硅鍺異質(zhì)結構中部分位錯演化的分子模擬.pdf

1、Si和Ge是當代電子工業(yè)中應用最多的半導體材料。在Si基體上外延生長SiGe合金形成了SiGe/Si異質(zhì)結構。由于異質(zhì)結構能夠?qū)ζ骷哪軒нM行人工剪裁，并且具有優(yōu)異的光、電特性，所以被廣泛應用于半導體工業(yè)中。在異質(zhì)結構生產(chǎn)過程中，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。在Si中，主要的可滑移失配位錯為60度位錯。隨著60度位錯和螺位錯地分解，部分位錯(30度部分位錯和90度部分位錯)成為了異質(zhì)結構中主要的位錯形式。在半導

2、體器件中，位錯不但關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異質(zhì)結構中部分位錯的演化進行了研究，為獲得完全馳豫、低位錯密度、高質(zhì)量的半導體器件提供理論支持。
　　本文首先利用基于Environment-dependent interatomic potential(EDIP)的分子動力學方法(MD)和基于半經(jīng)驗勢函數(shù)(TB)的Nudged Elastic Band(NEB)方法對30度部

3、分位錯的運動特性進行了研究。利用MD方法得到了在不同溫度和剪切應力條件下左彎結(LK)，右彎結(RK)，左彎結-重構缺陷(LC)和右彎結-重構缺陷(RC)在一個周期內(nèi)的運動過程。發(fā)現(xiàn)在一般情況下彎結通過中間穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)運動。但是在較高溫度和剪應力條件下，LK中會出現(xiàn)彎結對，RK會分解產(chǎn)生RC+重構缺陷的結構，它們都參與了彎結的運動過程。LK和RK在不同溫度和剪應力條件下的速度曲線表明這兩種現(xiàn)象都加速了30度部分位錯的運動。在彎

4、結運動過程的基礎上，利用NEB方法得到了30度部分位錯中四種彎結在一個運動周期內(nèi)的遷移勢壘，驗證了MD結果的正確性。此外還發(fā)現(xiàn)重構缺陷可以降低左、右彎結的遷移勢壘值，加速30度部分位錯的運動。這也解釋了RC相對于其它彎結具有較低運動勢壘的原因。
　　其次，利用MD方法和NEB方法研究了90度部分位錯雙周期(DP)結構的運動特性。詳盡描述了90度部分位錯中DP的左彎結和右彎結在一個周期內(nèi)的運動過程，并且利用基于TB的MD學方法得到了

5、DP中左、右彎結的形成能。在彎結運動過程的基礎上，利用基于TB的NEB方法計算出了左、右彎結在一個運動周期內(nèi)的遷移勢壘。最后，根據(jù)位錯運動的活化能理論分別得到了決定90度部分位錯DP結構運動速度的長位錯段和短位錯段的活化能。
　　接著本文對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)進行了對比研究。DFT計算結果表明
　　該方法可以較好

6、的描述空位的結構和能量特性。通過結果之間的對比后發(fā)現(xiàn)，由于經(jīng)驗勢函數(shù)自身的缺陷，它們無法描述遠離平衡狀態(tài)的空位的量子效應，如Jahn-Teller變形。這導致EDIP和T3無法應用于空位結構特性的計算中。在單空位、雙空位和六邊形空位環(huán)形成能的計算中，只有SW在所有的計算中得出了與DFT相近的結果。以上所有結果表明在有關空位的大規(guī)模 MD計算中SW是經(jīng)驗勢函數(shù)中的最優(yōu)選擇。
　　在部分位錯運動特性及有關空位研究的基礎上，本文利用基于

7、SW的MD方法分別研究了30度部分位錯與單空位和雙空位的相互作用。通過對相互作用過程的研究后發(fā)現(xiàn)，當剪應力較低時，空位對位錯有釘扎作用；當外加剪應力達到臨界值后位錯開始脫離空位的釘扎繼續(xù)運動。隨著溫度的升高，位錯的運動能力增強，臨界剪應力近似線性下降。在雙空位中，位錯脫離空位釘扎的能力主要受彎結的遷移勢壘決定：彎結的遷移勢壘越小，運動能力越強，越容易脫離空位的釘扎。通過相同條件下含有空位和不含空位結果的對比后發(fā)現(xiàn)，由于空位的引入，可能在