7 异质外延生长.ppt

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1、第七章异质外延生长§7.1异质外延的基本概念与应用简介§7.2晶格失配与应变7.1异质外延的基本概念与应用简介异质外延:不同材料之间的外延生长.GaAsAlxGa1-xAsx和1-x分别代表Al和Ga的相对含量AlAs:0.5661nm;GaAs:0.5654nm;AlxGa1-xAs:介于两者之间.基本概念异质外延能够形成自然界中没有的人工结构材料.在半导体应用中，异质外延材料的选择是根据其能隙和晶格匹配来决定的.对光学应用，还需要考虑光子跃迁方式.GaAsSi立方结构六方结构位于同一垂直线上的两种材料提供了进行晶格匹配异质外延生长的机会.电流增益（共基极）：注入效率(发射极)：对于突

2、变结，因此要求ND/NA远大于1。但重掺杂发射区发射结电容较大，不利于高频和大电流应用。若采用异质结,发射区采用能带带隙较宽的材料（带隙增大ΔEg），相对与原来的同质结npn晶体管：室温下，禁带宽度差0.1eV，注入电子和注入空穴的比值增大约320倍。异质结双极晶体管(HBT)用2DEG作沟道取代n型掺杂沟道；1-50GHzband.；高跨导、高截至频率、低噪声.高电子迁移率晶体管(HEMT)GaAsHEMT直接广播卫星(DBS)InPHEMTLNAGaNHEMT功率放大器异质结太阳能电池异质结发光二极管假定衬底和外延薄膜都具有立方结构，晶格常数分别为as和ae外延薄膜可以是应变的(也称

3、为赝晶体)，也可以是未应变的(也称为弛豫).定义失配应变：f>0,张应变f<0,压应变(a)赝晶体晶体从立方晶体向非立方晶体结构转变，称为四方畸变.生长平面内的应变：垂至于生长界面上的应变：四方畸变：7.2晶格失配、应变与驰豫晶格失配:晶格常数之差的百分率.AlAs/GaAs：晶格失配很小，采用合金组分甚至可以小于0.1%;Ge/Si:aGe:0.5646nm,aSi=0.5431nm;晶格失配约为4％，常用合金组分的外延生长GexSi1-x/Si.(b)(部分)弛豫通过失配位错消除晶格失配.a=ae,外延层是未应变的.生长平面内的应变:晶格弛豫应变的和弛豫的材料在电学性质上存在极大的差

4、异.由于位错会破坏电子的输运,所以当外延层中的位错密度与电子的平均自由程处于同一量级或更高时,会严重影响电荷的输运.一般地,失配位错在界面均匀分布,失配位错的平均间距S取决于失配f的大小,通常具有as/f的数量级.例:f=1%,as=0.4nm,S=40nm通常电子级纯度的半导体材料中，电子平均自由程为100nm,可见,晶格失配f为1%时,在晶格常数为0.4nm的衬底上,弛豫外延层中的位错会严重影响电荷的输运.研究晶格失配半导体系统的目的就是要生长只含有最小位错密度的赝晶体薄膜.应力-应变F尺寸：l×W×t其中，Y是杨氏模量；ν是泊松比，一般为正值且小于1/2。应力：应变：在外力F的作用

5、下，薄膜发生形变。σxσy薄膜应力起源：固有应力－来源于薄膜中的缺陷，如位错。非固有应力－主要来源于薄膜对衬底的附着力。在平面上淀积的薄膜由于不同的热膨胀系数而承受的应力是双轴的。垂直于薄膜表面的方向上没有应力，可在该法线方向却存在应变。应力与应变的关系：各向同性：单位面积的应变能：在弹性近似中，应变能正比于应力和应变量的乘积。对于立方晶体，单位体积的应变能：异质外延层中的应变能外延生长时由于原子晶格失配引起的应变能可以稳定亚稳相。在位错滑移系统无效或位错成核困难的外延结构中弹性限度被极大扩散，应变能可以提高两个数量级。例：在Si(100)表面上生长一层Ge原子层(h=0.141nm)，

6、B=2.31×1011N/m2，ε=0.04，每个原子的应变能为0.047eV/原子。上式中，ε//为相干应变，h为薄膜厚度，常数B是弹性常数的复杂函数，取决于晶体的对称性和生长方向。失配位错的弹性能位错距离：在部分弛豫的薄膜中，失配位错的空间距离为若ε//=f，则系统是赝晶体，位错空间距离为无限大；若ε//=0，则系统完全弛豫，位错的空间距离S=b/f；若系统是部分弛豫的，则位于两者之间。b部分弛豫的系统位错能面密度为：其中，μ是切变模量；b是位错的伯格斯矢量，一般取晶格常数a；r是弹性应力场作用的距离；B1是测量位错核能的因子，一般取为1；d为薄膜厚度。在实际系统中，x和y方向上的相

7、互垂直的刃位错的位错相互独立，位错能面密度为：将环绕失配位错的一个圆环从顶部切开并插入宽度为b的一层原子面。单位长度位错的弹性能为：赝晶体的外延薄膜的临界厚度(Matthew-Blakeslee模型)对于处于任意应变状态的赝晶体外延薄膜系统，其应变能和位错能之和为：随着薄膜厚度的增加，应变能Ee上升很快，存在某一个厚度使得系统从能量角度来看倾向于生成位错来减小应变能，该未出现位错外延层的最大厚度称为临界厚度。临界厚度：dc/nm在h