硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)中失配位錯(cuò)演化及應(yīng)變釋放機(jī)理的分子模擬.pdf

1、通過(guò)外延生長(zhǎng)得到的SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜在高性能Si基器件上有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著低溫Si緩沖層技術(shù)的提出，獲得高質(zhì)量、低位錯(cuò)密度的SiGe薄膜成為可能。但是，對(duì)于低溫Si緩沖層降低外延層中位錯(cuò)密度的機(jī)理卻沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。
　　低溫Si中含有的大量空位缺陷對(duì)降低外延層中位錯(cuò)密度有重要作用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于這些空位缺陷是促進(jìn)還是阻礙位錯(cuò)成核還有不同的看法，雖然更多學(xué)者認(rèn)為空位促進(jìn)位錯(cuò)成核，但空位是促進(jìn)90度位錯(cuò)成核還是促

2、進(jìn)60度位錯(cuò)成核仍然不清楚。而對(duì)于空位是促進(jìn)位錯(cuò)滑移還是促進(jìn)位錯(cuò)攀移更是存在著爭(zhēng)議。
　　本文采用分子模擬的方法，通過(guò)建立含有位錯(cuò)偶極子和空位缺陷的SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，采用SW和EDIP作用勢(shì)函數(shù)以及周期性邊界條件，對(duì)Si晶體中位錯(cuò)的成核、位錯(cuò)在Si晶體和SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)特性以及位錯(cuò)和空位缺陷的相互作用等方面進(jìn)行了研究，得到了以往在實(shí)驗(yàn)上得不到的位錯(cuò)演化、位錯(cuò)和空位相互作用等微觀過(guò)程信息，提出了低溫Si緩沖層降低外

3、延層中位錯(cuò)密度的機(jī)理。
　　首先計(jì)算了Si晶體在單軸拉伸下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得到了Si在[111]方向的理想強(qiáng)度和彈性常數(shù)，然后研究了空位缺陷對(duì)Si強(qiáng)度和彈性常數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著空位含量的增加，Si的強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)規(guī)律降低，而彈性常數(shù)呈線性規(guī)律減小。最后得到了宏觀各向同性Si材料的彈性常數(shù)，這些常數(shù)將在后面的研究中應(yīng)用。
　　通過(guò)建立90度和60度位錯(cuò)偶極子的原子構(gòu)型，采用EDIP勢(shì)函數(shù)計(jì)算并得到了形成90度位錯(cuò)所需要的能量小于

4、形成60度位錯(cuò)所需要的能量，所以90度位錯(cuò)更容易成核。這從能量角度解決了使用低溫Si緩沖層的外延生長(zhǎng)中空位缺陷更容易促進(jìn)哪種位錯(cuò)成核的爭(zhēng)議。
　　采用SW勢(shì)函數(shù)研究了位錯(cuò)在Si晶體中的運(yùn)動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)滑動(dòng)必須要克服的Peierls應(yīng)力隨著溫度的增加而降低，這驗(yàn)證了Peierls-Nabarro理論模型的預(yù)測(cè)。在研究溫度和外加剪應(yīng)力對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度的影響時(shí)，觀察到了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度隨著溫度的增加而降低的聲子拖拽效應(yīng)。這為下面的研究奠定

5、了基礎(chǔ)。
　　接下來(lái)建立了含有低溫Si緩沖層的SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，采用SW勢(shì)函數(shù)研究了位錯(cuò)在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)特性。發(fā)現(xiàn)低溫Si緩沖層的溫度在300℃到450℃之間時(shí)可以顯著增加位錯(cuò)的滑移速度，促進(jìn)位錯(cuò)從SiGe外延層進(jìn)入低溫Si層，同時(shí)又阻礙了位錯(cuò)從低溫Si層進(jìn)入SiGe外延層。本文利用位錯(cuò)通過(guò)湮滅反應(yīng)可以降低位錯(cuò)密度的觀點(diǎn)，提出當(dāng)?shù)蜏豐i緩沖層的溫度在300℃到450℃之間時(shí)得到的SiGe外延層薄膜中含有的位錯(cuò)密度最低，

6、這與他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。此外，還研究了SiGe外延層中Ge含量的變化對(duì)外延層中位錯(cuò)密度的影響，提出了實(shí)際外延生長(zhǎng)技術(shù)中參數(shù)選擇的依據(jù)。
　　用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了低溫Si緩沖層中的空位缺陷與位錯(cuò)之間的相互作用。首先采用SW勢(shì)函數(shù)建立了六邊形空位缺陷模型，觀察到空位缺陷對(duì)位錯(cuò)的釘扎效應(yīng)，研究了六邊形空位缺陷導(dǎo)致60度位錯(cuò)分解生成30度和90度肖克萊位錯(cuò)的過(guò)程。發(fā)現(xiàn)六邊形空位缺陷會(huì)阻礙位錯(cuò)的滑移，大大降低位錯(cuò)的滑移速度。其次，采用E

7、DIP勢(shì)函數(shù)重做了六邊形空位對(duì)位錯(cuò)的釘扎過(guò)程，再現(xiàn)并驗(yàn)證了模擬的結(jié)果。最后，采用SW勢(shì)函數(shù)建立了雙空位缺陷模型，觀察到位錯(cuò)和雙空位相互作用的過(guò)程中，位錯(cuò)會(huì)將雙空位吸收并使體系能量降低。發(fā)現(xiàn)雙空位缺陷可以促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)生攀移，但對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速度沒(méi)有影響。
　　通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果提出了低溫Si緩沖層降低外延層中位錯(cuò)密度的機(jī)理是：低溫Si緩沖層促進(jìn)了位錯(cuò)從SiGe外延層進(jìn)入低溫Si層，而低溫Si層中大量的空位缺陷主要是雙空位缺陷形態(tài)，這些空位