半导体晶体缺陷

半导体晶体缺陷

创建时间：2008-08-02

半导体晶体缺陷(crystal defect of semiconductor)

半导体晶体中偏离完整结构的区域称为晶体缺陷。按其延展的尺度可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，这4类缺陷都属于结构缺陷。根据缺陷产生的原因可分为原生缺陷和二次缺陷。从化学的观点看，晶体中的杂质也是缺陷，杂质还可与上述结构缺陷相互作用形成复杂的缺陷。一般情况下，晶体缺陷是指结构缺陷。

点缺陷(零维缺陷)主要是空位、间隙原子、反位缺陷和点缺陷复合缺陷。

空位格点上的原子离开平衡位置，在晶格中形成的空格点称为空位。离位原子如转移到晶体表面，在晶格内部所形成的空位，称肖特基空位；原子转移到晶格的间隙位置所形成的空位称弗兰克尔空位。

间隙原子位于格点之间间隙位置的原子。当其为晶体基质原子时称为自间隙原子，化合物半导体MX晶体中的白间隙原子有Mi、Xi两种。

反位缺陷化合物半导体晶体MX中，X占M位，或M占X位所形成的缺陷，记作M

X ，X

M

。

点缺陷的复合各种点缺陷常可形成更复杂的缺陷，空位或间隙原子常可聚集成团，这些团又可崩塌成位错环等。例如硅单晶中有：双空位、F中心(空位-束缚电子复合体)，E中心(空位-P原子对)，SiO

2团(空位-氧复合体)，雾缺陷(点缺陷-金属杂质复合体)。

硅单晶中主要点缺陷有空位、自间隙原子、间隙氧、替位碳、替位硼、替位铜，间隙铜等。

化合物如GaAs单晶中点缺陷有镓空位(v

Ga )、砷空位(V

As

)、间隙镓(G

ai

)，间隙砷(A

Si

)、镓占砷位(As

Ga

)、

砷占镓位(Ga

As

)等，这些缺陷与缺陷、缺陷与杂质之间发生相互作用可形成各种复合体。

GaAs中的深能级。砷占镓位一镓空位复合体(As

Ga v

Ga

)、镓占砷位一镓空位复合体(Ga

As

v

Ga

)在GaAs中形

成所谓A能级(0.40eV)和B能级(0.71eV)分别称作HB

2、HB

5

，它们与EL

2

是三个GaAs中较重要的深能级，

这些深能级与某类缺陷或缺陷之间反应产物有关，EL

2是反位缺陷AsGa或其复合体As

Ga

v

Ga

V

As

所形成，为非

掺杂半绝缘GaAs单晶和GaAs VPE材料中的一个主要深能级，能级位置是导带下0.82eV(也可能由一族深能级所构成)，其浓度为1016cm-3数量级，与材料的化学配比和掺杂浓度有关。

线缺陷(一维缺陷)半导体晶体中的线缺陷主要是位错。晶体生长过程中由于热应力(或其他外力)作用，使晶体中某一部分(沿滑移面)发生滑移，已滑移区与未滑移区的分界线叫位错线，简称为位错。以位错线与其柏格斯矢量的相对取向来区分位错的类型，两者相互垂直叫刃型位错，两者平行的叫螺型位错，否则叫混合位错。混合位错中较常见的有60℃位错，30℃位错。

滑移了一个原子间距所形成的位错又叫全位错，否则叫不全位错。

由于形成直线位错所需能量较高，因此晶体中的位错大都是位错环；位错环又分棱柱位错环和切变位错环两种。

位错的一般特性：(1)位错虽被视为线缺陷，但并非几何学意义上的线，而是有一定宽度的管道。(2)位错管道内及其附近形成一个应力场。位错管道内原子的平均能量比其他区域大得多，故位错不是平衡缺陷。(3)位错在晶体中可形成一封闭环形，或终止于晶体表面，或终止于晶粒间界上，但不能终止于晶体内部。

面缺陷(二维缺陷) 包括小角晶界、堆垛层错、孪晶。

小角晶界晶体中存在的具有一定结晶学取向差异的微小区域，如这些区域的直径很小，约为500～5000个晶胞大小，且取向差异小于10°，则谓之小角晶界；等距刃型位错阵列可构成小角晶界。

堆垛层错原子层的正常堆积次序发生错乱所产生的缺陷。这种错乱如属被抽出一层原子则叫本征层错，如属额外插入一原子层叫非本征层错。硅单晶中的层错有外延层错和热氧化层错(OSF)两类。外延层错既有本征层错也有非本征层错；热氧化层错分为面层错(OSFs，成核于表面)和体层错(OSF

，成核于体内)

B

两种，热氧化层错是一种非本征层错。

孪晶晶体两个不同取向部分的交界面称为孪晶界面，半导体晶体中的孪生面为{111)面，晶体生长过程中，出现孪晶间界的过程叫孪生。孪晶与堆垛层错有密切关系，例如，正常堆垛次序的颠倒就出现一个孪晶间界。半导体晶体中的孪晶都是生长过程中形成的，叫生长孪晶。

体缺陷(三维缺陷) 包括空洞和微沉淀，是指宏观上与基质晶体具有不同结构、不同密度或不同化学成分的区域。

空洞晶体中所包含的较大的空隙区。

微沉淀晶体中出现的分离相，它是由于某些杂质超过溶解度限所形成的。硅晶体中的微沉淀主要是氧、碳的沉淀。化合物半导体中微沉淀则较复杂，如GaAs中除杂质铜、铬、硅、锌等可形成沉淀外，砷也可在位错线上沉淀。微沉淀的形成可引起化学配比的偏离而产生次级缺陷，如某种组元的空位或间隙原子。微沉淀是非辐射复合中心，它的形成常伴随过饱和点缺陷的凝聚和崩塌以及微沉淀与基质晶体之间形成失配应变，还可产生堆垛层错和密集位错等缺陷，故对材料性能有重要影响。其他体缺陷有胞状结构，非晶区等。

微缺陷除上述四类结构缺陷外，还有一类以择优化学腐蚀后表面出现的以高密度浅底小坑或小丘为其腐蚀特征的一类缺陷，称为微缺陷，目前已发现的微缺陷有三类：(1)生长微缺陷；(2)热诱生微缺陷；

(3)雾缺陷。

生长微缺陷硅中的生长微缺陷是热点缺陷凝聚而形成的，由于位错割阶处使过剩的点缺陷淹灭，因而生长微缺陷只出现在无位错硅中。有一种蚀坑在纵剖面上呈周期性不连续条纹状分布，而在横截面上呈不连续螺旋状分布的微缺陷叫漩涡缺陷，这种缺陷的形成可能是点缺陷通过在分凝系数不等于1的慢扩散杂质(如碳)上的非均匀成核过程实现的。GaAs中观察到棱柱位错环，不全位错环以及各种形状的微沉淀等微缺陷，GaP中则有S坑(碟坑)和C坑(云状坑)两种生长微缺陷。

热诱生微缺陷硅单晶在高温热处理后，其中氧的沉淀物及其所造成的晶格畸变所诱生的缺陷。这

种缺陷具有生长微缺陷的腐蚀特征，是高氧含量直拉硅中所特有的缺陷。主要有各种沉淀物(主要是SiO

2沉淀)，棱柱位错环、层错等。

雾缺陷是热处理硅片或外延片择优腐蚀后表面出现的密集而均匀分布的雾状缺陷，其基本特征是：只出现在片子表面1～2μm以内，高温处理前观察不到，主要是500℃以上形成，具有较高的热迁移率，

对晶格应力高度敏感，其形成过程是由于玷污金属的溶解、扩散和沉淀三个过程的结合。雾状缺陷在其后

的氧化工艺中会引起氧化层错，利用内、外吸除技术可有效地消除雾缺陷。

关于缺陷工程的概念半导体技术自诞生之日起就伴随着晶格缺陷的研究；缺陷的控制与消除研究工作导致了一个新型材料工程——缺陷工程的诞生。其基本思想是：在深入理解缺陷的基础上，既要努力

减少或消除缺陷，也可正面利用缺陷去控制或抵消其他某些难以消除的有害缺陷的影响，以提高器件的成

品率和可靠性。这方面，至少有三个成功的实例：GaP发光器件(LED)中等电子陷阱的利用；通过深能级ELz 控制非掺杂GaAs单晶的半绝缘性能；硅中利用氧沉淀作为吸杂中心以“耗尽”有源区内的有害金属杂质。有的学者提出把“缺陷”这个词改称为“结晶态变体”(crysta lline variant)可能更恰当些，因为有缺陷的晶体并不一定导致有缺陷的器件；化学上，结构上都完整的半导体只具备学术理论意义。控制(减少，消除)缺陷与利用缺陷都可能提高器件性能和成品率。随着材料、器件研究的不断深入，可能不断发现新的缺陷和新的缺陷反应，并从而设计出具有新性能和新结构的器件。