半导体单晶生长过程中的位错研究(1)

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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、Cd

2、ZnTe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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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CZ法生长InP的研究中讨论了这种影响关系，其结果如图1所示。12/18热边界条件下，生长晶体中的位错密度基本不随初始位错密度的增加而变化；而在30