硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)中部分位錯(cuò)演化的分子模擬.pdf

1、Si和Ge是當(dāng)代電子工業(yè)中應(yīng)用最多的半導(dǎo)體材料。在Si基體上外延生長(zhǎng)SiGe合金形成了SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠?qū)ζ骷哪軒нM(jìn)行人工剪裁，并且具有優(yōu)異的光、電特性，所以被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過(guò)程中，由于Si、Ge晶格常數(shù)的差異，不可避免地要產(chǎn)生失配位錯(cuò)。在Si中，主要的可滑移失配位錯(cuò)為60度位錯(cuò)。隨著60度位錯(cuò)和螺位錯(cuò)地分解，部分位錯(cuò)(30度部分位錯(cuò)和90度部分位錯(cuò))成為了異質(zhì)結(jié)構(gòu)中主要的位錯(cuò)形式。在半導(dǎo)

2、體器件中，位錯(cuò)不但關(guān)系著材料的塑性變形，而且還影響器件的光、電特性。所以本文利用分子模擬方法從原子尺度對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中部分位錯(cuò)的演化進(jìn)行了研究，為獲得完全馳豫、低位錯(cuò)密度、高質(zhì)量的半導(dǎo)體器件提供理論支持。
　　本文首先利用基于Environment-dependent interatomic potential(EDIP)的分子動(dòng)力學(xué)方法(MD)和基于半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)(TB)的Nudged Elastic Band(NEB)方法對(duì)30度部

3、分位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究。利用MD方法得到了在不同溫度和剪切應(yīng)力條件下左彎結(jié)(LK)，右彎結(jié)(RK)，左彎結(jié)-重構(gòu)缺陷(LC)和右彎結(jié)-重構(gòu)缺陷(RC)在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。發(fā)現(xiàn)在一般情況下彎結(jié)通過(guò)中間穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。但是在較高溫度和剪應(yīng)力條件下，LK中會(huì)出現(xiàn)彎結(jié)對(duì)，RK會(huì)分解產(chǎn)生RC+重構(gòu)缺陷的結(jié)構(gòu)，它們都參與了彎結(jié)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。LK和RK在不同溫度和剪應(yīng)力條件下的速度曲線表明這兩種現(xiàn)象都加速了30度部分位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在彎

4、結(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上，利用NEB方法得到了30度部分位錯(cuò)中四種彎結(jié)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的遷移勢(shì)壘，驗(yàn)證了MD結(jié)果的正確性。此外還發(fā)現(xiàn)重構(gòu)缺陷可以降低左、右彎結(jié)的遷移勢(shì)壘值，加速30度部分位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。這也解釋了RC相對(duì)于其它彎結(jié)具有較低運(yùn)動(dòng)勢(shì)壘的原因。
　　其次，利用MD方法和NEB方法研究了90度部分位錯(cuò)雙周期(DP)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。詳盡描述了90度部分位錯(cuò)中DP的左彎結(jié)和右彎結(jié)在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并且利用基于TB的MD學(xué)方法得到了

5、DP中左、右彎結(jié)的形成能。在彎結(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上，利用基于TB的NEB方法計(jì)算出了左、右彎結(jié)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的遷移勢(shì)壘。最后，根據(jù)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的活化能理論分別得到了決定90度部分位錯(cuò)DP結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的長(zhǎng)位錯(cuò)段和短位錯(cuò)段的活化能。
　　接著本文對(duì)Si中單空位、雙空位和六邊形空位環(huán)利用第一性原理(DFT)、Stillinger-Weber(SW)、EDIP和Tersoff(T3)進(jìn)行了對(duì)比研究。DFT計(jì)算結(jié)果表明
　　該方法可以較好

6、的描述空位的結(jié)構(gòu)和能量特性。通過(guò)結(jié)果之間的對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，由于經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)自身的缺陷，它們無(wú)法描述遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的空位的量子效應(yīng)，如Jahn-Teller變形。這導(dǎo)致EDIP和T3無(wú)法應(yīng)用于空位結(jié)構(gòu)特性的計(jì)算中。在單空位、雙空位和六邊形空位環(huán)形成能的計(jì)算中，只有SW在所有的計(jì)算中得出了與DFT相近的結(jié)果。以上所有結(jié)果表明在有關(guān)空位的大規(guī)模 MD計(jì)算中SW是經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)中的最優(yōu)選擇。
　　在部分位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)特性及有關(guān)空位研究的基礎(chǔ)上，本文利用基于

7、SW的MD方法分別研究了30度部分位錯(cuò)與單空位和雙空位的相互作用。通過(guò)對(duì)相互作用過(guò)程的研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪應(yīng)力較低時(shí)，空位對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用；當(dāng)外加剪應(yīng)力達(dá)到臨界值后位錯(cuò)開(kāi)始脫離空位的釘扎繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。隨著溫度的升高，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，臨界剪應(yīng)力近似線性下降。在雙空位中，位錯(cuò)脫離空位釘扎的能力主要受彎結(jié)的遷移勢(shì)壘決定：彎結(jié)的遷移勢(shì)壘越小，運(yùn)動(dòng)能力越強(qiáng)，越容易脫離空位的釘扎。通過(guò)相同條件下含有空位和不含空位結(jié)果的對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，由于空位的引入，可能在