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(diǎn)陣排列。實(shí)際的真實(shí)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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。 明顯的缺陷添晶解理開裂無規(guī)則的開裂晶體

2、缺陷二、晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型1、點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)位置之間的間隙位置，成為填隙原子（離子）；空位：正常結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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)分類按缺陷的幾何形態(tài)分類點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高

3、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(yùn)動與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。線缺陷有下面兩種情況：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

4、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(diǎn)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

5、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(dú)立王國。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

6、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(diǎn)（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(diǎn)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(diǎn)晶體體積膨脹，密度下降。弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷 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(diǎn)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?yàn)槌霈F(xiàn)空位而產(chǎn)生

7、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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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，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(jì)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(jì)量關(guān)系的準(zhǔn)則，即同一種物質(zhì)的組成可以

8、在一定范圍內(nèi)變動。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)稱為非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷，也稱為非化學(xué)計(jì)量化合物。非化學(xué)計(jì)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(jì)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(diǎn)缺陷串或雜質(zhì)和點(diǎn)缺陷分凝沉淀的聚合體；原子級大小的點(diǎn)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(diǎn)上或間

9、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(kuò)散最快，尤其重金屬。 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(diǎn)缺陷與雜質(zhì)聚集

10、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(kuò)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?yàn)镸OS是不依賴擴(kuò)散的結(jié)。2、二維的面缺陷 孿晶和堆垛層錯在單

11、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(jī)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)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(diǎn)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(diǎn)

12、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(jī)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(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷僅由空位形成的點(diǎn)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

13、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(fèi)米能級和溫度有關(guān)。 形成缺陷的能量和它們運(yùn)動所需的激活能均與它們的帶電狀態(tài)有關(guān)。點(diǎn)缺陷要形成一串，或與雜質(zhì)混合成聚集團(tuán)所需的鍵合能也跟電荷有關(guān)，這就使得硅中本征點(diǎn)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

14、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(qiáng)擴(kuò)散的新現(xiàn)象。當(dāng)電流輸進(jìn)時，缺陷運(yùn)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(yùn)動激活能，從而加速了缺陷的運(yùn)動。本征點(diǎn)缺陷易與雜質(zhì)形成微缺陷而影響硅的性能。復(fù)合增強(qiáng)擴(kuò)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(yùn)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(diǎn)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(jì)量結(jié)構(gòu)缺陷（非整