硅的晶格结构与结构缺陷

Si, Z=14 1s22s22p63s23p2 其他位置：不允许电子存
在
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禁带：
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3杂化 Sp
3s,3p轨道简并化，并且线性组合成新 轨道波函数



Ψ1=1/2(Ψ3s+Ψ3px+Ψ3py+Ψ3pz) Ψ2=1/2(Ψ3s+Ψ3px-Ψ3py-Ψ3pz ) Ψ3=1/2(Ψ3s-Ψ3px+Ψ3py-Ψ3pz) Ψ4=1/2(Ψ3s-Ψ3px-Ψ3py+Ψ3pz)
n:平衡浓度，w:生成能
非平衡过饱和 〉〉聚集 〉〉漩涡状分布 A: 过饱和自填隙原子 ，填隙式位错环。 B: A的前身，自填隙和碳的三维聚集体。 D: 空位的聚集体（取决于温度梯度和生长速率）
（目前还未能给出令人完全满意的描述）
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非本征点缺陷（杂质原子点缺陷）
杂质原子：
电活性杂质：B，P，As， Sb，等 电惰性杂质：C，O，等 金属杂质：Fe，Ni，Cu，Ti，Au，等
斯矢量绝对值的平方成正比

DA2>Dβ2+ βA2 (D β， βA成120度) 1/2[011]→1/6[121]+ 1/6[-112] 1/6[121]=1/2(1/2[011] - 1/6[21-1]) 1/6[-112]=1/2(1/2[011]+1/6[21-1])
DA2=Dδ2+δA2 (D δ ， δ A成90度) 1/2[011]=1/3[111]+ 1/6[-211]
硅的晶格结构与结构缺陷
一，半导体材料硅 二，硅的晶格结构 三，硅的缺陷 四，硅缺陷的检测
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半导体材料硅

硅的时代 半导体的特性 材料的特性与材料的结构
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发展速度很快
20世纪：国际

国内

30年代初期： 固体能带理论 50年代中后期： 多晶硅工业生产 58年： 直拉无位错硅单晶 技术 W.C.Dash
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与缺陷相关的晶格矢量

1/2 <011>: DA,DB,DC,AB,BC,CA 1/3 <111>: Aα,Bβ,Cγ,Dδ 1/6 <112>: αB,αC,αD,βA,βC,βD, γA,γB,γD,δA,δB,δc.
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单位长度位错的能量与柏格
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点缺陷
原子水平的直接实验研究技术没有满意解决，不同意见常有争议
原子的空位、填隙、替位
双空位、 填隙对 多空位、 填隙团 空位团
微缺陷
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本征点缺陷（硅原子自身的缺陷）
空位、自填隙、（无替位，化合物有反位）
n=exp(-w/kt)
快扩散 溶解度随温度而变化 溶解：影响寿命 沉积：表面—雾缺陷。 结区—漏电，低软击穿。 引发位错、层错。 典型结构：层状沉积外围层错 （缺陷复合体）
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电惰性杂质： (ppm量级)
氧：（热施主、新施主，对电导、寿命稍有影响）
填隙态，过饱和（存在沉积的热力学驱动力） 多种沉积形态（与环境条件有关） 沉积时体积增加，发射自填隙
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硅的缺陷


位错、层错及它们的相互 关系 与缺陷相关的晶格矢量 点缺陷、微缺陷
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碳：替位态。
沉积时体积缩小，吸收自填隙 碳同硅自填隙共沉积。（SiC） 碳同氧共沉积 --B缺陷
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缺陷的检测

间接检测 择优腐蚀 方便，针对性强 直接检测 TEM分析

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>>>> < >>>>>> ……ABCAB ABCABCA …….缺少一层 (-1/3[111] ) >>>> > > >>>>> ……ABCAB CABCABC …… 正常堆垛 >>>> < < >>>>> ……ABCAB A CABCAB…… 多余一层 (+1/3[111] ) …….ABCABCABCABC…… 正常堆垛 ……ABCAB CABCABC…… 第一次滑移 ……ABCAB ABCABCA…… 1/6[-211] -1/2[011] = -1/3[111] ……ABCAB ABCABCA…… 相当于缺少一层 ……ABCAB A BCABCA…… 第二次滑移 ……ABCAB A CABCAB…… 1/6[-211] x 2 +[100] =1/3[111] ……ABCAB A CABCAB…… 相当于多余一层
56年： 开设半导体专业 60年前后： 多晶硅工业生产




60年代： “901厂”等生产 直拉硅单晶
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硅的结构

Sp3杂化 金刚石结构 几个最重要的低指数方向 的结构
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4来自百度文库
电子的能量状态
孤立原子 材料
能级 能级位置：允许电子存在

能带 允带：

的能量状态 满带：电子占领所有状态 空带：状态没有被电子占领 满带、空带都不导电， 半满的带才能导电
（无空位）,填隙（ O ）,替位（ C，电活性杂质） （金属杂质填隙,替位都有）
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电活性杂质： (ppb量级)
电导，替位，溶解度高。
重掺Sb 〉〉分凝 〉〉过冷 区 〉〉 不均匀（胞状结 构） 〉〉失配 〉〉位错
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金属杂质：(ppt量级)
半导体中不容许存在，环境中普遍存在（洁净厂房）