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晶體缺陷簡述(jiǎnshù)精品資料概要引言晶體結(jié)構(gòu)缺陷(quēxiàn)的類型單晶硅中的缺陷(quēxiàn)總結(jié)精品資料一、引言(yǐnyán)固體在熱力學(xué)上最穩(wěn)定的狀態(tài)是處于0K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(zhēnshí)晶體中,在高于0K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。精品資料明顯的缺陷添晶解理開裂無規(guī)則的開裂晶體缺陷精品資料二、晶體結(jié)構(gòu)缺陷(quēxiàn)的類型1、點缺陷(quēxiàn)(零維缺陷(quēxiàn))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)按缺陷的幾何形態(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)。精品資料2、線缺陷(quēxiàn)(一維缺陷(quēxiàn))指在一維方向上偏離(piānlí)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)刃型位錯(Edgedislocation)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)象螺型位錯(Screwdislocation)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)。線缺陷有下面兩種情況:精品資料晶體(jīngtǐ)中的線缺陷KTA晶體(jīngtǐ)的缺陷精品資料3、面缺陷(quēxiàn)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(fēnwéi)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。孿晶界面晶粒間界精品資料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(jīngtǐ)的面缺陷精品資料4、體缺陷(quēxiàn)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(fànwéi)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。精品資料晶體(jīngtǐ)的體缺陷KABO晶體中的缺陷KBBF單晶中的包裹物精品資料按缺陷產(chǎn)生的原因(yuányīn)分類1、熱缺陷(quēxiàn)(本征缺陷(quēxiàn))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。弗侖克爾缺陷離開平衡位置的原子進入晶格的間隙位置,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。精品資料晶體(jīngtǐ)中的熱缺陷弗倫克爾缺陷肖特基缺陷精品資料2、雜質(zhì)(zázhì)缺陷(非本征缺陷)外來原子進入主晶格(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,稱之為固溶體。

雜質(zhì)(zázhì)缺陷對材料性能有比較大的影響。精品資料3、非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)(jiégòu)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)(jiégòu)稱為非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)(jiégòu)缺陷,也稱為非化學(xué)計量化合物。非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)(jiégòu)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;環(huán)境氣氛和壓力的變化。精品資料三、單晶硅中的缺陷(quēxiàn)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(ɡèzhǒnɡ)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,并進一步影響器件的性能。精品資料1、一維的線缺陷(quēxiàn)

精品資料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(zàochénɡ)局部短擊穿。雜質(zhì)沿位錯線擴散最快,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(quēxiàn)和雜質(zhì)。微缺陷(quēxiàn)微缺陷(quēxiàn)是一種硅晶體中偏聚出來的本征點缺陷(quēxiàn)與雜質(zhì)聚集在一起的缺陷(quēxiàn)。精品資料面缺陷晶界在單晶生長時這種缺陷一般是可以避免(bìmiǎn)的,但有時會在外延片中出現(xiàn)。它是硅中最嚴重的結(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)在晶界上擴散也遠遠快于在體材料中。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(quēxiàn)精品資料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(wèntí)。后來由于單晶生長技術(shù)的進步,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(dìfāng)。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。精品資料3、旋渦(xuánwō)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(yóuyú)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)?,F(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。精品資料4、原子級大小(dàxiǎo)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(lǐlùn)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)混合成聚集團所需的鍵合能也跟電荷有關(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行。精品資料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(gāowēn)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)填隙原子團而不存在懸掛鍵。這個自間隙原子團有較高的能量和嫡,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(kěnéng)導(dǎo)致器件在運行中失效。精品資料四、總結(jié)(zǒngjié)通過查閱相關(guān)文獻、書籍以及網(wǎng)絡(luò)資源,分別從幾何形態(tài)和形成原因(yuányīn)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(yuányīn)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)缺陷

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