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半导体单晶生长过程中的位错研究(1)
半导体单晶生长过程中的位错研究
摘要:阐述了现有的半导体单晶位错模型,即临界切应力模型和
粘塑性模型的基本理论及应用状况。分析了熔体法单晶生长过程中影
响位错产生、增殖的各种因素,以及抑制位错增殖的措施。与熔体不
润湿、与晶体热膨胀系数相近的坩埚材料,低位错密度的籽晶可有效
地抑制生长晶体的位错密度;固液界面的形状及晶体内的温度梯度是
降低位错密度的关键控制因素,而两因素又受到炉膛温度梯度、长晶
速率、气体和熔体对流等晶体生长工艺参数的影响。最后,对熔体单
晶生长过程的位错研究进行了展望。
关键词:位错密度;半导体;单晶生长;熔体法
1引言
Si、Ge、GaAs、InP、CdTe、CdZnTe等半导体材料广泛应用于
制作高性能集成电路、场效应晶体管、探测器等光电子器件。大尺寸、
高完整性的单晶体是制备这类材料的首要目标。此类单晶体材料的制
备主要是熔体生长方法,包括提拉法(CZ)[1-3],布里其曼法(BM)[4-
6],垂直梯度凝固法(VGF)[7-9],移动加热器法(THM),区熔法等。为
改进晶体的生长质量,这些生长方法还采用了施加磁场[2]、高压[3]、
加速坩埚旋转(acceleratedcruciblerotationtechnique,简称
ACRT)[4,5]、蒸汽压控制[10,11]、微重力等技术来优化温度场和熔体
对流场。位错是熔体定向凝固法生长单晶体过程中不可避免缺陷之一,
特别是对于化合物半导体,由于晶体的生长温度高、热导率低,临界
切应力较小,在热应力的作用下晶体更容易发生塑性变形,产生高密
度位错。熔体法生长晶体过程中,位错产生的原因是[12]:(1)轴向温
度梯度和径向温度梯度引起的热应力;(2)对于晶体-坩埚接触的生长系
统,晶体与坩埚的热膨胀系数不同,也会造成热应力的产生;(3)空位、
杂质偏析、沉淀相等缺陷引起晶格不匹配,从而造成局部应力集中。
热应力是位错产生的主要因素,在应力的作用下,位错会发生运动和
增殖。
本文拟阐述现有的半导体单晶位错模型,分析晶体生长过程中影
响位错产生、增殖的各种因素,以及抑制位错增殖的措施.
2单晶位错研究模型
对半导体单晶位错的产生与增殖研究,其数学物理模型主要有基
于热弹性理论的临界切应力模型,即CRSS(CriticalResolvedShear
Stress)模型[1,2,13-18]和考虑晶体高温塑性变形的粘塑性模型
(Visco-plasticityModel)[3,19-26]。
2.1临界切应力(CRSS)模型
2.2粘塑性模型
实际的晶体生长过程还应该考虑到材料的塑性形变。早在20世纪
60年代,Haasen就在实验观测的基础上提出了可以用来描述Si、Ge
等元素半导体中位错运动、位错增殖、位错间的相互作用的连续体粘
塑性模型。此模型应用著名的Orowan关系—塑性应变率、位错增殖
率、施加的应力及位错密度之间的关系,定量地描述塑性形变引起的
晶体内某一滑移系统的位错运动和增殖行为.
2.3两种理论模型的比较
CRSS模型简单直观,建立了宏观场与位错分布的关系,可以方便
地讨论晶体生长参数对热应力的影响,但此模型没有考虑晶体高温塑
性变形对晶体内应力的影响,也没有考虑位错运动、位错增殖、位错
间相互作用等行为,没能建立出应力场与位错密度的定量关系。粘塑
性模型考虑了上述影响因素,建立了形变率与位错密度的定量关系,
但是此模型考虑的因素较多,比较复杂。
3位错密度的影响因素分析
减小位错的方法之一是掺入杂质提高晶体的CRSS。实验证明
[9,27],通过适度地掺杂确实可以生长出低位错密度的晶体。用粘塑性
模型进行的此方面的数值模拟也得到与实验符合
得很好的结果[28]。减小位错的另一方法就是分析晶体生长条件,
探讨抑制位错增殖的晶体生长控制参数.
3.1晶体与坩埚的接触特性
晶体与坩埚接触是BM、VGF法生长晶体的一个显著特点。与非
接触相比较,由于热膨胀系数的差异,晶体与坩埚的粘附接触将使晶
体内部产生更大的热应力,选用与晶体热膨胀系数相近的材料做坩埚,
是解决这一问题的有效措施[1
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