GeSi的晶体结构.pptx
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1、光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件第一章 Ge、Si的晶体结构 光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件本章内容v1.1 Ge、Si的晶体结构的晶体结构v1.2 晶向和晶面晶向和晶面v1.3 锗硅晶体的各向异性锗硅晶体的各向异性光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件1、晶胞和晶格常数晶胞和晶格常数 Ge、Si晶体中原子排列的情况如图晶体中原子排列的情况如图1-1所示。图中的立方体是反映所示。图中的立方体是反映Ge、Si晶体中原子排列基本特点的一个单元,晶体中原子排列基
2、本特点的一个单元,常称为常称为晶胞晶胞。晶胞的各个边长叫做。晶胞的各个边长叫做晶格晶格常数常数,是不同晶体的一个特征性参量。,是不同晶体的一个特征性参量。对对Ge、Si晶体,其晶胞是图晶体,其晶胞是图1-1所示的所示的立方体,因此只有一个晶格常数(记为立方体,因此只有一个晶格常数(记为a)。)。1.1 Ge、Si的晶体结构的晶体结构图1-1 Ge、Si的晶格结构 光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v 晶体中原子排列的情况和晶格常数等,可通过晶体中原子排列的情况和晶格常数等,可通过X射线射线结构分析等技术确定出来。已给出结构分析等技术确定出来。已给出
3、硅的晶格常数硅的晶格常数a=0.5428nm,锗的晶体常数锗的晶体常数a=0.5658nm。v 仔细观察一下图仔细观察一下图1-1所示的晶胞,就可以知道,该立方所示的晶胞,就可以知道,该立方体晶胞中共包含有体晶胞中共包含有18个原子(顶角个原子(顶角8个,面心个,面心6个,内部个,内部4个),但是真正属于该晶胞的原子只有个),但是真正属于该晶胞的原子只有8个,据此就容易计个,据此就容易计算晶体的原子密度。因为晶胞的体积为算晶体的原子密度。因为晶胞的体积为a3,则晶体中每个,则晶体中每个原子所占有的体积为原子所占有的体积为a3/8,所以晶体原子密度,所以晶体原子密度=8/a3。代入。代入a的值就
4、得到:的值就得到:Si晶体的原子密度晶体的原子密度=51022/cm3,Ge晶体的晶体的原子密度原子密度=4.41022/cm3。光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v晶胞中的晶胞中的18个原子,分别处于两种不同的位置,一种是在个原子,分别处于两种不同的位置,一种是在晶体胞的顶角和面心上,另一种是在晶胞内的体对角线上,晶体胞的顶角和面心上,另一种是在晶胞内的体对角线上,它们的坐标分别为:它们的坐标分别为:v第一种位置:第一种位置:(0,0,0);();(1/2,1/2,0);();(1/2,0,1/2););(0,1/2,1/2););v第二种位置:
5、第二种位置:(1/4,1/4,1/4);();(3/4,3/4,1/4););(3/4,1/4,3/4);();(1/4,3/4,3/4););光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件2、锗,硅晶体中原子排列的规律、锗,硅晶体中原子排列的规律 完整晶体中原子的排列是很规则的,各有一定的排列完整晶体中原子的排列是很规则的,各有一定的排列规律,这种规律可完全由其晶胞结构反映出来。规律,这种规律可完全由其晶胞结构反映出来。仔细分析图仔细分析图1-1中的晶胞,就会发现,对中的晶胞,就会发现,对Ge、Si晶体,晶体,其原子排列的规律可从两方面来看:其原子排列的规律
6、可从两方面来看:(1)每个原子的周围有)每个原子的周围有4个最邻近的原个最邻近的原子(与中心原子的距离都相等),而且子(与中心原子的距离都相等),而且这这4个最邻近的原子按正四面体分布,个最邻近的原子按正四面体分布,Ge、Si中的原子之所以有这种特殊的排中的原子之所以有这种特殊的排列规律,是由其共价键的性质所决定的。列规律,是由其共价键的性质所决定的。按这种规律分布的键,通常称为四面体按这种规律分布的键,通常称为四面体键。根据这种看法,则整个晶体可认为键。根据这种看法,则整个晶体可认为是由图是由图1-2所示的许多共价四面体堆砌而所示的许多共价四面体堆砌而成的。成的。图图1-2 锗、硅中的四面体
7、结构锗、硅中的四面体结构光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v(2)整个)整个Ge、Si晶体可看成由两套面晶体可看成由两套面心立方晶格套构起来的。面心立方晶心立方晶格套构起来的。面心立方晶格的一个晶胞是带有面心原子的立方格的一个晶胞是带有面心原子的立方体,如图体,如图1-3所示,所示,Al,Au等金属就具等金属就具有这种晶格。有这种晶格。Ge、Si的晶格,可看成的晶格,可看成是由两套面心立方格沿晶胞体对角线是由两套面心立方格沿晶胞体对角线方向,且错开方向,且错开1/4体对角线长度套构而体对角线长度套构而成的,如图成的,如图1-4所示。这就是说,所示。
8、这就是说,Ge、Si晶格是由两套简单的面心立方晶格晶格是由两套简单的面心立方晶格构成,是一种较为复杂的晶格,正因构成,是一种较为复杂的晶格,正因为为Ge、Si晶格可由基本的面心立方晶晶格可由基本的面心立方晶格套构而成,所以常常把格套构而成,所以常常把Ge、Si的结的结构归属于面心立方晶格。构归属于面心立方晶格。图1-3 面心立方晶格图1-4 锗、硅的晶格结构光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件 由图由图1-4可见,处于正四面体中心的原子和四面体顶可见,处于正四面体中心的原子和四面体顶角的原子,分别属于两套不同的面心立方晶格,它们是有角的原子,分别属于
9、两套不同的面心立方晶格,它们是有区别的。四面体中心原子和顶角原子的价键取向是不一样区别的。四面体中心原子和顶角原子的价键取向是不一样的,就是说,尽管原子种类相同,但其在晶体中所处的环的,就是说,尽管原子种类相同,但其在晶体中所处的环境不同。应当注意,所谓四面体中心或顶角,这是相对的,境不同。应当注意,所谓四面体中心或顶角,这是相对的,实际上,任何一个原子既可以是某个四面体的中心原子,实际上,任何一个原子既可以是某个四面体的中心原子,也可以是另一个四面体的顶角原子。也可以是另一个四面体的顶角原子。结构分析指出,这种结构分析指出,这种Ge、Si的晶体结构的晶体结构与金刚石的晶与金刚石的晶体结构完全
10、相同,只是原子种类和晶格常数不同,因此,体结构完全相同,只是原子种类和晶格常数不同,因此,通常把这种形式的晶体结构统称为通常把这种形式的晶体结构统称为“金刚石结构金刚石结构”。光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件3、四面体半径和杂质的失配四面体半径和杂质的失配 Ge、Si中每一个原子周围有中每一个原子周围有4个按正面体分布的邻近原子。因此,个按正面体分布的邻近原子。因此,Ge、Si晶体中的最小原子间距,也就是正四面体的中心原子到顶角原晶体中的最小原子间距,也就是正四面体的中心原子到顶角原子之间的距离,把这个最小原子间距再除以子之间的距离,把这个最小原
11、子间距再除以2,就定义为四面体半径,就定义为四面体半径,显然,四面体半径也就是把晶体原子都看成是一个个硬球的球半径,显然,四面体半径也就是把晶体原子都看成是一个个硬球的球半径,这是金刚石结构特有的一个结构参数。这是金刚石结构特有的一个结构参数。由图由图1-4可以看到,最小原子间距就是晶胞体对角线长的可以看到,最小原子间距就是晶胞体对角线长的1/4。因。因此易于用晶格常数此易于用晶格常数a表示出四面体半径表示出四面体半径r。因为晶胞体对角线长为。因为晶胞体对角线长为 ,则最小原子间距为则最小原子间距为 ,所以四面体半径,所以四面体半径r=,代入,代入Ge、Si的晶格的晶格常数,即求得:常数,即求
12、得:rSi0.117nm,rGe0.122 nm 光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v如果把晶体看作是由一个个硬球按一定规律堆积而成的,就可以根据四如果把晶体看作是由一个个硬球按一定规律堆积而成的,就可以根据四面体半径来计算出这些硬球所占整个晶体体积的百分比。面体半径来计算出这些硬球所占整个晶体体积的百分比。v因为每个球的体积等于因为每个球的体积等于 ,而每个球所占有的晶体体积为,而每个球所占有的晶体体积为 ,所,所以以空间利用率空间利用率等于等于v可见,如可见,如Ge、Si等金刚石结构的晶体,体内大部分空间是等金刚石结构的晶体,体内大部分空间是“
13、空空”的。正的。正因为如此,某些半径较小的杂质原子(如因为如此,某些半径较小的杂质原子(如Cu、Fe、Ni等原子)就可以较等原子)就可以较容易地在容易地在Ge、Si晶体中运动和镶嵌在这些晶体中运动和镶嵌在这些“空隙空隙”中。这样的杂质通常中。这样的杂质通常为为间隙式杂质。间隙式杂质。v但是,如果杂质原子的半径较大,或价键性决定其不易进入晶体间隙中但是,如果杂质原子的半径较大,或价键性决定其不易进入晶体间隙中(如(如B、P、Sb等等、族杂质),显然,这些杂质原子就只有通过与族杂质),显然,这些杂质原子就只有通过与基体基体Ge、Si原子互换位置才能进入晶体中。这样的杂质通常为原子互换位置才能进入晶
14、体中。这样的杂质通常为代位式杂代位式杂质。质。光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v失配因子失配因子=|基体原子半径基体原子半径-杂质原子半径杂质原子半径|/基体原子半径基体原子半径杂质元素NCBPSiAlAsGeGaSbSnInBiPbTl四面体半径/nm0.0700.0770.0880.1100.1170.1260.1180.1220.1260.1360.1400.1440.1460.1460.147表表1-1常用杂质元素的四面体半径常用杂质元素的四面体半径杂质PAsSbBAlGaInSnCGe在硅中晶的失配因子0.0160.0080.160.2
15、480.0770.0770.2310.200.3420.0427表表1-2杂质在硅中的失配因子杂质在硅中的失配因子光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件4、掺杂问题掺杂问题 在在Ge、Si晶晶体体中中,如如果果所所掺掺入入杂杂质质的的失失配配因因子子较较大大,则则杂杂质质将将使使晶晶格格发发生生畸畸变变,在在晶晶体体中中造造成成较较大大的的应应力力,在在高高温温下下由由于于晶晶体体内内摩摩擦擦力力迅迅速速减减小小,则则晶晶体体原原子子有有可可能能发发生生重重新新排排列列以以减减小小应应力力,这这就就必必将将导导致致各各种种晶晶体体缺缺陷陷的的出出现现。
16、由由于于这这种种失失配配杂杂质质的的掺掺入入所所引引起起的的位位错错,称称为为失失配配位位错错。显显然然,失失配配杂杂质质掺掺入入越越多多,则则晶晶格格畸畸变变越越大大,就就越越容容易易产产生生晶晶体体缺缺陷陷。因因此此,在在Ge、Si晶晶体体中中,为为保保证证不不致致于于产产生生大大量量的的缺缺陷陷,就就有有一一个个掺掺杂杂浓浓度度的的上上限限。例例如如,对对硅硅中中的的B和和P,掺掺杂杂浓浓度度上上限限分分别别为为51019/cm3和和51020/cm3;但但对对Si中中的的As,因因其其失失配配因因子子很很小小,则则此此浓浓度度上上限限可可接接近近其其最最大大固固溶溶度度51021/cm
17、3,所所以以,在在Si中中掺掺As不易产生缺陷。不易产生缺陷。光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整呢?这怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整呢?这就是所谓就是所谓“完美晶体技术完美晶体技术”需要解决的一个重要课题。目前,在硅工需要解决的一个重要课题。目前,在硅工艺中所采用的办法,归纳起来可以有三种:艺中所采用的办法,归纳起来可以有三种:v(1)用)用As取代取代P和和Sbv(2)四面体半径大于)四面体半径大于Si的杂质,和四面体半径小于的杂质,和四面体半径小于Si的杂质同时掺入
18、。的杂质同时掺入。v(3)P和和As或或B和和As同时掺入。同时掺入。图1-5 硅晶格常数随掺杂浓度的变化光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件1.2 晶向和晶面晶向和晶面v1、晶面的标记、晶面的标记 如果空间中某一平面与坐标轴如果空间中某一平面与坐标轴X、Y、Z的截距分别为的截距分别为r、s、t,则该,则该平面方程可写成:平面方程可写成:若令若令 则该平面的方程可换写成为:则该平面的方程可换写成为:可见,某一个平面可完全由其各个截距的倒数可见,某一个平面可完全由其各个截距的倒数h、k、l值来决定,因值来决定,因此该平面就可以用此该平面就可以用“h、k
19、、l”这一组数来标记。这一组数来标记。光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v2.晶向指数:晶向指数:B格子的格点可看成是分列在一系列平行、等距的直线系上,这些格子的格点可看成是分列在一系列平行、等距的直线系上,这些直线系称为晶列。直线系称为晶列。一个无穷大的一个无穷大的B格子,可有无穷多种晶列。格子,可有无穷多种晶列。晶向指数:晶向指数:从该晶列通过轴矢坐标系原点的直线上任取一格点,把该格从该晶列通过轴矢坐标系原点的直线上任取一格点,把该格点指数化为互质整数,称为晶向指数,表示为点指数化为互质整数,称为晶向指数,表示为h,k,l。B格子的格点还可看成
20、是分列在一系列平行、等距的平面系上,格子的格点还可看成是分列在一系列平行、等距的平面系上,这些平面系称为晶面系(晶面族)。这些平面系称为晶面系(晶面族)。一个无穷大的一个无穷大的B格子,可有无穷多方向不同的晶面系。格子,可有无穷多方向不同的晶面系。v3.晶面指数(密勒指数):晶面指数(密勒指数):光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v晶面表示方法:晶面表示方法:v(1)找出晶面系中任一晶面在轴矢上的截距;)找出晶面系中任一晶面在轴矢上的截距;v(2)截距取倒数;)截距取倒数;v(3)化为互质整数,表示为()化为互质整数,表示为(h,k,l)。)。(h
21、,k,l)可表示一个晶面系,也可表示某一个晶面。可表示一个晶面系,也可表示某一个晶面。v注意:注意:化互质整数时,所乘的因子的正、负并未限制,化互质整数时,所乘的因子的正、负并未限制,故故100和和100应视为同一晶向。应视为同一晶向。光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v例例1:在立方晶系中,在立方晶系中,100代表代表 100,010,001三个等效晶向。三个等效晶向。v例例2:在立方晶系中,在立方晶系中,100代表代表(100),(010),(001)三个等效晶面族。三个等效晶面族。有时为了表示一个具体的晶面,也可以不化互质整数。有时为了表示一
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