应变锗的结构参数

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导纳谱研究锗硅单量子阱的退火效应

导纳谱研究锗硅单量子阱的退火效应

第19卷第1期 半 导 体 学 报 V o l.19,N o.1 1998年1月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S Jan.,1998 导纳谱研究锗硅单量子阱的退火效应3柯 炼 林 峰 张胜坤 谌达宇 陆 王 迅(复旦大学应用表面物理国家重点实验室 上海 200433)摘要 利用导纳谱研究了锗硅单量子阱的热稳定性.导纳谱热发射模型的理论模拟和深能级缺陷研究表明:在900℃以下退火10分钟,晶格弛豫并不明显,但原子的互扩散引起量子阱中子能级严重降低.同时,我们计算出了原子的互扩散系数,以及单量子阱Si Si0.75Ge0.25 Si中原子互扩散的热激活能1108eV.PACC:0750,6822,0365,7340L1 引言由于应变以及锗的组分都能改变锗硅合金层的能带结构,所以应变的锗硅量子阱在微电子和光电子器件方面具有广阔的应用前景[1].然而,量子阱的热稳定性是材料生长和器件制备时所遇到的一个重要问题.在高温环境下,异质结界面成分的互扩散将影响界面的陡峭性;应变弛豫将引入位错缺陷.在一定条件下,这两大因素互相联系,增加了对其进行研究的难度.X射线[2,3],卢瑟福背散射[4,5]以及RAM AN光谱[6]都是研究此系统热稳定性的良好手段.但是,它们需要样品的结构是超晶格或异质结.这与器件应用中所感兴趣的单量子阱结构还存在一定的差别.由于此体系为间接带隙,用PL谱来研究单量子阱结构的热稳定性[7,8]要求晶体的质量较高和测试温度较低.八十年代后期,L ang等人将导纳谱移植于半导体锗硅异质结能带偏移的测量[9].在本文中,我们首次用导纳谱的载流子热发射模型[10]来研究单量子阱的退火效应,发现了扩散引起重空穴基态子能级变小,子能级上空穴浓度减小.根据子能级上空穴的激活能,我们估算出了扩散系数以及其热激活能.2 测试原理在零偏压条件下,量子阱靠近肖特基势垒区,耗尽区势垒将由量子阱势垒和肖特基势垒共同形成.当测试的交流信号频率较高,并且温度较低时,阱中空穴浓度的变化将跟不上高频测试信号的变化.此时,越过势垒的空穴由阱中子能级上空穴的发射频率决定.由热发射模型[10],样品的交流电导G和电容C为: 3本课题得到国家自然科学基金部分赞助柯 炼 复旦大学物理系凝聚态物理硕士王 迅 博士导师,复旦大学应用物理国家重点实验室教授1997206202收到,1997207227定稿G =e p Ξ2e 2p +Ξ2Β(1)C =e 2p e 2p +Ξ2Β+C 0(2)其中 Β是与阱中子能级上空穴浓度有关的参数;Ξ为测试频率;C 0是低温时的电容,由于低温时量子阱中的空穴几乎被“冻结”住,C 0主要是肖特基势垒电容.e p 是量子阱中子能级上空穴的发射率,从阱中载流子的发射和俘获间的细致平衡关系推导出[11]:e p =ΑT 1 2exp -E a kT )(3)其中 E a 为激活能,对应于基态子能级至势垒的能级差;Α是与温度T 无关的常数,k 为玻尔兹曼常数.在低温端e p →0时,电导G l →0,电容C l →C 0;在高温端e p µΞ时,电导G h →0,电容C h →C 0+Β.如果把电容和电导视为温度的函数,C 2T 曲线上会出现平台,G 2T 曲线上会出现峰值.在导纳谱的峰值处,G m ax Ξ=Β2=C h -C l 2=∃C 2(4)Ξ=e p (T m )=ΑT 1 2m exp (-E akT m (5)3 实验结果与讨论3.1 样品生长及处理A 、B 样品是用分子束外延方法在电阻率为01018・c m 的P 型Si (100)衬底上生长的单量子阱,生长温度为550℃,缓冲层硅层厚度为200~250nm ,盖帽硅层厚度为300nm .A 样品的阱宽为15nm ,阱中Ge 的组分为0125,B 样品的阱宽为7nm ,阱中Ge 的组分为013.A 样品分割成小片后放于预热的石英舟上,然后被迅速推入有氮气保护的管状退火炉中进行一次性退火,退火时间为10分钟,退火温度分别为700、800和900℃;B 样品分割成小片后,恒温900℃,进行10、20、30和40分钟退火.未退火和退火后的样品背面蒸铝形成欧姆接触,正面蒸铝形成肖特基接触.3.2 导纳谱测试图1是不加偏压时未退火B 样品在不同测试频率下的导纳谱和C 2T 谱.在低温和高温端,电容曲线出现平台.随着测试频率提高,导纳谱的峰位向高温端移动.这是由于在高频条件下,量子阱中子能级上的空穴需要更高的温度才能满足向外的发射率e p (T m ).但是,导纳谱的峰高在不同测试频率下基本相等,且近似等于高温端电容与低温端电容差的一半.根据(5)式,我们从ln (Ξ T 1 2m )-(1T m )图可以得到阱中空穴的激活能.实验测得未退火A 、B 样品的激活能分别为01205eV ,01232eV (见图2).用有限深方势阱模型来模拟价带势能的形状,通过求解薛定谔方程,未退火A 样品基态重空穴的激活能为01207eV ,轻空穴的激活能为01201eV ,未退火B 样品基态重空穴的激活能为01239eV ,轻空穴的激活能为01218eV .这说明空穴主要是从基态重空穴上发射的.理论值与实验值的相对偏差在215%之内,这说明理论模型是正确的.这里我们参考了价带偏移∃V =0184x eV ,x 为锗的组分,空穴的有效质量为m (x )=m Si (1-x )+m Ge x .硅锗重空穴的有效质量分别为015m 0、013m 0;硅锗轻空穴的有效质量分别为0116m 0、01044m 0,m 0为电子的有效质量.761期 柯 炼等: 导纳谱研究锗硅单量子阱的退火效应 图1 未退火单量子阱B 样品的导纳谱及C 2T 谱阱中锗的组分为x =013,阱宽为L w =7nm ,测试频率a:1M H z,b:500kH z,c:300kH z,d:100kH z.图2 a :未退火单量子阱A 样品的激活能为0.205eV ;b :未退火单量子阱B 样品的激活能为0.232eV3.3 退火后晶体的质量图3 未退火单量子阱B 样品的导纳谱及C 2T 谱测试频率为100kH z ,实线为实验曲线,虚线为模拟曲线.图4 恒温900℃退火10分钟后B 样品的导纳谱及C 2T 谱测试频率为1M H z ,实线为实验曲线,虚线为模拟曲线.在高温退火过程中,应变弛豫和扩散都可能发生.而实际退火过程中,应变弛豫量取决于退火时间、退火温度以及未退火样品中晶格共格的好坏.如果退火时间短,退火温度低,合金层中晶格共格得好,应变弛豫量就小.应变弛豫会引入位错缺陷,降低晶体的质量,而缺陷深能级上的空穴发射将使导纳谱的理论曲线与实验曲线不符.图3和图4分别是未退火和恒温900℃退火10分钟后B 样品的导纳谱和C 2T 谱实验86 半 导 体 学 报 19卷曲线和模拟曲线.在所感兴趣的温度范围内,理论曲线与实验曲线符合得很好.这说明退火后样品的质量还是相当好的.由于肖特基势垒电容受温度的影响,C 2T 谱的理论曲线与实验曲线在低温端和高温端存在细微的差异.肖特基势垒的漏电流随温度升高而变大,故在高温端,导纳谱的理论曲线与实验曲线存在较大的差别.我们用深能级瞬态谱也没有发现位错缺陷深能级上的空穴发射.因此,我们认为应变弛豫量很小,可忽略其影响.3.4 扩散效应量子阱界面处Ge 和Si 原子的互扩散使合金层中锗的组分变小,量子阱的阱深减小,阱中子能级上空穴的激活能会随之减小.A 样品恒温700、800和900℃退火10分钟后的激活能分别为01193、01149和01130eV ;B 样品恒温900℃,退火10、20、30分钟和40分钟后的激活能分别为01217、01202、01190和01182eV .图5是未退火和退火处理后的A 样品在同一测试频率条件下的导纳谱.随着退火温度升高,锗原子和硅原子的互扩散系数增大,阱中锗的组分变小,再加上阱变宽,子能级上空穴的激活能要减小,所以导纳谱的峰位向低温端移动.我们从图4中还可以看到导纳谱的峰高随退火温度升高而降低.这是由于退火后量子阱对空穴的束缚效应减弱,所以子能级上空穴的浓度减小.我们由(4)式可知导纳谱的峰高会随子能级上空穴的浓度减小而降低.在同一退火温度条件下,退火时间延长,阱中锗的组分减小,子能级上空穴的激活能以及空穴的浓度都会减小,因此,图6与图5有相同的变化趋势.图5 在测试频率为5M H z ,退火时间为10分钟条件下,不同退火温度A 样品的导纳谱A 样品的阱宽L w =15nm ,锗的组分x =0.25,a :未退火,b :700℃退火,c :900℃退火图6 恒温900℃退火不同时间后B 样品的导纳谱测试频率为1M H z,a:未退火,b:退火10分钟,c:退火20分钟,d:退火40分钟3.5 拟合扩散系数及其热激活能锗原子和硅原子的互扩散系数随温度的变化满足关系:D =D 0exp -E gkT (6)式中 D 0为温度无穷大时扩散系数的表观值;E g 为原子互扩散过程中的热激活能.为了计961期 柯 炼等: 导纳谱研究锗硅单量子阱的退火效应 算的简便,我们假设量子阱界面处的扩散各向均匀,扩散系数与锗的组分无关.我们首先设定扩散系数的初始值,由未退火样品中锗组分的分布,通过求解一维扩散方程n (z ,t +∃t )=n (z ,t )+D {n (z +∃z ,t )+n (z -∃z ,t )-2n (z ,t )}∃t(∃z )2(7)可得扩散后锗组分的分布.n 为锗组分;∃t 取1秒;z 为生长方向;∃z 取原子量级.然后,我们求解一维薛定谔方程得扩散后基态重空穴的激活能,比较理论值与实验值,逐步修改扩散系数,最终使理论值与实验值的误差在1m eV 之内.我们从图7中可发现,随着退火时间的延长,B 样品的扩散系数逐渐降低.这说明合金层中锗的组分对扩散系数有较大的影响.因为应变弛豫和扩散都能降低子能级上空穴的激活能,如果忽略应变弛豫的影响,扩散就会被夸大,拟合出的扩散系数应比实际的大.而实际上,随着退火时间的延长,阱中锗的平均组分会降低,扩散系数因此而减小.为了减小应变弛豫和锗组分变化的影响,我们选取退火时间10分钟,退火温度700~900℃,从图8中得到A 样品扩散系数的热激活能1108eV .有文献报道,扩散系数的热激活能为2~5eV [2,4,5],也有报道为015~115eV [3].比较他们样品中锗的组分,我们可以发现,虽然有例外,但总的趋势是如果锗的组分小,扩散系数的热激活能就大.图7 B样品的扩散系数随退火时间的变化图8 A 样品的扩散系数随温度的变化关系A 样品扩散系数的热激活能为1108eV .4 总结(1)我们从导纳谱热发射模型的理论模拟和深能级瞬态谱实验结果发现,900℃以下退火10分钟的样品没有明显的应变弛豫.(2)在900℃以下退火10分钟,由于原子的互扩散以及量子阱界面展宽,子能级上空穴的激活能变小,量子阱的束缚效应减弱,阱中空穴浓度降低.(3)在900℃以下退火40分钟,我们还发现合金层中锗的组分变小,扩散系数变小.(4)根据不同退火温度的扩散系数,我们求得锗组分为0125,阱宽15nm 的单量子阱中原子的互扩散系数及其热激活能1108eV .07 半 导 体 学 报 19卷致谢 非常感谢王杰老师,靳彩霞,凌震同学在工作过程中给予的帮助.参考文献[1] P.A.So ref,P roc .IEEE.,1993,81:1687.[2] S .J.Chang,K.L.W ang,R.C.Bowm an et a l .,A pp l .Phys .L ett .,1989,54(13):1253.[3] J.M.Baribeau,R.Pascual and S .Sai m o to,A pp l.Phys .L ett .,1990,57(15):1502[4] B .Ho llander ,R .Butz and S .M antl ,Phys .R ev .,1992,B 46:6975.[5] M .L .Green ,B .E .W eir ,D .B rasen et al .,J .A pp l.Phys .,1991,69(2):745.[6] 刘晓晗,黄大鸣,王东红,等,半导体学报,1996,17:552.[7] H .Sunam ura ,S .Fukatsu ,N .U sam i et a l .,A pp l .Phys .L ett .,1993,63(12):1651.[8] H iro sh i Sunam ura ,Sus m n Fukatsu ,N o ritaka U sam i et a l .,Jpn .J .A pp l .Phys .,1994,33:2344.[9] D .V .L ang ,M .B .Panish ,F .Capasso et a l .,A pp l .Phys .L ett .,1987,50:736.[10] F .L u ,J .J iang ,H .Sun et al .,Phys .R ev .,1995,B 51:4213.[11] N .D ebber ,D .B is w as and P .Bhattacharya ,Phys .R ev .,1989,B 40:1058.Annea l i ng Effects of Si Si 1-x Ge x Si Si ngle Quan tu m W ellsStud ied by Ad m ittance SpectroscopyKe L ian ,L in Feng ,Zhang Shengkun ,Chen D ayu ,L u Fang and W ang Xun(P hy sics D ep art m en t ,F ud an U iversity and S ta te L ab .of A pp lied S u rf ace P hy sics ,S hang ha i 200433)R eceived 2June 1997,revised m anuscri p t received 27July 1997Abstract T he structu ral therm al stab ility of Si Si 1-x Ge xSi single quan tum w ells has been investigated by adm ittance sp ectro scop y .T he therm al em itting m odel cu rve of adm it 2tance sp ectro scop y and the exp eri m en tal resu lts of deep 2level tran sien t sp ectro scop y sug 2gest that the strain relaxati on is no t obvi ou s under the conditi on of 900℃10m inu tes ther 2m al annealing .How ever ,the subband sharp ly decreases due to the atom in terdiffu si on .T he exp eri m en tal resu lts also show that the activati on energy is 1.08eV ,w h ich associatesw ith in terdiffu si on in Si Si 0.75Ge 0.25Si quan tum w ell .PACC :0750,6822,0365,7340L 171期 柯 炼等: 导纳谱研究锗硅单量子阱的退火效应 。

CASTEP简单计算 演示文稿 (2)

CASTEP简单计算 演示文稿 (2)

在 CASTEP Calculation 对 话 框 中 , 选 择 Properties 标 签 。 选 择Phonons。再选择Both,要求 计 算 Density of states 和 dispersion。
单击 More... 按钮, 显示 CASTEP Phonon Properties Setup 对话框。 确定下列选择已完成 * Method 为 Linear response * Use interpolation 已勾选 * q-vector grid spacing for interpolation = 0.05 1/Å. 设置 Dispersion 和 Density of states 的计算精度为 Fine。 关闭对话框。
查看Ge晶体的电子自旋,正 确设置晶体的自旋态。 如图,选中一个Ge原子。
按右图所示步骤, 得知Ge的自旋态 =1。所以后面计 算不用设置自旋 极化。
现在开始使用CASTEP来优化锗的几何结构。
从 工 具 栏 中 选 择 CASTEP 工

, 然后选中
Calculation。或从菜单栏 中 选 择 Modules | CASTEP | Calculation , 打 开
CASTEP Calculation 对 话 框。
几何优化的默认值不包括对单胞的优化。 在Setup标签上,把Task从Energy改为 Geometry Optimization,把Functional改为 LDA。
在CASTEP Geometry Optimization 对 话 框 中 , 按 下 More... 按 钮 , 勾 选 上 Optimize Cell。
于每一种应变模式,都有一个计算出的应力的总结(由各自的.castep文件得 到)。

SiGe-HBT基本特性

SiGe-HBT基本特性

SiGe HBT 基本特性1 SiGe 材料特性及发展2直流特性3频率特性1 SiGe 材料特性及发展在常温下,Ge 的晶格常数是0.5658nm ,Si 的品格常数0.5431nm ,晶格失配为4.17%。

这是一个比较大的晶格失配率,所以在高温处理过程中很容易发生晶格驰豫现象。

但如果SiGe 外延层的厚度小于临界厚度,它与Si 衬底的晶格失配可以通过弹性形变来化解,而且几乎没有失配位错的形成(赝晶生长)。

图2-a 硅上赝晶生长的1x x Si Ge 的临界厚度与锗组分的关系图2-b 硅上赝晶生长的1x x Si Ge -及无应变SiGe 的能隙随合会组分变化的关系SiGe 合金的晶格常数近似可以用下式表示:1()()[()()]x x a Si Ge a Si x a Ge a Si -=+-SiGe 合金的品格常数和禁带宽度与Ge 的含量有关,通过调节Ge 的含量可以改变合会的禁带宽度。

由于Si 和Ge 的品格常数不同,生长稳定的SiGe 合会薄膜比较困难,一般用MBE 和UHV/CVD 生长技术。

虽然较高的生长温度(>750C )可使被吸附在衬底表面上的原子活动能力增强,有利于保证外延晶体的质量,但是温度较高时将得不到赝晶膜,而且容易形成三维的岛状晶体。

用UHV/CVD 生长薄膜的温度在400到500摄氏度之间。

利用MBE 或者UHV/CVD 工艺外延生长SiGe 薄膜作为双极晶体管的基区,可以形成双异质结晶体管(HBT)。

Ge 的引进导致基区禁带宽度减小,Ge 含量大约每增加10%,禁带宽度减小75meV ,从而在基区形成漂移电场(drift-field),对于n-p-n 管,漂移电场的存在将大大提高电子从发射区注入基区的效率,加速电子在基区的运动,从而增加电流增益β,减小基区的渡越时间,提高工作频率。

这就是SiGe HBTs 获得很高工作频率的基本原理。

随着SiGe 材料生长技术的发展,SiGe 外延材料质量得到了很大的提高,为SiGe 器件性能的改善奠定了基础,SiGe HBT 的研究取得了很大的发展。

锗晶体-介绍

锗晶体-介绍

锗晶体介绍:锗的物理性质锗的物理性质锗是银白色晶体(粉末状呈暗蓝色),熔点937.4℃,沸点2830℃,密度5.35g/cm³,莫氏硬度6.0~6.5,室温下,晶态锗性脆,可塑性很小。

锗具有半导体性质,在高纯锗中掺入三价元素(如铟、镓、硼)、得到P型锗半导体;掺入五价元素(如锑、砷、磷),得到N型锗半导体。

化合价为+2和+4。

第一电离能7.899电子伏特。

锗有着良好的半导体性质,如高电子迁移率和高空穴迁移率等。

晶体结构:晶胞为面心立方晶胞,每个晶胞含有四个金属原子。

据X射线研究证明,锗晶体里的原子排列与金刚石差不多。

结构决定性能,所以锗与金刚石一样硬而且脆。

锗的化学性质锗的化学性质锗化学性质稳定,不溶于水、盐酸、稀苛性碱溶液。

在常温下不与空气或水蒸气作用,但在600~700℃时,与氧气反应能很快生成二氧化锗。

在加热情况下,锗能在氧气、氯气和溴蒸气中燃烧。

锗与盐酸、稀硫酸不起作用,但浓硫酸在加热时,锗会缓慢溶解。

在硝酸、王水中,锗易溶解。

碱溶液与锗的作用很弱,但熔融的碱在空气中,能使锗迅速溶解。

锗易溶于熔融的氢氧化钠或氢氧化钾,生成锗酸钠或锗酸钾。

在过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂存在下,锗能溶解在碱性溶液中,生成锗酸盐。

锗的氧化态为+2和+4。

锗与碳不起作用,所以在石墨坩埚中熔化,不会被碳所污染。

光学级锗晶体(单晶和多晶)是目前红外透射材料中应用最广泛的材料之一。

它具有宽的红外透射波段(可在3~5μm和8~12μm两波段使用),机械强度高,不易潮解,化学性能稳定等特点,因而是制作红外光学透镜和窗口的良好材料,多数用于热像仪和低功率CO2激光器窗口。

但在使用中,仍要求锗晶体的直径要足够大,透过率要高以及折射率均匀性要好,成本要低。

随着科技的不断进步,激光以及红外技术得到了极其迅猛的发展,光学级锗晶体(单晶和多晶)是目前红外透射材料中应用最广泛的材料之一,因其在红外光学中的卓越性能引起了红外光学行业的重视,它具有宽的红外透射波段(可在3~5μm和8~12μm两波段使用),是制作红外光学透镜和窗口的良好材料,多数用于热像仪和低功率CO2激光器窗口。

锗知识

锗知识

立志当早,存高远锗知识锗为银灰色金属,密度5.35 克,熔点937.4℃,沸点2830℃。

室温下,晶态锗性脆,可塑性很小。

锗的化学性质稳定,常温下锗在空气中不被氧化,但在加热时,锗能在氧气、氯气和溴蒸气中燃烧。

锗不与水作用,不溶于盐酸和稀硫酸,硝酸和热的浓硫酸能将金属锗氧化为二氧化锗,锗还溶于王水。

锗易溶于熔融的氢氧化钠或氢氧化钾,生成锗酸钠或锗酸钾。

在过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂存在下,锗能溶解在碱性溶液中,生成锗酸盐。

锗具有半导体性质,在高纯锗中掺入三价元素(如铟、镓、硼)、得到P 型锗半导体;掺入五价元素(如锑、砷、磷),得到N 型锗半导体。

锗通常以分散状态存在于其他矿物中,独立的矿物很少。

可从含锗的氧化铅锌矿、闪锌矿和煤灰中回收锗。

锗的提取方法是首先将锗的富集物用浓盐酸氯化,制取四氯化锗,再用盐酸溶剂萃取法除去主要的杂质砷,然后经石英塔两次精馏提纯,再经高纯盐酸洗涤,可得到高纯四氯化锗,用高纯水使四氯化锗水解,得到高纯二氧化锗。

一些杂质会进入水解母液,所以水解过程也是提纯过程。

纯二氧化锗经烘干煅烧,在还原炉的石英管内用氢气于650-680℃还原得到金属锗。

锗在电子工业中的用途已逐渐被硅代替。

但由于锗的电子和空穴迁移率较硅高,在高速开关电路方面,锗比硅的性能好。

锗主要用来生产低功率半导体二极管三极管,锗在红外器件、γ辐射探测器方面有着新的用途,金属锗能让2-15 微米的红外线通过,又和玻璃一样易被抛光,能有效地抵制大气的腐蚀,可用以制造红外窗口、三棱镜和红外光学透镜材料。

锗还与铌形成化合物,用作超导材料。

用氧化锗制造的玻璃有较高的折射率和色散性能,可用于广角照像镜头和显微镜。

锗---简介

锗---简介

锗百科名片锗(旧译作鈤)是一种化学元素,它的化学符号是Ge,它的原子序数是32,是一种灰白色的类金属。

锗的性质与锡类似。

锗最常用在半导体之中,用来制造晶体管。

目录[隐藏]汉字元素概述元素描述元素来源元素用途元素辅助资料对人体的影响[编辑本段]汉字拼音:zhě繁体字:锗部首:钅,部外笔画:8,总笔画:13 ; 繁体部首:金,部外笔画:8,总笔画:16五笔86&98:QFTJ仓颉:XCJKA笔顺编号:3111512132511四角号码:84760UniCode:CJK 统一汉字U+9517基本字义● 锗zhěㄓㄜˇ◎一种金属元素,灰白色结晶,质脆,是重要的半导体材料。

汉英互译◎锗germanium germanium n.[编辑本段]元素概述元素名称:锗元素符号:Ge元素英文名称:Germanium元素类型:金属元素原子体积:(立方厘米/摩尔) 13.6元素在宇宙中的含量:(ppm) 0.2元素在太阳中的含量:(ppm) 0.2元素在海水中的含量:(ppm) 太平洋表面0.00000035地壳中含量:(ppm)1.8相对原子质量:72.61氧化态:Main Ge+2, Ge+4化学键能:(kJ /mol)Ge-H 288Ge-C 237Ge-O 363Ge-F 464Ge-Cl 340Ge-Ge 163原子序数:32质子数:32中子数:41摩尔质量:73所属周期:4所属族数:IVA电子层排布:2-8-18-4晶体结构:晶胞为面心立方晶胞,每个晶胞含有4个金属原子。

晶胞参数:a = 565.75 pmb = 565.75 pmc = 565.75 pmα = 90°β = 90°γ = 90°莫氏硬度:6声音在其中的传播速率:(m/S)5400电离能(kJ/ mol)M - M+ 762.1M+ - M2+ 1537M2+ - M3+ 3302M3+ - M4+ 4410M4+ - M5+ 9020M5+ - M6+ 11900M6+ - M7+ 15000M7+ - M8+ 18200M8+ - M9+ 21800M9+ - M10+ 27000颜色和状态:银白色固体密度:5.35克/立方厘米熔点:938.25℃沸点:2833℃热光系数:dn/dT≈0.0004/K (25~150°C)原子半径:122皮米,Ge4+半径53皮米发现人:文克勒发现年代:1886年发现过程:1886年,德国的文克勒在分析硫银锗矿时,发现了锗的存在;后由硫化锗与氢共热,制出了锗[1]。

常用半导体的能带结构

常用半导体的能带结构
上式代表的等能面不再是球面(只有当C为零时是 球面),而是扭曲的球面,重空穴带的扭曲比轻空 穴带的扭曲更为显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带,由于自旋-轨道耦合作用, 使能量降低了Δ,与以上两个能带分开,具有球形等 能面。其能量表示式
2
E Ak 2 2m0
ml/m0 Ge 1.64
mt/m0 0.082
Si 0.98
0.19
半导体物理 Semiconductor Physics
在锗中,导带除了在 <111>方向的能谷以外, 在k=0和<100>方向还有 较高的能谷。其中k=0的 能谷只比<111>能谷高 0.13eV,<100>谷则比Γ能 谷高0.18eV。在较高的温 度下k=0和<100>谷都可 有一定的电子分布。
常用半导体的能带结构
庞智勇
山东大学物理学院
本幻灯片参照刘恩科等所编著教材《半导体物理学》编写
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的导带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅的导带结构
硅导带极小值在k空间 <100>方向,能谷(通常把 导带极小值附近的能带形 象地称为能谷)中心与Γ点 (k=0)的距离约为Γ点与X 点(<100>方向布里渊区边 界)之间距离的5/6。共有 六个等价的能谷。通常把 这些能谷称为卫星能谷。
带底电子有效质量为0.067m0。
在[111]和[100]方向布里源区边界L 和X处还各有一个极小值,电子的有 效质量分别为0.55m0和0.85m0。
室温下, Γ、 L、X三个极小值与价

硅锗应变沟道MOSFET器件中阈值电压的解析模型

硅锗应变沟道MOSFET器件中阈值电压的解析模型

电子科学SI L I C O NL L E Y一爨《硅锗应变沟道M O S F E T器件中阈值电压的解析模型周少华熊琦李锐敏(湖南工程职业技术学院湖南长沙410015)[摘要】在分析应变Si/应变s i l一Y G eY/驰豫S“一X GeX pM O SFE T的在栅极电压作用下电荷在栅氧化层下面的分布情况的基础卜,通过求解泊松方程,得到此器件的隐埋s i Ge沟道阈值电压解析模型和表面沟道的阈值电压解析模型,并用典型参数对模型进行了模拟,得到的模拟结果与实验结果能够很好的吻合.【关键词]s i G e M O S FET器件阈值电压解析模型中图分类号;1118文献标识码:A文章编号:1871--7597(2008)1220008-01一、曹■随着M O$器件的物理尺寸越来越接近极限值,迫切需要寻找新的材料或研制新的器件结构来满足b速增长的器件速度的要求。

近年来的研究发现应变Si沟道可以明显提高电子、空穴的迁移率。

应变Si G e沟道可以提高空穴迁移率[1]。

而要与C M O S工艺兼容,需同时提高nM O S和pM O S管的性能。

人们提出了一些应用应变来改善性能的C M O S结构[2],但是大部分的结构中,nM OS管pM O S管都是分别制作在si片上,生产步骤繁琐,工艺复杂,成本高。

最近提出了一种双应变(应变Si/应变si l_Y G eY/驰豫s i l_xG e x pM O SFE T) C M O S结构[3],这种结构同时利用了应变si对电子迁移率的增强和应变Si G e对空穴迁移率的增强作用,通过掺入不同杂质,即可用作nM OS管或用作pM O S管,工艺简单。

是目前最有前途的一种利用戍变来提高Si C M O S集成电路性能的结构。

用作nM OSFE T时是应变si表面沟道器件,应变Si nM OS已经有很多文献进行了模拟[4]。

作为p M O SFE T时是隐埋s i G e沟道器件,都没有考虑在栅极电压作用下表面沟道开启的情况。

半导体物理硅、锗、砷化镓的能带结构

半导体物理硅、锗、砷化镓的能带结构

二、 固溶体的基本性质 固溶体的物理性质一般会连续地随组份比的变化而变化
1.晶格常数服从Vegard关系: aAB xaB (1 x)aA
aABC xaA yaB (1 x y)aC
InSb 0.64
晶格常数 a (nm)
0.62 AlSb InAs 0.60
InP 0.58
GaAs 0.56
x
EgXx 1.115 0.43x 0.206x2 eV 0 x 0.85
EgL x 2.01 1.27 x
eV
0.85 x 1
3) GeSi固溶体的赝晶生长 GeSi固溶体的晶格常数随着Ge组分的升高而增大, 如果以硅片为衬底生长GeSi固溶体薄膜,在Ge组分 较高时出现严重晶格失配,生成高密度失配缺陷。
组份比 x
2、固溶体的禁带宽度 • 固溶体的能带结构随其组分的变化而变化,每个导带极小
值与价带顶之间的距离都随组分的变化而变化
Eg,AB xEg,A (1 x)Eg,B Eg,ABC xEg,A yEg,B (1 x y)Eg,C
Eg a bx cx2
固溶体
Eg (eV)
固溶体
AlxIn1-xP
1.351+2.23x
AlxGa1-xAs
AlxIn1-xAs 0.36+2.012x+0.698x2 AlxGa1-xSb
AlxIn1-xSb 0.172+1.621x+0.43x2 GaxIn1-xP
GaxIn1-xAs
0.36+1.064x
GaxIn1-xSb
Eg (eV)
1.424+1.247x; 1.424+1.455x
ax 0.5431 0.01992x 0.002733x2 nm

锗的五元环-概述说明以及解释

锗的五元环-概述说明以及解释

锗的五元环-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:锗是一种化学元素,其化学符号为Ge,原子序数为32。

它属于碳族元素,与碳、硅等元素存在一定的相似性。

作为一种半金属,锗具有特殊的电学、光学及热学性质。

锗在自然界中主要以矿物锗石的形式存在,同时也在很多金属矿石中发现。

由于其特殊的物理和化学性质,锗在现代科学技术领域有着广泛的应用。

在过去的几十年中,锗的研究取得了显著的进展。

人们发现,锗可以形成多种不同的化合物和化学键型,其中五元环化合物是其中一种重要的结构类型。

锗的五元环化合物具有独特的稳定性和化学活性,因此引起了许多科学家的关注。

本文将对锗的五元环化合物进行详细研究和探讨。

首先,将介绍锗的基本性质,包括其物理性质、化学性质以及在自然界中的分布情况。

然后,将阐述锗的化学反应,特别是与其他元素的反应,以及这些反应过程中所产生的化合物。

最后,我们将探讨锗五元环的合成方法和相关的研究进展,以及锗五元环在各个领域中的应用前景。

通过对锗五元环的研究,我们可以更深入地了解这种化合物的特性和性质,为其应用领域的发展提供更加坚实的基础。

同时,通过探索锗五元环的合成方法,我们也能够为锗化学的发展做出积极的贡献。

相信通过本文的阐述,读者可以对锗五元环有更全面、深入的认识,并对其重要性和应用前景有更清晰的了解。

1.2文章结构文章结构部分的内容应包括本文的主要章节和每个章节的内容概述。

在本文中,文章结构可根据目录分为以下部分:1. 引言- 1.1 概述:介绍整篇文章的背景和内容。

- 1.2 文章结构:概述本文的章节安排和各个章节的内容。

- 1.3 目的:说明撰写本文的目标和意义。

2. 正文- 2.1 锗的基本性质:详细介绍锗元素的物理性质、化学性质、结构特点等相关内容。

- 2.2 锗的化学反应:探讨锗在不同环境下的化学反应和反应机理,包括与其他元素的反应、氧化还原反应等。

- 2.3 锗的合成方法:介绍锗的合成方法、制备工艺和优化研究,包括物理、化学方法等。

应变锗的导带结构计算与分析

应变锗的导带结构计算与分析

2 0 1 4年 4月 第4 1 卷 第 2期
西安 电子 科技 大学 学 报 ( 自然 科学 版 )
J0U RNA L 0F XI DI AN UNI VER S I TY
Ap r . 2 01 4
V0 I 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 — 2 4 0 0. 2 0 1 4 . 0 2. 0 2 0
o f s t r a i ne d Ge r ma ni u m
DAI Xi a n y i n g’ 一.LI Ji n l o n g 一.H AO Yu e , 。
( 1 .S c h o o l o f Mi c r o e l e c t r o n i c ,Xi d i a n Un i v. ,Xi ’ a n 7 1 0 0 7 1 ,Ch i n a ;2 .S t a t e Ke y La b.o f Wi d e Ba n d g a p S e mi c o n d u c t o r Te c h n o l o g y Di s c i p l i n e s ,Xi d i a n Un i v. ,Xi ’ a n 7 1 0 0 7 1 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t : Th i s p a p e r e s t a b i l i s h e s t h e s t r a i n e d — t e n s o r mo d e l b y Ho o k e ’ S l a w a n d c a l c u l a t e s t h e e n e r g y - l e v e l s h i f t s o f L. △ a n d F v a l l e y s b y t h e d e f o r ma t i o n p o t e n t i a l t h e o r y .B y e n f o r c i n g t h e u n i a x i a l s t r e s s i n g e r ma n i u m a l o n g( 0 0 1 >d i r e c t i o n,t h e e d g e b a n d o f t h e A v a l l e y i s s p l i t wi t h t h e b o t t o m e n e r g y - l e v e l b e i n g

应变锗的结构参数

应变锗的结构参数

第二章应变Ge空穴能带结构参数本章基于弛豫Ge 的物理特性,研究应变Ge 的形成机制,并分析应变对Ge能带结构引起的结果,对比应变Si和应变Ge的相同点与不同点。

2.1 应变Ge 形成机理在元素周期表中,锗(Ge)正好位于金属和非金属之间。

在化学上,锗尽管是金属,但却具有许多跟非金属相类似的性质,所以它被称为“半金属”;在物理上,锗的导电能力比普通非金属强,但却弱于普通金属,所以它被称为“半导体”。

锗被称为“稀散金属”,并非因为它在地球上的含量很稀少,而是由于几乎没有比较集中的锗矿。

锗的主要用途是作为半导体工业的重要原料。

本章将从锗晶体的晶格结构、能带结构、有效质量、状态密度和状态密度有效质量这几方面分别讨论锗的半导体材料特性。

对于Si、Ge等这类半导体来说,它们每个原子与四个最近邻原子都会组成正四面体,所以当它们排成晶体时,其结构必定是以共价四面体为基础来构成的。

如图2.1所示,C、Si、Ge晶格都是这种搭接结构,被称为金刚石结构。

从图中可以看出,Si、Ge这类金刚石结构是一种典型的复式格子,这种复式格子由两个相同的面心立方,沿着它们体对角线方向错开四分之一对角线的长度套构而成。

弛豫Ge的晶格常数是0.56579nm,Si的晶格常数为0.54310nm,由于Ge的晶格常数比Si大,所以Si和Ge能以任意比例形成Si1-xGex固溶体。

这种固溶体是合金,并不属于化合物,形成合金后的晶格常数也同样的遵从Vegard定则,如下式。

上式中的x可在0~1 之间任意取值,Si1-xGex固溶体通常被称为体Si1-xGex 或弛豫Si1-xGex,Si和Ge 等半导体的固体物理原胞与面心立方晶体的相同,它们都具有相同的基矢,因此也有相同的倒格子和布里渊区。

下图是Ge 的第一布里渊区简图。

硅和锗等半导体都属于金刚石型结构,它们的固体物理原胞和面心立方晶体的相同,两者都有相同的基矢,所以它们有相同的倒格子和布里渊区。

锗

50%。国内生产的锗除40%左右用于深加工外,其余则出口至欧洲、北 美、俄罗斯等地,是世界锗产业链上最主要的上游供应来源。
表7-6 美国进口金属锗主要来源(单位:公斤)
2009
2010
2011
比利时
5490
1560
55
中国
14000
18100
17400
法国
124
70
--
德国
位,但却是目前世界上锗产量最大的国家。2012年,全球锗总产量为
120吨,其中中国为90吨,占总产量的75%。
表7-3 锗产量世界分布(单位:吨)
2009
2010
2011
2012
美国
4.6
3
3
3
中国
80
80
80
90
俄罗斯
5
5
5
5
其他
30
3
30
30
总计
120
118
118
128
数据来源:USGS Mineral Commodity Summaries
资料来源:USGS Mineral Commodity Summaries 图7-1 2012年全球锗下游应用分布
考虑到锗在现代高新技术领域和国防建设中的重要性,欧洲、北美 等国家均从维护国家安全和经济安全高度出发,建立了完善的出口和战 略储备管理体制,其中美国早在1984年就将其列为国防储备资源。
3526
加拿大
860
其他
344
总计
数据来源:亚洲有色金属
7.2.2中国分布
8600
锗的世界分布非常集中,中国是锗储量最丰富的国家之一,目前已 探明的锗矿产地约35处,储量折合金属锗约为3500吨。云南是锗储量最 丰富的省份,其铅锌矿和褐煤矿中均含有一定量的锗。含锗铅锌矿主要

锗化学结构

锗化学结构

锗化学结构
锗是一种重要的半导体材料,具有广泛的应用前景。

锗的化学结构包含了原子构型、键结构和晶体结构等方面。

在原子构型方面,锗的原子序数为32,包含了32个质子和相应的电子,其电子结构为1s2s2p3s3p3d4s4p。

在键结构方面,锗的最外层电子为4s4p,可以通过与其它元素的化学键形成化合物。

锗通常形成两种键类型:共价键和金属键。

在晶体结构方面,锗常常形成钻石型晶体结构,其中每个原子都与四个相邻原子形成四面体结构。

此外,锗还可以形成其他晶体结构,如六方密堆积和面心立方密堆积等。

锗化学结构的研究为其应用提供了理论基础和指导,也为半导体领域的发展提供了重要的支撑。

- 1 -。

半导体物理课件硅和锗的能带结构

半导体物理课件硅和锗的能带结构
• 象Si,Ge半导体能带,其导带底与价带顶位于空间不 同点,具这种类型的半导体为间接带隙半导体(间接 禁带半导体)。
• 间接带隙半导体与直接带隙半导体在发光和光吸 收方面有着很大的不同。理论上可以证明,电子 吸收光子自价带状态跃进到导带状态时,除了必 须满足能量守恒外,还必须符合准动量守恒的选 样定则。
8
碲化镉的能带
Eg极小且为负值 室温下, Eg ~ -0.15 eV
半金属或零带隙材料
8
碲化汞的能带
混合晶体的能带结构
半导体 + 半金属,如 Hg1-xCdxTe 的能带结构由半金属向半导体过渡
Hg1-xCdxTe能带 随 x 变化示意图
x0.14 x~0.14 x~0.2
远红外探测器
Hg1-xCdxTe的 Eg 随 x 的变化
激光器件 Ga1-xInxP1-yAsy 长波长激光器 调节 x、y 组分可获得1.3~1.6m 红外光
2. II-VI族化合物半导体的能带结构
二元化合物的能带结构 ➢导带极小值和价带极大值位于 k=0 ➢价带包含三个能带:重空穴带V1
轻空穴带V2 能带V3(L-S耦合) ➢ 禁带宽度较宽
室温下, Eg ~ 1.50 eV
• 这样,由于光子动量很小,对于间接带隙的半导 体,必须在吸收光子的同时,伴随有吸收或发射 一个声子,以满足准动量守恒。
• 于是,与直接带隙相比,间接带隙半导体的光吸 收或发射是一个二级过程,发生的几率要小得多。
当AC,BC两种晶体,一个是直接带隙另一个是间接带隙材 料时,在组分配比x 由0 1的过程中将发生一个由直接 带隙向间接带隙过渡的过程,或者是相反的过程。
以GaAs/GaP 混晶为例,
• 在x<0.45时为类GaAs 的直接带隙, • 在x>0.45时为类GaP 的间接带隙。

应变片结构

应变片结构

应变片的结构应变片是由敏感栅、基底、盖片和粘结剂等组成。

这些部分所选的材料不同将直接影响应变片的性能。

所以要根据要求选择合理的选择。

1、敏感栅它是应变片重要组成部分,栅丝直径一般为0.015~0.05mm。

敏感栅在纵轴上的线称应变片轴线,其长度就是栅长。

在于应变片轴线垂直的方向上,敏感栅外侧之间的距离称为栅宽。

根据用途不同,栅长可分为0.2~200mm。

对敏感栅的材料要求:①应有较大的应变灵敏系数,并在所侧应变范围内保持为常数;②具有高而稳定的电阻率,以便于制造小栅长的应变片;③电阻温度系数要小;④抗氧化能力高,耐腐蚀性强;⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度;⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材;⑦易与焊接,对引线材料的热电势小;2、基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置;盖片既保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置,还可保护敏感栅。

最早的基底和盖片多用专门的薄纸制成。

基地厚度一般为(0.02~0.04)mm,基底的全长称为基底长,其宽度称为基底宽。

3、粘结剂用于将敏感栅固定于基底上,并将盖片与基底粘贴在一起。

使用金属应变片时,也需要粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。

以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。

常用的粘结剂分为有机和无机两大类。

有机粘结剂用于低温、常温和中温。

常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂及聚酰亚胺等。

无机粘合剂用于高温,常用的有磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐等。

4、引线它是从应变片的敏感栅中引出的细金属丝。

常用直径约(0.1~0.15)mm的镀锡铜线,或扁带形的其他金属材料制成。

对引线材料的性能要求为:电阻率底、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易与焊接。

大多数敏感栅材料都可制作引线。

电阻应变选用参数

电阻应变选用参数

一、应变计的分类根据敏感栅材料可分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类:1、金属应变计包括丝式(丝绕式、短接式)应变计、箔式应变计和薄膜应变计;2、半导体应变计包括体型半导体应变计、扩散型半导体应变计和薄膜半导体应变计;3、金属或金属氧化物浆料主要是制作厚膜应变计。

本店全部是箔式金属应变计。

二、应变计的主要参数1、应变计的电阻值应变计的电阻是指应变计在室温环境、未经安装且不受力的情况下,测定的电阻值。

应变计电阻值的选定主要根据测量对象和测量仪器的要求。

2、应变计的灵敏系数应变计的灵敏系数是指:当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上,且其纵向(敏感栅纵线方向)与应力方向平行时,应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应变(即沿应变计纵向的应变) 的比值,即式中,K为应变计的灵敏系数;ε为试件表面测点处与应变计敏感栅纵线方向平行的应变;RRΔ为由ε所引起的应变计电阻的相对变化。

应变计的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数,但两者又不相等,这主要有两个原因:以丝式应变计为例,由于横栅的存在,使制成敏感栅之后的灵敏系数小于丝材的灵敏系数,差别的大小与敏感栅的结构型式和几何尺寸有关;试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅,由于端部过渡区的影响又使应变计的灵敏系数小于敏感栅的灵敏系数,此差数不仅与基底和粘结剂的种类及其厚度有关,还受粘结剂的固化程度以及应变计安装质量的影响。

因此,应变计的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标,它不能通过理论计算得到,而是由生产厂家经抽样在专门的设备上进行标定试验来确定的。

并于包装上注明其平均名义值和标准误差。

常用的应变计灵敏系数为2.0~2.4。

3、应变计的应变极限应变计的应变极限是指在温度恒定的条件下,对安装有应变计的试件逐渐加载,指示应变与被测构件真实应变的相对误差(通常规定为10%)不超过一定数值时的真实应变值。

实际上,应变极限是表示应变计在不超过规定的非线性误差时,所能够工作的最大真实应变值。

半导体应变片的工作原理

半导体应变片的工作原理

半导体应变片的工作原理
半导体应变片是一种用于检测应变的传感器,它可以检测外力施加在其表面上产生的应变,一般用于测量应变率和应力。

半导体应变片使用半导体材料制成,它的工作原理是根据半导体材料的特性,当施加外力时,在半导体材料表面产生应变,这种应变会影响半导体材料的电性能,从而改变材料内部电子的迁移,从而改变电阻值。

换句话说,电阻的变化可以用来衡量应变的大小。

半导体应变片的主要结构由一个半导体基底和一个薄膜组成。

半导体基底是由半导体材料制成的,通常是硅和锗,它具有电子受力移动的能力,当施加外力时,电子移动会改变电阻值。

薄膜是一层薄的金属膜,它可以传递外部的力,当薄膜受力时,会把外力传递到半导体基底上,从而使电子移动,改变电阻值。

半导体应变片因其简单、便捷、可靠性高而被广泛使用,在许多应用中,如汽车、航空航天、工业自动化等,均可以看到半导体应变片的身影。

它们可以用来检测压力、温度、位置等,并且可以精确测量微小变化,并将这些变化转换为电信号,反馈给电子设备,从而控制系统的运行。

半导体应变片是一种非常有用的传感器,它可以测量应变,并将变化转化为电信号,反馈给电子设备,从而实现系统的控制。

硅锗合金强度如何计算公式

硅锗合金强度如何计算公式

硅锗合金强度如何计算公式硅锗合金是一种重要的半导体材料,具有良好的导电性能和热稳定性,因此在电子器件和光电器件中得到了广泛的应用。

在实际生产中,对硅锗合金的强度进行准确的计算是非常重要的,可以帮助工程师们更好地设计和制造硅锗合金材料的相关产品。

硅锗合金的强度计算是通过材料力学理论和实验测试相结合的方法来进行的。

在进行强度计算时,需要考虑硅锗合金的化学成分、晶体结构、加工工艺等因素,以及材料的应力-应变特性和断裂行为。

下面将介绍硅锗合金强度计算的一般方法和公式。

首先,硅锗合金的强度可以通过材料力学理论中的应力-应变关系来计算。

在弹性阶段,硅锗合金的应力与应变之间的关系可以用胡克定律来描述:σ = Eε。

其中,σ表示应力,单位为帕斯卡(Pa);E表示弹性模量,单位为帕斯卡(Pa);ε表示应变,无量纲。

根据胡克定律,应力与应变成正比,且比例系数为弹性模量。

在进行硅锗合金强度计算时,需要确定硅锗合金的弹性模量。

硅锗合金的弹性模量可以通过实验测试来获取,也可以通过理论计算来估算。

一般来说,硅锗合金的弹性模量可以通过声速和密度来计算:E = ρv^2。

其中,E表示弹性模量,单位为帕斯卡(Pa);ρ表示密度,单位为千克/立方米(kg/m^3);v表示声速,单位为米/秒(m/s)。

通过测量硅锗合金的密度和声速,就可以计算出其弹性模量。

在确定了硅锗合金的弹性模量后,就可以根据胡克定律来计算硅锗合金的应力-应变关系。

通过施加不同的应变,可以得到硅锗合金的应力-应变曲线,从而可以计算出硅锗合金的屈服强度、抗拉强度、抗压强度等力学性能参数。

除了材料力学理论的方法,硅锗合金的强度计算还可以通过实验测试来进行。

通过拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等实验方法,可以得到硅锗合金在不同加载条件下的强度参数,从而可以对硅锗合金的强度进行准确的评估和计算。

总之,硅锗合金的强度计算是一个综合考虑材料力学理论和实验测试的过程。

通过材料力学理论的方法,可以根据硅锗合金的弹性模量和应力-应变关系来计算其强度参数;通过实验测试的方法,可以直接测量硅锗合金的强度参数。

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第二章应变Ge空穴能带结构参数本章基于弛豫Ge 得物理特性,研究应变Ge 得形成机制,并分析应变对Ge能带结构引起得结果,对比应变Si与应变Ge得相同点与不同点。

2、1 应变Ge 形成机理在元素周期表中,锗(Ge)正好位于金属与非金属之间。

在化学上,锗尽管就是金属,但却具有许多跟非金属相类似得性质,所以它被称为“半金属”;在物理上,锗得导电能力比普通非金属强,但却弱于普通金属,所以它被称为“半导体”。

锗被称为“稀散金属”,并非因为它在地球上得含量很稀少,而就是由于几乎没有比较集中得锗矿。

锗得主要用途就是作为半导体工业得重要原料。

本章将从锗晶体得晶格结构、能带结构、有效质量、状态密度与状态密度有效质量这几方面分别讨论锗得半导体材料特性。

对于Si、Ge等这类半导体来说,它们每个原子与四个最近邻原子都会组成正四面体,所以当它们排成晶体时,其结构必定就是以共价四面体为基础来构成得。

如图2、1所示,C、Si、Ge晶格都就是这种搭接结构,被称为金刚石结构。

从图中可以瞧出,Si、Ge这类金刚石结构就是一种典型得复式格子,这种复式格子由两个相同得面心立方,沿着它们体对角线方向错开四分之一对角线得长度套构而成。

弛豫Ge得晶格常数就是0、56579nm,Si得晶格常数为0、54310nm,由于Ge得晶格常数比Si大,所以Si与Ge能以任意比例形成Si1-xGex固溶体。

这种固溶体就是合金,并不属于化合物,形成合金后得晶格常数也同样得遵从Vegard定则,如下式。

上式中得x可在0~1 之间任意取值,Si1-xGex固溶体通常被称为体Si1-xGex 或弛豫Si1-xGex,Si与Ge 等半导体得固体物理原胞与面心立方晶体得相同,它们都具有相同得基矢,因此也有相同得倒格子与布里渊区。

下图就是Ge 得第一布里渊区简图。

硅与锗等半导体都属于金刚石型结构,它们得固体物理原胞与面心立方晶体得相同,两者都有相同得基矢,所以它们有相同得倒格子与布里渊区。

图2、2 就是Ge 得第一布里渊区简图,Γ为布里渊区中心,坐标为1/a(0,0,0);L 就是布里渊区边沿与<111>轴得交点,坐标为1/a(0、5,0、5,0、5);X就是布里渊区边沿与<100>轴得交点,坐标为1/a(0,0,1);K 就是布里渊区边沿与<11>轴得交点,坐标为1/a(3/4,3/4,0)。

大家知道,面心立方晶体得倒格子为体心立方。

如果选择体心作为原点,原点与八个临近格点得连线得垂直平分面会形成一个正八面体,原点与沿着立方轴平行方向得六个次近邻得垂直平分面割去八面体得六个角,形成十四面体——截角八面体,那么形成得这个就是四面体就就是面心立方晶体得第一布里渊区,它得第二布里渊区得形状则更加复杂。

2、1、2 应变Ge 得形成工程上有许多种产生应变得方法,按照应变得作用方向,应变可以分为单轴应变、双轴应变、张应变与压应变等,在这些文献[2]中作者进行了详细得介绍。

使晶格产生应变得方法有很多,本文所建立得就是双轴应变得模型,使用得就是晶格失配法,下面首先介绍一下全局应变得形成。

当在整个衬底上引入应变时,叫做全局应变。

全局应变主要包括以下几种:(1) 在弛豫SiGe 上生长应变硅层;( 2 )晶圆焊接; (wafer bonding) ;(3)SIMOX(separation-by- implantation-of-oxygen) ; (4)SiGe 得氧化富集方法(oxidation enrichment of SiGe)。

第一种方法就是最为常用得一种方法,本文介绍得就就是该方法。

现在我们设定衬底材料得晶格常数为asub,设定外延层材料得晶格常数为aepi。

当asub<aepi时,外延层将会受到压应力得作用;当asub>aepi时,外延层将会受到张应力得作用。

在模型建立过程中,实际上并不需要知道应力具体得实现方法,只需知道应力得方向、大小,用数学模型即可表示出应力,然后进行计算。

本文建立得就是双轴应变得模型,使用得就是晶格失配法。

所谓晶格失配法,就就是将一种半导体材料生长到另一种晶格常数不同得材料(称底)上,且只生长很薄得一层。

由于上层得材料很薄,无法在称底上保持自己原先得晶格常数,Ge会被拉伸或压缩为与衬底相近得晶格常数,从而产生应变。

在本文中,应变Ge生长在弛豫得Si1-xGex衬底上,SiGe得晶格常数比Ge要小,当x=0 时(即纯Si)比Ge 得晶格常数最多小约4%。

因此,本文中得应变Ge只会受到双轴得压应变,其方向平行于衬底表面,大小与x 得取值,即衬底中Ge组分得多少有关。

由于Si 与Ge得晶体结构、价带结构十分相似,本文使用了与此文献[3]类似得方法进行计算。

其中所不同得就是,根据Vegard 规则确定得面内应变得大小要以Ge得晶格常数为基准:在上式中, Gea为未应变Ge得晶格常数;1 x xSi Gea为称底上体Si1-xGex得晶格常数,1 x xSi Gea就是由Si、Ge 得晶格常数线性插值获得。

Ge与Si 得不同点还在于计算时得参数因为Ge得晶格常数比固溶体Si1-xGex得大,在弛豫SiGe 虚衬底上外延生长得Ge 就是双轴压应变。

如图2、4 所示,当然SiGe 层也会有略微得张应变产生,但由于衬底有足够得厚度,故这种张应变也就不必在再做考虑。

2、2 应变Ge 能带结构半导体得能带结构反映了半导体材料得重要特性,同时它也就是研究半导体材料电学性质得物理基础。

锗得能带结构与硅得不同,下面就对锗与硅得能带结构进行一下对比分析,瞧一下它们之间得异同点。

2、2、1 Ge 与Si 能带结构得异同点晶体电子处于晶格周期性势场中,晶格电子得能量E与波矢k 得关系不同于要比自由电子得关系复杂得多,并且它得能量大小还会与波矢得方向有关。

为了了解Ge 能带结构得特点,下面将对Ge 与Si晶体得能带结构进行对比分析,找出Ge 与Si之间存在着哪些异同点,尤其就是不同点,这恰恰就是Ge 得代表特性,也正就是因为这些区别于Si得代表特性,才使得Ge材料有了别得半导体材料所不具备得优势,在半导体行业中受人瞩目。

图2、6 与2、7 分别示出了Ge与Si晶体得能带图,能带图中各个状态得代表符号就都就是按晶体得对称性来标识得;由于晶体电子得状态要受到晶格周期性势场得限制,所以晶体电子得状态就必须满足相应得晶体对称性得要求。

(1)相同点:由于两者属于同族元素,晶体结构极为相似,所以它们得能带也具有许多共同之处:首先硅与锗都属于直接带隙,并且它们得禁带宽度都具有负得温度系数;其次硅与锗得价带顶都位于布里渊区中心,并且由于这些半导体得晶格基本上都就是由四个共价键构成,属于金刚就是结构,因此它们所处得状态都就是三度简并得态;第三,当温度为0K 时,价带中由于填满了价电子,此时被称作为满带,而导带中此时却就是完全空着得,这时候与绝缘体一样,因为没有载流子不可能产生导电。

然而当温度为0K 以上时,一些价电子就可以从满带中被热激发到导带,从而载流子产生,这就就是导带电子与价带空穴;并且随着温度升高,载流子因为热激发而产生得数目就会越来越多,因而呈现出所有半导体得共同性质:电导率会随着温度得升高而很快得增大。

锗、硅半导体由于具有间接跃迁能带,它们得导带底电子与价带顶空穴得因为不满足动量守恒而较难发生直接复合,但就是利用到一种复合中心能级(由重金属杂质以及缺陷等形成)得中介作用则可以较容易地实现导带电子与价带空穴得复合,此时可以通过发射声子将动量得变化损耗掉。

因此锗、硅不能被用作为发光器件得材料也正就是基于此,正就是由于锗、硅得载流子得辐射复合效率比较低,并且它们得复合寿命一般也较长。

但就是它们可以用作光伏器件得材料或者光检测器件。

第四,硅与锗得价带顶能带因为计入了电子自旋,都将被一分为二,产生出一个二度简并得价带顶能带(Γ+8 态或Γ8 态)与另外一个能量较低些得非简并能带——分裂带(Γ+7 态或Γ7 态)。

这就是正常作用得结果。

两个能带在价带顶简并,由于它们得曲率半径有所不同,因此空穴得有效质量也就不相同,较高能量得被称为重空穴带,较低能量得被称为轻空穴带。

(2)不同点:锗与硅毕竟就是两种不同得原子,它们得能带差异也就是存在着得,这主要表现在禁带宽度与导带结构得不同方面。

在禁带宽度方面有以下三个不同之处:首先就是它们得本征载流子浓度不同,硅得高于锗得,这就是因为半导体中发生得本征激发,从而导致了少数载流子,所以当半导体得本征载流子浓度越小,那它本征化得温度就会越高,从而导致相应得半导体器件最高工作温度也就各异。

其次就是载流子得电离率在强电场作用下会有所不同。

因为这种电离过程所需要得平均能量大约为禁带宽度得1、5 倍,属于碰撞电离本征激发得过程,因此当它得禁带宽度越大,电离率反而也就越小。

因此半导体禁带宽度越大,它得雪崩击穿电压也就会越高。

再者就是光激发与光吸收所导致得波长不同。

一般情况下,对于硅与锗来说,它们能够产生光激发与光吸收得最短波长分别为1、8mm、1、2mm。

因此作为光电池与光电探测器件半导体材料,两者分别适应于不同波长范围得光。

硅与锗得导带结构差异主要表现于以下这几个方面:所谓等能面就就是在k空间中,由相等能量得一些点所连接后组成得曲面。

硅与锗得导带底得三维形状可以用等能面来反映,由于硅与锗得导带底不在k=0 处,所以它们得等能面形状都就是椭球型得;而那些Ⅲ-Ⅴ族得半导体,导带底就是位于k=0 处,它们得等能面就都就是球面得。

由于硅与锗得导带底与价带顶不在Brillouin 区中得同一点,因此它们具有间接跃迁得能带结构,锗得导带底位于<111>方向上得L 点处,也就就是布里渊区边界上;而硅得导带底位于<100>方向上得近X 点处。

硅、锗得导带底得简并度也不同,硅得导带底为6度简并,而锗得为8 度简并。

2、2、2 应变对Ge 能带结构得影响由于本文重点就是研究应变Ge 价带空穴得散射机制,所以这里重点了解下弛豫Ge得价带结构,并且对比一下应变对Ge得价带结构产生了怎么样得影响。

通过理论计算及p型样品得实验结果可知锗得价带结构就是复杂得。

价带顶在布里渊区中心k=0 处,而且就是简并得。

在考虑到自旋-轨道耦合情况下,能带分为一组四度简并得状态与一组二度简并得状态。

其中四度简并得状态就是重空穴带与轻空穴带,在k=0 处能量相等,能带得极大值重合。

另一组二度简并得状态为自旋-轨道耦合分裂带,由于自旋-轨道耦合作用使能量降低了一个劈裂能∆,与轻、重空穴带分开。

由于轻重空穴得等能面具有扭曲得形状,称为扭曲面,自旋-轨道耦合分裂带得等能面接近于球面。

在实际得计算过程中,例如态密度得计算当中,常会用球形等能面来进行近似处理。

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