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1、第2章 缺陷理论 1 1第2章 缺陷理论 2.1 点缺陷点缺陷 2.2 线缺陷、面缺陷和体缺陷线缺陷、面缺陷和体缺陷 2.3 晶体中的原子扩散晶体中的原子扩散 第2章 缺陷理论 2 22.1 点点 缺缺 陷陷点缺陷是晶体中以空位、间隙原子、杂质原子为中心，在一个或几个晶格常数的微观区域内，晶格结构偏离严格周期性而形成的畸变区域。简言之，点缺陷就是畸变区域在原子尺寸范围的一种缺陷，也是晶体中最简单、最常见或者说一定存在的缺陷形式。 第2章 缺陷理论 3 32.1.1 费仑克尔缺陷费仑克尔缺陷 如果由于温度的变化，晶体内部各点上的原子或离子获得足够能量而移动到晶格间隙位置形成间隙原子，同时在原来的
2、格点位置留下空位(Vacancy)，如图2.1所示，则把这种空位-间隙原子对称为费仑克尔(Frenkel)缺陷。显然，如果晶体中只存在费仑克尔缺陷，则晶体中空位与间隙原子的浓度必然是相等的。 设费仑克尔缺陷的形成能为uf，则由N个原子组成的晶体中所能形成的费仑克尔缺陷的数目为式中，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。 (2.1) 第2章 缺陷理论 4 4图2.1 费仑克尔缺陷的形成过程 第2章 缺陷理论 5 5对式(2.1)可以作简单的理解：首先，形成能uf并不能使原子脱离晶体，而只是使晶体内部原子从格点位置移动到间隙位置，形成一个空位-间隙原子对；其次，根据热力学统计理论，一个原子在温度为T时
3、，能量达到uf的概率为，这时的原子才可以形成费仑克尔缺陷；另外，N个原子组成的晶体中可形成nf个费仑克尔缺陷，则一个原子形成费仑克尔缺陷的概率为nf/N，于是就有。第2章 缺陷理论 6 62.1.2 肖特基缺陷肖特基缺陷 如果由于晶格原子的热运动，晶格内部格点上的原子离开平衡位置而到达晶体表面新的格点位置，这时在晶体内部只留下空位，如图2.2所示，则把这种晶格空位称为肖特基(Schottky)缺陷。若肖特基缺陷的形成能为us，则N个原子组成的晶体在温度为T的平衡态时，所能形成的肖特基缺陷的数目为 (2.2) 第2章 缺陷理论 7 7图2.2肖特基缺陷(空位)的形成过程 第2章 缺陷理论 8 8
4、根据热力学统计理论，晶体中热缺陷的存在，一方面由于需要形成能而会使晶体的内能U增加，另一方面，由于原子排列混乱程度的增加，又会使晶体的组态熵S增加。根据系统自由能的表达式：F=U-TS，可以看出，一定量的热缺陷有可能使晶体的自由能反而下降。根据自由能极小的条件，就可以求出在热力学平衡状态下缺陷数目的统计分布。第2章 缺陷理论 9 9以肖特基缺陷为例，设晶体由N个原子构成，温度为T时形成了ns个空位(肖特基缺陷)，空位形成能为us，由此引起系统内能的增加为U=nsus。当晶体中具有ns个空位时，将总共包含N+ns个格点(ns个空格点)。而N个原子占据N+ns个格点的排列方式为由此引起的组态熵增为
5、 第2章 缺陷理论 10 10所以，在忽略晶格振动引起的状态变化的情况下，晶体自由能的变化为 当系统达到平衡时，自由能取极小值，即再利用斯特令公式可知，当x很大时，有 lnx!=xlnx-x并考虑到Nns，即可得到 第2章 缺陷理论 11 112.1.3 间隙间隙(填隙填隙)原子原子 同样是由于晶格的热运动，如果晶体表面格点上的原子移动到晶格内部的间隙位置，则会在晶体内部形成间隙原子这种缺陷。根据间隙原子的形成过程，有时也把这种缺陷称为反肖特基缺陷。间隙原子的计算公式为 式中，ui为间隙原子的形成能。(2.3) 第2章 缺陷理论 12 12从上面三种缺陷的形成过程不难理解，一个费仑克尔缺陷其实
6、就包含一个肖特基缺陷和一个间隙原子，即uf=us+ui，而相对于肖特基缺陷，形成间隙原子时所引起晶格局部畸变的程度更大，因此必然有ufuius。同时我们还可以想到，当晶体中存在肖特基缺陷时，相邻格点上的原子跳跃进入该空位所需要的能量是很小的，即空位(肖特基缺陷)的迁移能远小于其形成能。 第2章 缺陷理论 13 132.1.4 反结构缺陷反结构缺陷 在化合物晶体中，以AB型化合物为例，如果由于某种原因，使得晶格中的A原子离开自己的平衡位置，而占据了B原子的格点位置(记为AB)，或者B原子占据了A的位置(记为BA)，同样也会破坏晶体原有的周期性，把这种缺陷称为反结构缺陷。显然，这种缺陷只有在化合物
7、晶体中才有可能存在。第2章 缺陷理论 14 142.1.5 杂质杂质 晶体中除了自身原子(称为基质原子，Host)以外的原子均称为杂质(原子)(Impurity)。在晶体材料的制备过程中，由于原材料的纯度、生长环境的洁净度等方面的原因，都会使杂质原子进入到晶体中，因此，杂质是晶体中普遍存在的一种缺陷。杂质原子在晶体中一般有两种存在形式：一种是处于晶格间隙位置，称为间隙式(或填隙式)杂质；另一种是取代基质原子而处于格点位置，称为替位式杂质。间隙式杂质原子往往引起晶格较大的畸变，因此通常只有半径较小的原子(如H、Li、C等)才有可能在晶体中以间隙原子的形式存在。第2章 缺陷理论 15 15替位式杂
8、质原子由于其原子半径与基质原子之间的差异，往往也会引起晶格的畸变，如图2.3所示。当杂质原子的半径与晶体的基质原子相当，且化学性质也很接近时，就有可能得到很高的杂质固溶度，甚至可以形成无限固溶体，比如很多的金属合金，以及GexSi1-x、GaAsxP1-x等，其中的x可以实现从0到1的连续变化。可见，杂质原子能否进入晶体并处于何种位置，除受制备工艺等外界条件限制外，最根本上取决于两个方面:一方面是杂质原子本身的性质，包括原子负电性、价态以及原子半径；另一方面则是基质材料的性质，包括硬度、密度、化学键以及晶体结构等。第2章 缺陷理论 16 16图2.3 替位式杂质原子引起的晶格畸变 第2章 缺陷
9、理论 17 17我们可以通过两个例子来充分理解杂质对晶体宏观性质的重要影响。在型铁(FCC结构，称为奥氏体)中，存在有一定量的间隙式碳原子(在1148时碳原子含量约为2.11%)，快速冷却(淬火)时，大量的碳原子失去了扩散能力，来不及逃出晶体而滞留在晶体内部，引起晶体结构的变化，使铁的结构变成了型(BCC结构，称为马氏体)。由于BCC结构中原子排列具有比FCC更强的方向性，因此马氏体是一种高硬度的产物。这就是铁变成钢的基本过程，显然杂质原子C在其中扮演了重要的角色。 第2章 缺陷理论 18 18再比如，如果在纯净的半导体材料Si中掺入百万分之一的杂质原子(B或P)，这时材料的纯度仍高达99.9
10、999%，但其室温下的电阻率却由原来的214000cm下降到了约0.2cm(约为原来的百万分之一)。可见杂质的引入对半导体材料的导电能力具有显著的影响。目前广泛使用的各种半导体器件和电路就是通过掺杂的方法，在半导体材料中人为地控制所引入的杂质的种类和数量，从而改变半导体材料的导电类型和导电能力加以制作的。 第2章 缺陷理论 19 192.1.6 色心 一般来讲，在理想的化合物晶体中，不同原子的数量必然保持固定的比例，称为定比定律。在实际的化合物晶体中，通常并不符合定比定律，这些化合物被称为非化学计量化合物。这时，晶体中正离子与负离子的数目并不存在一个简单而固定的比例关系，这是由于在晶体的生长过
11、程中某种生长元组分的过量或不足，或者晶体受到某种外界作用(比如辐照或者在某种特定气氛中加热等)，使得晶体中的组成原子偏离化学计量而产生了缺陷。为了在产生缺陷的区域保持电中性，晶体中的过剩电子或过剩正电荷(空穴)会被束缚在缺陷的位置上，这些束缚在缺陷上的电荷会具有一些第2章 缺陷理论 2020特定的分立能级，能够吸收特定波长的光子，从而使晶体呈现某些特定的颜色。因此，把晶体中这种特定的点缺陷称为色心。比如，石英晶体经中子辐照后会呈现棕色；再比如，碱金属卤化物晶体在其碱金属蒸气中加热并骤冷后，会使原来透明的晶体呈现不同的颜色(比如氯化钠晶体将变成淡黄色，氟化钾晶体将变成淡紫色，氟化锂晶体将变成粉红
12、色，等等)。上述过程称为增色过程。反过来，将这些变色的晶体在某种气氛中加热，然后慢降温，使其中的缺陷充分释放掉，晶格结构恢复到理想状态，则晶体又将再次失去颜色。第2章 缺陷理论 21 21从上面的分析可以看到，色心其实就是束缚了特定电荷的正负离子空位，比如负离子空位束缚电子，正离子空位束缚空穴，因此也叫做电子陷阱或空穴陷阱。色心的种类很多，目前研究的最为充分的一种色心是F色心。以NaCl为例，NaCl晶体在Na蒸气中加热并骤冷后将呈现淡黄色。这是因为加热时扩散进入晶体的Na原子在骤冷时来不及逃离晶体而被滞留在晶体内部，形成过剩的Na+离子，由于晶体内部并不存在过剩的Cl-离子，于是过剩的Na+
13、离子将伴随相应数目的Cl-离子结合在晶体中。为了保持电中性，Na原子最外层的价电子将被负离子空位吸引并俘获。因此F色心就是一个俘获了电子的负离子空位，即电子陷阱。第2章 缺陷理论 2222类似地，当TiO2晶体中存在氧空位时，氧空位带两个单位正电荷，将俘获两个电子，成为一种新的色心，称为F色心。色心上的电子能够吸收一定波长的光，使氧化钛从黄色变成蓝色直至灰黑色。这种存在氧空位的氧化钛是一种n型半导体，不能作为介质材料使用。TiO2的非化学计量范围比较大，可以从TiO到TiO2连续变化，因此在TiO2的制备过程中要密切注意并控制氧的分压。另外还有几种常见的F心，如图2.4所示。当一种正离子替代晶
14、体中的基质正离子并俘获一个电子时形成变形F心(记为FA心)，100晶向上两个相邻F心组成F2心， (111)晶面上三个最近邻的F心组成F3心等。第2章 缺陷理论 2323图2-4中F心由二价负离子空位俘获两个电子构成，画在同一模型中只是为了形成对照。除F心以外，色心中还包含金属卤化物在卤素蒸气中加热并骤冷后形成的V心，以及R心、M心、N心等等。第2章 缺陷理论 2424图2.4 晶体中几种常见F心的模型 第2章 缺陷理论 25252.2 线缺陷、面缺陷和体缺陷线缺陷、面缺陷和体缺陷除2.1节中介绍的晶体中常见的几种点缺陷外，晶体中还存在其他的一维、二维或者三维的缺陷，下面逐一进行介绍。2.2.
15、1 线缺陷线缺陷 晶体内部偏离严格周期性的一维缺陷称为线缺陷。晶体中最重要的一种线缺陷就是位错，位错在晶体的机械性能，包括形变、强度、断裂以及相变等方面起着重要的作用。第2章 缺陷理论 2626位错是晶体结构中原子排列的一种特殊组态。在某种外力的作用下，如果晶体中的某一部分发生了形变(如压缩或拉伸)，则在交界面上就会存在某一列原子的特殊组态。如图2.5所示，图2.5(a)中标出了假想的滑移面，如果设想晶体的左半部分相对于右半部分沿着水平方向发生了一定的挤压，如图2.5(b)所示，这时晶体中间位置上就会有垂直的一列原子的化学键发生断裂，并且在一定范围内引起晶格畸变，而远离这一区域的晶格则基本保持
16、原有的结构。我们把这种一维缺陷称为刃型位错，有时也称为楔型位错，就好像人为地在此处插入了一列原子，而缺陷正好发生在刀刃上。第2章 缺陷理论 2727为了便于描述，通常把压缩和拉伸部分的交界面称为滑移面，而把晶体左半部分沿滑移面向里的移动用一个滑移矢量表示，记为b，也称为伯格斯矢量。从刃型位错的形成过程可以发现，这种刃位错具有与滑移方向相垂直的特点。 还有另外一种类型的位错，如图2.5(c)所示，相当于晶体的左半部分在外力作用下相对于右半部分发生了向下的扭曲，即滑移矢量b的方向向下，这时的位错畸变区域仍将出现在晶体中间位置垂直的一列原子上，于是位错线与滑移方向平行。显然，当扭曲的幅度较大，即b模
17、较大时，位错线将不再是一条直线，而是一条呈螺旋状的曲线，这也就是为什么把这种位错称为螺位错的原因。第2章 缺陷理论 2828图2.5 晶体中位错缺陷的形成过程 第2章 缺陷理论 2929从上面两种位错的形成过程不难看出，位错的形成主要与晶体中存在的应力和形变有关，因此位错主要对晶体的机械性能产生影响，并且在晶体生长中起着重要作用。另外，由于位错线上的原子具有断裂的化学键(称为悬挂键)，这种未饱和的悬挂键可以通过向晶体释放电子或者从晶体中俘获电子，从而对晶体的电学性质产生影响。由于位错线上的原子化学性质比较活泼，因此其化学腐蚀速度比其他区域快，当晶体表面经过一定的化学腐蚀液的腐蚀后，就会在有位错
18、的地方形成腐蚀坑，结合晶体的各向异性，这些腐蚀坑往往具有特殊的形状，正如第1章中讲到的金刚石结构(100)和(111)晶面的化学腐蚀坑分别为正方形和正三角形。 第2章 缺陷理论 30302.2.2 面缺陷面缺陷 晶体中偏离严格周期性的二维缺陷称为面缺陷，主要包括表面和界面、层错、晶粒间界(晶界)等。第2章 缺陷理论 31 311.表面表面在晶体表面上，由于化学键的断裂，使晶体的周期性在表面处发生很大的改变中止，这些断裂的化学键(称为悬挂键)非常活泼，按照能量最低原理，它会通过吸附其他粒子或者通过表面原子结构的重组来释放能量，使自己达到稳定的能量状态。这里仅以金刚石结构的(100)表面为例作简单
19、的分析。图2.6中给出了金刚石结构理想的(100)表面的原子结构图，俯视图中最大的圆圈表示顶层原子，次大的圆圈表示第二层原子，实心黑点表示第三层原子。可以看到，这时每一个顶层原子都会与两个第二层原子以共价键结合，因此每个顶层原子还有两个未饱和的悬挂键。第2章 缺陷理论 3232图2.6 金刚石结构(100)理想表面的原子结构图 第2章 缺陷理论 3333实际情况中，为了进一步降低晶体表面能量，顶层原子会发生一定的横向迁移，两两靠近并以共价键连接，从而使每个顶层原子减少一个悬挂键，形成由五个原子组成的环状链结构，如图2.7所示，这一过程称为表面原子的再构过程。 第2章 缺陷理论 3434图2.7
20、 金刚石结构(100)再构表面的原子结构图 第2章 缺陷理论 3535当然，在晶体表面的再构过程中，除了顶层原子之间横向间距发生变化以外，往往还会发生纵向间距(即原子层间距)的变化，称为驰豫。比如在图2.8所示的金刚石结构(100)再构表面的一种扭曲模型中，一个顶层原子(大圆圈)有所上升，使得与之相连的两个第二层原子(小圆圈)靠近一些(如图中箭头所指)，与此同时，相邻的另一个顶层原子有所下降(用中圆圈表示)，使得两个第二层原子远离一些(见图中箭头所指)，这时就会形成一种扭曲变形的再构表面。关于晶体的表面，有很多专门的书籍中进行了详细的分析，因此本书不再做过多的讨论。 第2章 缺陷理论 3636
21、图2.8 金刚石结构(100)再构表面的一种扭曲模型 第2章 缺陷理论 37372.层错层错层错也叫堆垛层错，就是指晶体中原子面之间按照某种规则(堆垛次序)排列时局部发生紊乱而形成的缺陷。比如在第1章中我们已经知道，六方密堆积(HCP)结构沿0001晶向就是密排原子面按ABAB的方式排列，而立方密堆积(FCC)沿111晶向则是密排原子面按照ABCABC的方式排列。如果在FCC结构中原子面的排列顺序发生了局部的错误，则会形成层错缺陷，这时会出现三种情况：第一种情况相当于在原来的排列次序中插入了一层原子，如ABCAB(A)C；第二种情况相当于在原来的排列次序中抽掉了一层原子，如AB( )ABC；第
22、三种情况则相当于两个FCC背靠背连接在一起(称为孪晶)，如ABCABACBA。第2章 缺陷理论 3838不难发现，这三种情况产生的层错缺陷中都有一个共同特点，即都相当于在原来的FCC结构中形成了一个局部的HCP结构，这是层错的一个重要特征。当然，层错还有另外一个特点，也很好理解，比如在FCC结构的形成过程中，A层下来排B层，而B层下来排C层还是排A层的概率却是相当的，即所需能量的差异很小，但结果却是不同的：前一种排法得到的是FCC结构，而后一种排法则会形成一个层错缺陷。这就表明层错是一种低能量的缺陷，在晶体中也是普遍存在的。第2章 缺陷理论 3939在层错的研究中还发现了一个很有意义的现象，那
23、就是如果层错出现了规律性的变化，即产生了某种周期性，称为缺陷有序化，那么这种缺陷的周期性叠加在晶体原有的周期性上就会形成一种新的排列方式，相当于产生了一种新的晶体结构。这种现象在目前第三代宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)的研究中表现得最为充分。SiC是一种二元化合物半导体，属于共价晶体，如果把111晶向上的Si-C双层原子面看做一个整体，仍然使它沿111晶向作ABCABC排列时，则得到的是一种立方晶系的闪锌矿结构，称之为3C-SiC(或-SiC)；如果排列方式是ABAB时，得到的是六方晶系的2H-SiC；而排列方式是ABCBABCBA时，第2章 缺陷理论 4040得到的则是六方晶系的4H-Si
24、C；当然还有ABCACBABCACB的6H-SiC，等等，如图2.9所示。SiC晶体的诸多结构中，除了3C-以外的其他结构统称为-SiC。SiC材料具有不同晶体结构的这种现象称为同型异构现象，这就是层错出现了有序化的一种表现。目前已经研究确定的SiC的结构超过了200种，而理论上它显然可以具有无穷多种结构。但由于层错是一种低能量的缺陷，不同结构的分离和制备显然是一件非常困难的工作，目前能够成功控制生长的SiC结构主要有3C-、4H-和6H-SiC等。第2章 缺陷理论 41 41图2.9 不同SiC结构中沿111(或0001)晶向的原子排列 第2章 缺陷理论 4242需要指出的是，尽管缺陷有序化
25、的概念是基于层错提出来的，但它同样适用于其他各种缺陷，比如点缺陷、线缺陷、面缺陷以及下面提到的体缺陷，只要能够使某种缺陷具有一定的规律性，就可以改变或者控制晶体的某些宏观性质。这实际上就是目前很多人工材料制备技术的理论基础。第2章 缺陷理论 43433.晶界晶界晶体内部的面缺陷除了层错以外，还存在晶粒间界，这是因为通常条件下制备的晶体材料大多为多晶，即由许多小的单晶颗粒组成，这些晶粒的交界区域称为晶粒间界(晶界)，如图2.10所示。晶界区域的原子都处于畸变状态，具有较高的能量，而且具有非晶态特性。晶界对材料的力学性能以及相变过程都有重要的作用。晶体中原子沿晶粒间界的运动相对比较容易，但是当晶粒
26、与晶粒间的夹角小于1015时(称为小角晶界)，却具有阻止原子扩散的作用。在晶体的形成过程中，为了使相邻晶粒的原子尽可能完整地按晶格排列弥合在一起，于是就相当于形成了一系列平行排列的刃位错，如图2.11所示。第2章 缺陷理论 4444图2.10 晶粒间界 第2章 缺陷理论 4545图2.11 小角晶界 第2章 缺陷理论 4646孪晶界是各种晶界中最特殊也是最简单的一种。孪晶是指两个晶体或一个晶体中的两个相邻部分沿一个公共晶面具有镜像对称的关系，这时的公共晶面称为孪晶面，如图2.12所示。孪晶面上的原子同时被孪晶的两部分晶体所共有，这样的界面称为共格界面。孪晶之间的界面称为孪晶界，孪晶界往往就是孪
27、晶面，即共格孪晶界。但有时孪晶界也可以与孪晶面不重合，如图2.13所示，这时的孪晶界称为非共格孪晶界。 第2章 缺陷理论 4747图2.12 FCC晶体中的孪晶结构 第2章 缺陷理论 4848图2.13 非共格孪晶界示意图第2章 缺陷理论 4949显然，孪晶的形成与层错有着密切的关系。正如图2.12所示，FCC结构的晶体沿111晶向为密堆积结构，当密排原子面的堆垛次序从某一层(如图中的B层)开始发生颠倒(局部出现HCP结构)时，上下两部分晶体就形成了镜像对称的孪晶关系。可见，FCC结构晶体的孪晶面为(111)面。而不同结构的晶体，将会在特定的晶向上形成孪晶结构，比如，BCC结构晶体的孪晶面为(
28、112)面。当孪晶界就是孪晶面时，由于界面上的原子没有发生错排现象，晶体中基本不存在畸变区域，因此这种共格孪晶界就是一种低能量的层错缺陷。 第2章 缺陷理论 50502.2.3 体缺陷体缺陷 晶体中偏离严格周期性的三维缺陷称为体缺陷，主要包括包裹体、气泡和空洞等，其中比较重要的是包裹体。包裹体是晶体生长过程中界面捕获的夹杂物，它可能是晶体生长原料的某一过量组分形成的固体颗粒，也可能是晶体生长中引入的杂质微粒。这是一种严重影响晶体性质的缺陷，由于包裹体的热膨胀系数与晶体材料通常不一样，因此在晶体生长过程中会产生内部应力，导致晶体形变以及位错等其他缺陷的形成。如果单晶生长中形成了少量的多晶微粒，则
29、相当于单晶中的体缺陷，否则形成的整个晶体为多晶材料。第2章 缺陷理论 51 51前面介绍了晶体中存在的各种缺陷，通常情况下晶体中的绝大多数缺陷是不受人力控制的，因此我们在制备晶体材料时总是会尽可能地通过各种途径，比如提高原料的纯度、生长环境的洁净度、精确控制生长温度、生长速率、原料配比等，以减少缺陷的种类和数量，进而提高晶体的纯度以及结晶质量。在此基础上，进一步通过对某些缺陷(如杂质等)的数量和分布的精确控制，实现对晶体宏观性质的控制。 第2章 缺陷理论 52522.3 晶体中的原子扩散晶体中的原子扩散与气体和液体类似，晶体中的原子也存在布朗运动，只是由于晶体中原子所受到的束缚更大，原子运动的
30、能力更弱，使得这种布朗运动的过程更加漫长而已。晶体的温度是其原子热运动剧烈程度的反映，因此，提高温度可以加速晶体中原子布朗运动的过程。如果晶体中不同部分存在某种原子的浓度差(浓度梯度)，该种原子则可以借助布朗运动而沿着浓度梯度的方向产生定向的漂移运动，这就是晶体中原子的扩散运动。从原子的角度来讲，晶体中的扩散可分为基质原子扩散(也称为自扩散)和杂质原子扩散，显然研究晶体中杂质原子扩散的意义更大一些。第2章 缺陷理论 53532.3.1 扩散的必要条件扩散的必要条件 实现晶体中原子的扩散必须满足一定的条件。首先，浓度梯度是原子扩散的根本原因，如果不存在原子的浓度梯度，即使原子布朗运动的程度很剧烈
31、，也不可能产生原子的定向漂移运动；其次，温度是扩散的外界条件，晶体中原子运动的能力有限，必须在一定的温度下，晶体中原子才能获得足够的能量形成定向运动；第三，原子扩散还必须借助一定的途径，即扩散机制(或扩散方式)，比如，对杂质原子而言，如果晶体具有理想的结晶完整性，它必然对杂质原子具有很强的排斥性，这时杂质原子的运动就非常困难了。根据前两节的介绍，实际晶体中往往存在各种缺陷，这样的话第2章 缺陷理论 5454原子就可以借助缺陷实现在晶体中的扩散运动。晶体中原子的扩散运动就可以这样来理解：高温时，如果晶体中存在某种原子的浓度梯度，则晶体中原子就会借助无规则热运动(布朗运动)，通过缺陷而在晶体中产生
32、定向的漂移运动，即扩散。 第2章 缺陷理论 55552.3.2 扩散的微观机制扩散的微观机制 根据晶体中原子级缺陷(点缺陷)的特点，扩散的机制主要包括以下四种。1.空位机制空位机制在一定的温度下，晶体中总会存在一定数量的空位(肖特基缺陷)，一个在空位旁边的原子就有机会跳入空位之中，使自己原来的位置变成空位，而另外的近邻原子也可能占据这个新形成的空位，从而使空位继续运动，这就是空位扩散机制，如图2.14所示。第2章 缺陷理论 5656图2.14 空位的运动 第2章 缺陷理论 57572.间隙机制间隙机制间隙扩散机制是原子在晶格的间隙位置间跃迁而导致的扩散，如图2.15所示。在间隙机制中，还有从间
33、隙位置到格点位置再到间隙位置的迁移过程，其特点是间隙原子取代近邻格点上的原子，原来格点上的原子移动到一个新的间隙位置。3.复合机制复合机制在扩散过程中，当间隙原子和空位相遇时，两者同时消失，如图2.16所示，这就是间隙原子与空位的复合机制。这种扩散一般在存在费仑克尔缺陷的晶体中进行，其实质是费仑克尔缺陷的迁移。第2章 缺陷理论 5858图2.15 间隙原子扩散示意图 第2章 缺陷理论 5959图2.16 复合扩散机制示意图 第2章 缺陷理论 60604.易位机制易位机制相邻原子对调位置或是通过循环式的对调位置，从而实现原子的迁移和扩散，称为易位扩散机制，如图2.17所示。此种扩散要求相邻的两个
34、原子或更多的原子必须同时获得足够的能量，以克服其他原子的作用，从而离开平衡位置而实现易位，因而这种过程必然会引起晶格较大的畸变，所以实现的可能性很小，在原子扩散中不可能起主导作用。前三种占主导地位的扩散机制，其实质都是晶体中点缺陷的迁移过程。 第2章 缺陷理论 61 61图2.17 易位扩散机制示意图第2章 缺陷理论 62622.3.3 扩散系数扩散系数 通常用扩散系数来表征原子在晶体中扩散运动的能力，即单位时间内原子扩散运动的距离，用D表示，量纲为cm2/s。显然，原子在晶体中的扩散能力既与晶体的属性有关，也与自身的特点有关。因此，不同原子在同种晶体中的扩散系数不同，而同种原子在不同晶体中的
35、扩散系数也会不同。实际中，扩散原子在晶体内各层的浓度可用示踪原子法来测定，从而确定该原子在该晶体中的扩散系数D。而在半导体材料的扩散中，则可通过各层电阻率的测量来确定各层的浓度，进而确定其中扩散原子的扩散系数。在不同温度下测量原子的扩散系数D可以得到扩散系数随温度的变化关系，即 第2章 缺陷理论 6363其中E是与扩散机制相关的激活能。(2.4) 第2章 缺陷理论 64642.3.4 扩散的宏观规律扩散的宏观规律 晶体中原子的扩散与液体或气体中原子的扩散在约束机制上有所不同，但本质上都是粒子无规则热运动的统计行为，因此流体力学中的费克(Fick)定律对晶体中原子扩散的宏观现象依然适用。考虑到时
36、间因素，扩散过程可以分为稳态和非稳态两类。在稳态扩散中，单位时间内通过垂直于晶体中给定方向(扩散方向)的单位截面积的净原子数(即扩散流通量，用J表示)是不随时间变化的，而在非稳态扩散中，扩散流通量J随时间而变化。 第2章 缺陷理论 6565(1)Fick第一定律：如果晶体中某扩散原子的浓度为C(x，y，z，t)，则在稳态扩散中，扩散流通量J正比于扩散原子的浓度梯度，其数学表达式为J=DC (2.5)式中，负号表示扩散原子是从高浓度区域向低浓度区域扩散。(2)Fick第二定律：大多数情况下，扩散过程是非稳态的，即扩散流通量是随时间变化的，而在同一时间，J又是随空间坐标而变化的，其数学表达式为 这
37、就是费克扩散方程，可见，Fick第一定律只是其中的一种特殊情况。 (2.6) 第2章 缺陷理论 66662.3.5 微电子器件制造中的两种扩散工艺微电子器件制造中的两种扩散工艺 求解扩散方程时，必须确定相应的边界条件。目前在微电子器件工艺中，有两种专门的扩散工艺，对应两种不同的边界条件，因而也就具有两种不同的解。以npn三极管的制作工艺为例，在进行发射区n型掺杂时，通常是先在一定的温度(比如950)下，将已经制作好基区并且具有发射区图形的Si衬底置于P(磷)气氛中，一定时间后就会在Si表面薄层内沉积一定数量的P原子，这一步称为P的预淀积或预扩散；然后取出Si片，另置于更高温度(比如1050)的
38、保护气氛中，使P原子扩散进入Si衬底，通过控制扩散时间来调整P原子的扩散深度以及浓度分布，这一步称为P的再分布。第2章 缺陷理论 6767在这一工艺过程中，我们把P的再分布称为恒定源扩散，即在整个扩散过程中，扩散原子的总数不变，等于最初Si片表面预淀积所得到的P原子的浓度Q。而对于npn三极管基区的制作，则是另一种扩散过程，这时带有基区扩散窗口的Si片被放置在具有饱和B(硼)原子的环境中，在一定温度(比如1200)下，B原子直接扩散进入Si衬底，同样可以通过控制扩散时间获得所需要的基区浓度和深度。在这一过程中，Si片表面B原子的浓度一直是保持不变的，这种扩散称为恒定表面浓度扩散。下面就针对这两种不同的扩散过程来讨论扩散方程(2.6)的解(以一维为例)。第2章 缺陷理论 6868对于恒定源扩散，其边界条件为：t=0时，t0时，扩散方程的解为这时杂质原子的分布是一种高斯分布。(2.7) 第2章 缺陷理论 6969而对于恒定表面浓度扩散，设晶体表面扩散原子的浓度保持C0不变，其边界条件可以写成这时扩散方程的解为第2章 缺陷理论 7070其中，称为余误差函数。因此恒定表面浓度扩散中得到的杂质原子的分布被称为余误差分布。
