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词条 赝晶生长技术
释义

赝晶体就是晶格存在畸变的晶体。一般,赝晶体是生长在晶格失配(晶格常数不同)的衬底上的薄膜材料。赝晶生长技术是制备高质量的晶格失配异质结的一种重要技术——一种特殊的外延技术。

在外延生长中,当生长层与衬底的晶格常数失配时,则生长层中就存在应力、积累有应变能,并且这种能量随着生长层厚度的增加而增大;当薄膜生长到某一定厚度时,即将在异质结界面处产生所谓失配位错,以释放出积累的应变能。而这些失配位错对于异质结的电学性能极其有害(因为这些位错将会导致出现大量表面态——少数载流子的复合中心),因此,为了生长出优质的晶格失配的异质结,就必须控制生长层的厚度,以避免在界面上出现失配位错。在界面上不出现失配位错的生长层的最大厚度,是一个重要的工艺控制参量,称为临界厚度(当小于此厚度时才不出现失配位错,否则就将发生晶格弛豫——产生位错)。这种异质结界面处不出现失配位错、内部含有应力的薄膜,就称为应变层,这时薄膜内部的价键处于畸变的状态——晶格发生了弹性应变,存在着应力(压应力或者张应力)。这种非严格完整、而又不是非晶体的薄膜材料——应变层,往往称为赝晶体,相应的外延生长即称为赝形生长或者共度生长

赝晶薄膜的组分不同、衬底的种类不同,外延薄膜中的应变能也将有所不同,从而赝晶膜的临界厚度也就不一样。对于在Si衬底上生长的Si(1-x)Ge(x)薄膜,其中Ge的含量x越大,薄膜的临界厚度也就越小;例如,当x=0.5时,Si(1-x)Ge(x)薄膜的临界厚度大约只有8nm,如果是纯Ge薄膜(即x=1),则临界厚度就更小(约只有1nm)。

若衬底和外延薄膜的晶格常数分别为a2和a1时,其晶格的失配率则为D=|a1-a2|/a1。例如(室温),由Si和Ge的晶格常数[a(Si)=5.431埃和a(Ge)=5.658埃],得到D≈ 4.17%。可见,Si/Ge是一种晶格失配较大的异质体系。因此要制作出优质的晶态Si/Ge异质结是相当困难的事。Si(1-x)Ge(x)合金的晶格常数a要比Si的大,并且Si(1-x)Ge(x)薄膜材料的晶格常数几乎随着其中Ge含量x的增大而线性地增大:

a(x)= 5.431+(5.658-5.431)x [埃]

则Si(1-x)Ge(x)合金薄膜的晶格失配率D也与其中的Ge含量x近似有线性关系:

D =0.0418 x

由于生长的薄膜与衬底的晶格失配率越大,外延赝晶膜的临界厚度就必将越薄,因此,临界厚度t(c)与晶格失配率D之间有一定的关系(经验关系):

t(c)=a1/2D。例如,当D=2%时,对于a1=5Ǻ的外延赝晶膜,其临界厚度约为10nm。

总之,通过赝晶生长技术——应变异质外延技术,可以制作出合乎多种应用要求的晶格失配的异质结,这对于拓展半导体材料和异质结的应用范围以及开发新型器件和电路,都具有重要的意义。

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更新时间:2024/12/23 9:35:41