引起晶片沿其它二個方向的方向的111面裂開，而造成管芯破碎。面裂開，而造成管芯破碎。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)

35、體器件光電材料與半導(dǎo)體器件圖1-22 100面管芯排列圖1-23 111晶面上管芯的排列v在應(yīng)力的作用下，在應(yīng)力的作用下，Ge、Si晶體將最易沿晶體將最易沿111面發(fā)生滑移，但究竟面發(fā)生滑移，但究竟朝哪個方向最易發(fā)生滑移呢？實踐表明這也是各向異性的，存在朝哪個方向最易發(fā)生滑移呢？實踐表明這也是各向異性的，存在有一個所謂滑移方向，就是有一個所謂滑移方向，就是方向。這是不難理解的，因為方向。這是不難理解的，因為方向上原子的分布最密，原子間的作用必然較強，要沖破這方向上原子的分布最密，原子間的作用必然較強，要沖破這些原子間的聯(lián)系就不容易，所以只有沿該方向滑移時才不需要那些原子間的聯(lián)系就不容易，所以只

36、有沿該方向滑移時才不需要那么大的力。么大的力。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v總而言之，總而言之，Ge、Si晶體的滑移面（解理面）是晶體的滑移面（解理面）是111面，滑移方向是面，滑移方向是。但有必要指出，這里所說的滑移面和滑移方向，是指最容易發(fā)生。但有必要指出，這里所說的滑移面和滑移方向，是指最容易發(fā)生的滑移的晶面和晶向，并不排除沿其它晶面和晶向發(fā)生滑移的可能。例如，的滑移的晶面和晶向，并不排除沿其它晶面和晶向發(fā)生滑移的可能。例如，打碎一塊打碎一塊Ge或或Si單晶時，其斷面不太整齊，這就是證明。單晶時，其斷面不太整齊，這就是證明。v下面我們根

37、據(jù)下面我們根據(jù)Ge、Si晶體滑移的各向異性性質(zhì)，來說明晶體滑移的各向異性性質(zhì)，來說明Ge、Si晶體中的晶體中的棱位錯的某些特點。棱位錯的某些特點。v我們知道，位錯是晶體中發(fā)生不完全滑移的結(jié)果，是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)我們知道，位錯是晶體中發(fā)生不完全滑移的結(jié)果，是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線。圖的交界線。圖1-24中中D點處垂直于紙面的一條線，稱為棱位錯，圖中箭頭點處垂直于紙面的一條線，稱為棱位錯，圖中箭頭表示的是滑移方向?？梢韵胍?，位錯線應(yīng)當(dāng)位于滑移面內(nèi)，而且是沿著原表示的是滑移方向?？梢韵胍姡诲e線應(yīng)當(dāng)位于滑移面內(nèi)，而且是沿著原子密度最大的方向。所以，子密度最大的方向。所以，Ge、Si晶體中的位錯

38、線往往是在晶體中的位錯線往往是在111面內(nèi)，面內(nèi)，而且其方向往往是而且其方向往往是方向。而導(dǎo)致發(fā)生位錯的滑移，其方向如上述也方向。而導(dǎo)致發(fā)生位錯的滑移，其方向如上述也是是方向。由于在同一個面內(nèi)的兩個方向。由于在同一個面內(nèi)的兩個方向，其間夾角為方向，其間夾角為60（見圖（見圖1-17），故），故Ge、Si晶體中的棱位錯線往往與滑移方向互成晶體中的棱位錯線往往與滑移方向互成60夾夾角，因此，就把這種位錯特稱為角，因此，就把這種位錯特稱為“60位錯位錯”。光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v位錯不但可以通過滑移產(chǎn)生，而且也容易通過滑移而發(fā)生運動。位錯不但

39、可以通過滑移產(chǎn)生，而且也容易通過滑移而發(fā)生運動。由于由于Ge、Si晶體中存在有最容易發(fā)生滑移的晶面和晶向，所以晶體中存在有最容易發(fā)生滑移的晶面和晶向，所以Ge、Si晶體中位錯的分布并不雜亂無章，而是有一定規(guī)律的，即位錯線晶體中位錯的分布并不雜亂無章，而是有一定規(guī)律的，即位錯線往往是處于往往是處于111面內(nèi)的面內(nèi)的方向。因此，在晶體的一個表面上方向。因此，在晶體的一個表面上所觀察到的許多位錯的露頭處，將成為有規(guī)律的排列所觀察到的許多位錯的露頭處，將成為有規(guī)律的排列位錯排位錯排，如圖如圖1-25所示。所示。圖1-24 棱位移示意圖圖1-25 晶體表面位錯排的顯示光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體

40、器件光電材料與半導(dǎo)體器件光電材料與半導(dǎo)體器件v一般說來，晶面間的共價鍵密度愈高，則此晶面簇的各晶面連接一般說來，晶面間的共價鍵密度愈高，則此晶面簇的各晶面連接得愈牢，也就愈難被腐蝕掉，因此在該晶面簇的垂直方向上腐蝕得愈牢，也就愈難被腐蝕掉，因此在該晶面簇的垂直方向上腐蝕速度就愈慢。相反，晶面間的共價鍵密度愈低，則該種晶面愈易速度就愈慢。相反，晶面間的共價鍵密度愈低，則該種晶面愈易被腐蝕掉，因此，在該晶面簇的垂直方向上腐蝕速度就越快。由被腐蝕掉，因此，在該晶面簇的垂直方向上腐蝕速度就越快。由表表1-4可知，對可知，對Ge、Si晶體，晶體，111雙層原子面內(nèi)的共價鍵密度最雙層原子面內(nèi)的共價鍵密度最高，其次是高，其