半导体物理论文

半导体材料性质的测定

摘要：简要介绍了半导体材料的晶相，择优取向，及晶格参数的测定，对布拉格衍射效应在半导体光电子材料和光电子器件，通过举例来测定在立方晶相中XRD晶格参数的确定。

关键词：半导体，晶相，择优取向，晶格参数

1.引言

半导体具有许多独特的物理性质，半导体晶体材料同其他固态晶体一样，由大量原子周期性重复排列而成，而每个原子又包含原子核和许多电子，在实际应用的半导体材料晶格中，总是存在着偏离理想情况下的各种复杂情况，晶体对入射波的衍射决定于晶体的结构和入射波的波长，只要波长小于10 - 8cm的入射波，就能在晶体中产生衍射。研究晶体结构常用手段有 X 射线及电子衍射。X 射线波长短，与晶体为同一数量级，但不易直接观察，微波具有电磁波的通性，可以代替 X 射线，但实际晶体的晶格常数约为10 - 8cm，故微波不能对实际晶体产生衍射，可用模拟晶体来实现衍射。

2.晶相：

按结构来分，半导体材料可分为单晶，多晶，非晶。晶相。半导体材料中晶体的样子用晶相表示。晶相是结晶的微观结构，由晶体中高分子链的构象及其排布所决定，种类有：单晶、球晶、树枝状晶、孪晶、伸直链片晶、纤维状晶、串晶等。主要研究工具有：光学显微镜、电子显微镜等。其中含量多者称为主晶相，含量少的称次级晶相或第二晶相。

有时在晶界上还可能发现有第二晶相存在，它的存在一般需用X射线结构分析如X射线图，能谱分析，晶格条纹像等进行确定。陶瓷材料的晶体主要是单一氧化物(如Al2O3，MgO)和复合氧化物(如尖晶石MgO·Al2O3，锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O3)。此外，非氧化物陶瓷材料中还有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等相应组分的晶体存在。陶瓷材料的性能和主晶相的种类、数量、分布及缺陷状况等密切有关。它还表示是金属或金属镀层表面组织结构，通常在表面抛光出一个小面，然后放在金相显微镜下观察。金属可以用热处理等方法改变晶相。晶体有规则的几何形状，晶体中原子按规则排列组成晶格，立方晶体为最简单的晶体，在立方体的每个顶角上均有一个原子，这些原子可看成处于不同的平面上，这些平面称为晶面；晶体是由许多等距、平行的晶面重复排列而成，这些晶面即组成了晶面族，晶面族用晶面指数表示为 hkl，晶面指数的定义为原子所在平面在x、y、z三个坐标轴上的截距长度的倒数比化为三个最小的整数比，又称密勒指数。

3.半导体的择优取向

在一般多晶体中，每个晶粒有不同于邻晶的结晶学取向，从整体看，所有晶粒的取向是任意分布的；某些情况下，晶体的晶粒在不同程度上围绕某些特殊的取向排列，就称为择优取向或简称织构。

晶粒的择优取向是针对多晶薄膜来说的。衍射峰的强度反映了不同取向的晶

粒在薄膜中的比重。强度越高的，通常表明这个取向的晶粒占大多数，当然也要结合粉末衍射的强度比来看就更准确了。

在XRD中，X衍射峰最强峰的晶向就是该样品的择优取向。

关于测试，通常用XRD theta/2theta 联动扫描，对于外延薄膜，先找到衬底的衍射峰，然后依次优化PSI， PHi和2 theta角。之后做大范围的扫描，通常就可以找到则优取向了。但有时外延层和衬底之间会有不同的PSI和PHI角，这个时候就需要再优化外延层的PSI 和PHI，然后再扫描。

4.晶格参数的确定

晶格常数（或称之为点阵常数）指的就是晶胞的边长，也就是每一个平行六面体单元的边长，它是晶体结构的一个重要基本参数。晶格常数(Lattice Constant)是晶体物质的基本结构参数，它与原子间的结合能有直接的关系。晶格常数的变化反映了晶体内部的成分、受力状态等的变化。晶格常数亦称为点阵常数。

在材料科学研究中，为了便于分析晶体中粒子排列，可以从晶体的点阵中取出一个具有代表性的基本单元（通常是最小的平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞，晶胞不一定是最小的重复单元，其一般是原胞（一般认为原胞是组成晶体的最小单元）体积的整数倍。

三维空间中的晶格一般有3个晶格常数，分别用a,b和c来表示。但在立方晶体结构这一特殊情形下，这3个常数都相等，故仅用a来表示。类似的情形还有六方晶系结构，其中a和b这两个常数相等，因此我们只用a和c。一族晶格常数也可合称为晶格参数(latticeparameter)。但实际上，完整的晶格参数应当由3个晶格常数和3个夹角来描述。

例如，对于常见的金刚石，其晶格常数为a=3.57Å(300K)。这里的晶胞是等边结构，但是仅从晶格常数并不能推知金刚石的实际结构。此外，在实际应用中，通常给出的平均晶格常数。在晶体的表面，晶格常数是受表面重建，其平均值的偏差的结果。这种偏差是特别重要的纳米晶体由于表面纳米晶核比大。随着晶格常数的长度尺寸，其SI单位是米。晶格常数通常在几埃的顺序（即零点几纳米）。晶格常数可以使用的技术，如X射线衍射和原子力显微镜测定。

在外延生长，晶格常数是衡量不同材料之间的结构相容性。晶格常数匹配的其他材料的薄层的材料的成长很重要；当常数不同，菌株引入层，防止厚层外延生长无缺陷。

以XRD为例，已知波长λ，已知原始数据，绘制XRD图谱，测定晶格系数。

在Orgion软件中拟和的图谱，如下图一所示：

图一：XRD 图谱

有原始数据和XRD 图谱可知：

表一：XRD 图谱分析得到hkl ，a,d 表

根据布拉格衍射公式 λθk d =sin 2，

)1=k （ 计算出对应于每一个角度的晶面间距d i 。

又由立方晶体的晶格常数计算公式： 222hkl k h a d l ++=

得到： 222a i i i i i l k h d ++⨯=

可以计算出每一个角度对应的晶格常数a i 。

平均值： 9110.630086439

i

i a a -===∑ 不确定度：92

1()0.282100739i

i a a -

=-∆==∑