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

1、通過外延生長得到的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，隨著低溫Si緩沖層技術(shù)的提出，獲得高質(zhì)量、低位錯密度的SiGe薄膜成為可能。但是，對于低溫Si緩沖層降低外延層中位錯密度的機理卻沒有統(tǒng)一的認識。
　　低溫Si中含有的大量空位缺陷對降低外延層中位錯密度有重要作用。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于這些空位缺陷是促進還是阻礙位錯成核還有不同的看法，雖然更多學(xué)者認為空位促進位錯成核，但空位是促進90度位錯成核還是促

2、進60度位錯成核仍然不清楚。而對于空位是促進位錯滑移還是促進位錯攀移更是存在著爭議。
　　本文采用分子模擬的方法，通過建立含有位錯偶極子和空位缺陷的SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，采用SW和EDIP作用勢函數(shù)以及周期性邊界條件，對Si晶體中位錯的成核、位錯在Si晶體和SiGe/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的運動特性以及位錯和空位缺陷的相互作用等方面進行了研究，得到了以往在實驗上得不到的位錯演化、位錯和空位相互作用等微觀過程信息，提出了低溫Si緩沖層降低外

3、延層中位錯密度的機理。
　　首先計算了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]方向的理想強度和彈性常數(shù)，然后研究了空位缺陷對Si強度和彈性常數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著空位含量的增加，Si的強度呈負指數(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。
　　通過建立90度和60度位錯偶極子的原子構(gòu)型，采用EDIP勢函數(shù)計算并得到了形成90度位錯所需要的能量小于

4、形成60度位錯所需要的能量，所以90度位錯更容易成核。這從能量角度解決了使用低溫Si緩沖層的外延生長中空位缺陷更容易促進哪種位錯成核的爭議。
　　采用SW勢函數(shù)研究了位錯在Si晶體中的運動特性，發(fā)現(xiàn)位錯滑動必須要克服的Peierls應(yīng)力隨著溫度的增加而降低，這驗證了Peierls-Nabarro理論模型的預(yù)測。在研究溫度和外加剪應(yīng)力對位錯運動速度的影響時，觀察到了位錯的運動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勢函數(shù)研究了位錯在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的運動特性。發(fā)現(xiàn)低溫Si緩沖層的溫度在300℃到450℃之間時可以顯著增加位錯的滑移速度，促進位錯從SiGe外延層進入低溫Si層，同時又阻礙了位錯從低溫Si層進入SiGe外延層。本文利用位錯通過湮滅反應(yīng)可以降低位錯密度的觀點，提出當(dāng)?shù)蜏豐i緩沖層的溫度在300℃到450℃之間時得到的SiGe外延層薄膜中含有的位錯密度最低，

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

7、DIP勢函數(shù)重做了六邊形空位對位錯的釘扎過程，再現(xiàn)并驗證了模擬的結(jié)果。最后，采用SW勢函數(shù)建立了雙空位缺陷模型，觀察到位錯和雙空位相互作用的過程中，位錯會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位錯發(fā)生攀移，但對位錯運動的速度沒有影響。
　　通過以上計算結(jié)果提出了低溫Si緩沖層降低外延層中位錯密度的機理是：低溫Si緩沖層促進了位錯從SiGe外延層進入低溫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