贗晶生長技術

贗晶體就是晶格存在畸變的晶體。一般,贗晶體是生長在晶格失配(晶格常數不同)的襯底上的薄膜材料。贗晶生長技術是製備高質量的晶格失配異質結的一種重要技術——一種特殊的外延技術。

在外延生長中,當生長層與襯底的晶格常數失配時,則生長層中就存在應力、積累有應變能,並且這種能量隨著生長層厚度的增加而增大;當薄膜生長到某一定厚度時,即將在異質結界面處產生所謂失配位錯,以釋放出積累的應變能。而這些失配位錯對於異質結的電學性能極其有害(因為這些位錯將會導致出現大量表面態——少數載流子的複合中心),因此,為了生長出優質的晶格失配的異質結,就必須控制生長層的厚度,以避免在界面上出現失配位錯。在界面上不出現失配位錯的生長層的最大厚度,是一個重要的工藝控制參量,稱為臨界厚度(當小於此厚度時才不出現失配位錯,否則就將發生晶格弛豫——產生位錯)。這種異質結界面處不出現失配位錯、內部含有應力的薄膜,就稱為應變層,這時薄膜內部的價鍵處於畸變的狀態——晶格發生了彈性應變,存在著應力(壓應力或者張應力)。這種非嚴格完整、而又不是非晶體的薄膜材料——應變層,往往稱為晶體,相應的外延生長即稱為贗形生長或者共度生長
贗晶薄膜的組分不同、襯底的種類不同,外延薄膜中的應變能也將有所不同,從而贗晶膜的臨界厚度也就不一樣。對於在Si襯底上生長的Si(1-x)Ge(x)薄膜,其中Ge的含量x越大,薄膜的臨界厚度也就越小;例如,當x=0.5時,Si(1-x)Ge(x)薄膜的臨界厚度大約只有8nm,如果是純Ge薄膜(即x=1),則臨界厚度就更小(約只有1nm)。
若襯底和外延薄膜的晶格常數分別為a2和a1時,其晶格的失配率則為D=|a1-a2|/a1。例如(室溫),由Si和Ge的晶格常數[a(Si)=5.431埃和a(Ge)=5.658埃],得到D≈ 4.17%。可見,Si/Ge是一種晶格失配較大的異質體系。因此要製作出優質的晶態Si/Ge異質結是相當困難的事。Si(1-x)Ge(x)合金的晶格常數a要比Si的大,並且Si(1-x)Ge(x)薄膜材料的晶格常數幾乎隨著其中Ge含量x的增大而線性地增大:
a(x)= 5.431+(5.658-5.431)x [埃]
則Si(1-x)Ge(x)合金薄膜的晶格失配率D也與其中的Ge含量x近似有線性關係:
D =0.0418 x
由於生長的薄膜與襯底的晶格失配率越大,外延贗晶膜的臨界厚度就必將越薄,因此,臨界厚度t(c)與晶格失配率D之間有一定的關係(經驗關係):
t(c)=a1/2D。例如,當D=2%時,對於a1=5Ǻ的外延贗晶膜,其臨界厚度約為10nm。
總之,通過贗晶生長技術——應變異質外延技術,可以製作出合乎多種套用要求的晶格失配的異質結,這對於拓展半導體材料和異質結的套用範圍以及開發新型器件和電路,都具有重要的意義。

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