半导体单晶生长过程中的位错研究 .pdfVIP

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(CriticalResolvedShearStresS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[18,29]。

晶体与坩埚表面的粘附程度要受到熔体与坩埚表面润湿性质的影响，特别是当晶

体的热膨胀系数比坩埚的热膨胀系数小时，这种影响将更为显著[30]。对不与熔体润

湿的坩埚，生长后的晶体将可能部分，甚至完全与之分离；而如果熔体与坩埚材

料润湿，生长后的晶体将更容易与坩埚发生粘连，无疑这将会产生比前者更大的热

应力。

3.2初始位错密度

长晶过程中，籽晶中的位错会延伸到生长的晶体中去，故它对生长后晶体的位错

密度可能有重要的影响，然而这种影响的程度又与温度边界条件有关。V?lkl[23]在