讲述了晶体应变技术的含义。并且用文字详尽的描述了晶体应变技术的应用并分为晶格失配异质结的制作、晶格失配异质结的外延生长可以有两种情况、晶格应变可以提高载流子迁移率进行分析。

基本概念

应用

基本概念

晶体应变技术就是在晶体中人为地引入应力、使晶格发生一定畸变的一种现代科学技术。

应用

对于电子科学技术而言，晶体应变技术主要是在两个方面有着重要的应用：一是制作晶格失配的异质结的需要（这是发展HBT等异质结器件的必备条件），二是为了提高半导体晶体中载流子的迁移率（这是发展场效应器件及其IC的一种重要而有效的新技术）。这些方面都是微电子技术迅速发展的、极其活跃的重要领域，甚至对于光电子技术的发展也具有重要意义。

（1）晶格失配异质结的制作：

由两种晶格常数不相等（晶格失配率大于1%）的晶体所构成的突变异质结即称为晶格失配的异质结。例如Si/Ge和Si/SiGe异质结就属于晶格失配的异质结（因为Si和Ge的晶格常数相对差别超过4%）。这是一种非理想的异质结，在异质结的界面附近处将会出现晶格缺陷（如失配位错）、及其相应的局域能级（这些局域能级可认为是集中分布在界面处，并可近似地看作为界面态）。而这些界面态对异质结电学性能的影响极其有害，所以需要尽量设法减少或消除它们；因为界面态的主要来源是由于晶格失配而产生的缺陷——失配位错所致，所以，就应该着眼于在异质结制备过程中如何防止在异质界面出现失配位错。为了不产生失配位错，就发展出了所谓应变外延技术来制备异质结，即利用晶格存在畸变的薄应变层来过渡、通过弹性调节来避免晶格突变（中断）的一种晶体生长技术。

晶格失配异质结的外延生长可以有两种情况

（a）生长层比较厚、界面处存在失配位错的情况（这种较厚的晶格失配生长层称为弛豫层），例如在Si或Ge的晶体衬底上生长较厚的SiGe膜时即如此；

（b）生长层比较薄、界面处不存在失配位错的情况（这种较薄的失配生长层称为应变层），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）。可见，为了避免在界面上出现失配位错，就应该控制外延生长层的厚度，使得不要超过某一定的临界厚度（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而由应变层转变为弛豫层）；在应变层中的晶格是畸变的，其中存在着较高的应变能，这种非严格完整、而又不是非晶体的薄膜材料，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）。Si和Ge晶体的晶格常数相差较大（a(Si)=5.431埃，a(Ge)=5.658埃），晶格失配率D≈ 4.17%，因此Si/Ge是一种晶格失配较大的体系。故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Si1-xGex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，为（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。

（2）晶格应变可以提高载流子迁移率：

因为载流子的迁移率与遭受散射的几率和有效质量成反比，所以，只要是能够减小散射几率和降低有效质量的措施，就都可以提高载流子的迁移率。在晶体中引入应变，即是其中的一种重要措施，并且该措施在改善微电子器件性能、发展微电子技术上具有重要的应用价值。

通常的能带结构是完整晶体的能带。当在晶体中存在应变时，晶格即发生畸变，并使能带结构变化，从而影响到载流子的散射几率和有效质量。实验发现晶格应变可以减小载流子的散射几率和有效质量，故能够提高迁移率。