應變異質結

在一種材料襯底上外延另一種晶格常數不匹配的材料時,只要兩種材料的晶格常數相差不是太大,外延層的厚度不超過某個臨界值時,仍可獲得晶格匹配的異質結構。但生長的外延層發生了彈性形變,在平行於結面方向產生張應變或壓縮應變,使其晶格常數改變為襯底的晶格常數相匹配,同時在與結平面垂直的方向也產生相應應變,這種異質結稱為應變異質結。

概述

組成半導體異質結的兩種材料的晶格失配時,在界面處會產生位錯缺陷,對異質結器件的性能有不利影響。

在一種材料襯底上外延另一種晶格常數不匹配的材料時,只要兩種材料的晶格常數相差不是太大,外延層的厚度不超過某個臨界值時,仍可獲得晶格匹配的異質結構。但生長的外延層發生了彈性形變,在平行於結面方向產生張應變或壓縮應變,使其晶格常數改變為襯底的晶格常數相匹配,同時在與結平面垂直的方向也產生相應應變,這種異質結稱為應變異質結。當外延層的厚度超過臨界厚度時,則外延層的應變消失,恢復原來的晶格常數,稱為弛豫。

應變異質結的生長及弛豫過程

應變異質結的外延生長及弛豫過程 應變異質結的外延生長及弛豫過程

圖(a)中表示下面襯底的晶格常數小於上面將外延材料的晶格常數;圖(b)表示外延生長後形成的應變異質結,外延層橫向發生壓縮應變使晶格常數與襯底匹配,同時在縱向伸長發生張應變;圖(c)表示弛豫後的異質結構,在界面處因晶格不匹配而產生缺陷。在應變異質結中,由於發生應變,同時伴有應力存在,這種應力稱為內應力。從圖(b)中可以看到應變異質結界面晶格是匹配的,不存在因晶格不匹配而產生 的界面缺陷,因此可以很好地套用與器件製作。

贗晶生長

應變異質結的無界面失配應變層的生長模式稱為贗晶生長。這種贗晶生長模式不能穩定地無限生長材料,因為隨應變層厚度的增加,伴隨應變的彈性能量不斷積累到一定程度時,應變能量將通過在界面附近產生位錯缺陷而釋放出來,應變層轉變為應變完全弛豫的無應變層,因此,贗晶生長存在一個臨界厚度hc。實驗證明贗晶生長的臨界厚度隨生長溫度的升高而減小,隨贗晶組分的不同而改變。

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