晶胞和晶格常数Ge课件

光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件第一章 Ge、Si的晶体结构 第一章 Ge、Si的晶体结构 1光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件本章内容v1.1 Ge、Si的晶体结构的晶体结构v1.2 晶向和晶面晶向和晶面v1.3 锗硅晶体的各向异性锗硅晶体的各向异性本章内容1.1 Ge、Si的晶体结构2光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件1、晶胞和晶格常数晶胞和晶格常数 Ge、Si晶体中原子排列的情况如图晶体中原子排列的情况如图1-1所示。图中的立方体是反映所示。图中的立方体是反映Ge、Si晶体中原子排列基本特点的一个单元，晶体中原子排列基本特点的一个单元，常称为常称为晶胞晶胞。晶胞的各个边长叫做。晶胞的各个边长叫做晶格晶格常数常数，是不同晶体的一个特征性参量。，是不同晶体的一个特征性参量。对对Ge、Si晶体，其晶胞是图晶体，其晶胞是图1-1所示的所示的立方体，因此只有一个晶格常数（记为立方体，因此只有一个晶格常数（记为a）。）。1.1 Ge、Si的晶体结构的晶体结构图1-1 Ge、Si的晶格结构 1、晶胞和晶格常数 Ge、Si晶体中原子排列3光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v 晶体中原子排列的情况和晶格常数等，可通过晶体中原子排列的情况和晶格常数等，可通过X射线射线结构分析等技术确定出来。已给出结构分析等技术确定出来。已给出硅的晶格常数硅的晶格常数a=0.5428nm，锗的晶体常数锗的晶体常数a=0.5658nm。v 仔细观察一下图仔细观察一下图1-1所示的晶胞，就可以知道，该立方所示的晶胞，就可以知道，该立方体晶胞中共包含有体晶胞中共包含有18个原子（顶角个原子（顶角8个，面心个，面心6个，内部个，内部4个），但是真正属于该晶胞的原子只有个），但是真正属于该晶胞的原子只有8个，据此就容易计个，据此就容易计算晶体的原子密度。因为晶胞的体积为算晶体的原子密度。因为晶胞的体积为a3，则晶体中每个，则晶体中每个原子所占有的体积为原子所占有的体积为a3/8，所以晶体原子密度，所以晶体原子密度=8/a3。代入。代入a的值就得到：的值就得到：Si晶体的原子密度晶体的原子密度=51022/cm3，Ge晶体的晶体的原子密度原子密度=4.41022/cm3。晶体中原子排列的情况和晶格常数等，可通过X射4光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v晶胞中的晶胞中的18个原子，分别处于两种不同的位置，一种是在个原子，分别处于两种不同的位置，一种是在晶体胞的顶角和面心上，另一种是在晶胞内的体对角线上，晶体胞的顶角和面心上，另一种是在晶胞内的体对角线上，它们的坐标分别为：它们的坐标分别为：v第一种位置：第一种位置：（0，0，0）；（）；（1/2，1/2，0）；（）；（1/2，0，1/2）；）；（0，1/2，1/2）；）；v第二种位置：第二种位置：（1/4，1/4，1/4）；（）；（3/4，3/4，1/4）；）；（3/4，1/4，3/4）；（）；（1/4，3/4，3/4）；）；晶胞中的18个原子，分别处于两种不同的位置，一种是在晶体胞的5光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件2、锗，硅晶体中原子排列的规律、锗，硅晶体中原子排列的规律 完整晶体中原子的排列是很规则的，各有一定的排列完整晶体中原子的排列是很规则的，各有一定的排列规律，这种规律可完全由其晶胞结构反映出来。规律，这种规律可完全由其晶胞结构反映出来。仔细分析图仔细分析图1-1中的晶胞，就会发现，对中的晶胞，就会发现，对Ge、Si晶体，晶体，其原子排列的规律可从两方面来看：其原子排列的规律可从两方面来看：（1）每个原子的周围有）每个原子的周围有4个最邻近的原个最邻近的原子（与中心原子的距离都相等），而且子（与中心原子的距离都相等），而且这这4个最邻近的原子按正四面体分布，个最邻近的原子按正四面体分布，Ge、Si中的原子之所以有这种特殊的排中的原子之所以有这种特殊的排列规律，是由其共价键的性质所决定的。列规律，是由其共价键的性质所决定的。按这种规律分布的键，通常称为四面体按这种规律分布的键，通常称为四面体键。根据这种看法，则整个晶体可认为键。根据这种看法，则整个晶体可认为是由图是由图1-2所示的许多共价四面体堆砌而所示的许多共价四面体堆砌而成的。成的。图图1-2 锗、硅中的四面体结构锗、硅中的四面体结构2、锗，硅晶体中原子排列的规律 完整晶体中原子的排列6光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v（2）整个）整个Ge、Si晶体可看成由两套面晶体可看成由两套面心立方晶格套构起来的。面心立方晶心立方晶格套构起来的。面心立方晶格的一个晶胞是带有面心原子的立方格的一个晶胞是带有面心原子的立方体，如图体，如图1-3所示，所示，Al，Au等金属就具等金属就具有这种晶格。有这种晶格。Ge、Si的晶格，可看成的晶格，可看成是由两套面心立方格沿晶胞体对角线是由两套面心立方格沿晶胞体对角线方向，且错开方向，且错开1/4体对角线长度套构而体对角线长度套构而成的，如图成的，如图1-4所示。这就是说，所示。这就是说，Ge、Si晶格是由两套简单的面心立方晶格晶格是由两套简单的面心立方晶格构成，是一种较为复杂的晶格，正因构成，是一种较为复杂的晶格，正因为为Ge、Si晶格可由基本的面心立方晶晶格可由基本的面心立方晶格套构而成，所以常常把格套构而成，所以常常把Ge、Si的结的结构归属于面心立方晶格。构归属于面心立方晶格。图1-3 面心立方晶格图1-4 锗、硅的晶格结构（2）整个Ge、Si晶体可看成由两套面心立方晶格套构起来的。7光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件 由图由图1-4可见，处于正四面体中心的原子和四面体顶可见，处于正四面体中心的原子和四面体顶角的原子，分别属于两套不同的面心立方晶格，它们是有角的原子，分别属于两套不同的面心立方晶格，它们是有区别的。四面体中心原子和顶角原子的价键取向是不一样区别的。四面体中心原子和顶角原子的价键取向是不一样的，就是说，尽管原子种类相同，但其在晶体中所处的环的，就是说，尽管原子种类相同，但其在晶体中所处的环境不同。应当注意，所谓四面体中心或顶角，这是相对的，境不同。应当注意，所谓四面体中心或顶角，这是相对的，实际上，任何一个原子既可以是某个四面体的中心原子，实际上，任何一个原子既可以是某个四面体的中心原子，也可以是另一个四面体的顶角原子。也可以是另一个四面体的顶角原子。结构分析指出，这种结构分析指出，这种Ge、Si的晶体结构的晶体结构与金刚石的晶与金刚石的晶体结构完全相同，只是原子种类和晶格常数不同，因此，体结构完全相同，只是原子种类和晶格常数不同，因此，通常把这种形式的晶体结构统称为通常把这种形式的晶体结构统称为“金刚石结构金刚石结构”。由图1-4可见，处于正四面体中心的原子和四面体顶角8光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件3、四面体半径和杂质的失配四面体半径和杂质的失配 Ge、Si中每一个原子周围有中每一个原子周围有4个按正面体分布的邻近原子。因此，个按正面体分布的邻近原子。因此，Ge、Si晶体中的最小原子间距，也就是正四面体的中心原子到顶角原晶体中的最小原子间距，也就是正四面体的中心原子到顶角原子之间的距离，把这个最小原子间距再除以子之间的距离，把这个最小原子间距再除以2，就定义为四面体半径，就定义为四面体半径，显然，四面体半径也就是把晶体原子都看成是一个个硬球的球半径，显然，四面体半径也就是把晶体原子都看成是一个个硬球的球半径，这是金刚石结构特有的一个结构参数。这是金刚石结构特有的一个结构参数。由图由图1-4可以看到，最小原子间距就是晶胞体对角线长的可以看到，最小原子间距就是晶胞体对角线长的1/4。因。因此易于用晶格常数此易于用晶格常数a表示出四面体半径表示出四面体半径r。因为晶胞体对角线长为。因为晶胞体对角线长为 ，则最小原子间距为则最小原子间距为 ，所以四面体半径，所以四面体半径r=，代入，代入Ge、Si的晶格的晶格常数，即求得：常数，即求得：rSi0.117nm，rGe0.122 nm 3、四面体半径和杂质的失配 Ge、Si中每一个原子9光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v如果把晶体看作是由一个个硬球按一定规律堆积而成的，就可以根据四如果把晶体看作是由一个个硬球按一定规律堆积而成的，就可以根据四面体半径来计算出这些硬球所占整个晶体体积的百分比。面体半径来计算出这些硬球所占整个晶体体积的百分比。v因为每个球的体积等于因为每个球的体积等于 ，而每个球所占有的晶体体积为，而每个球所占有的晶体体积为 ，所，所以以空间利用率空间利用率等于等于v可见，如可见，如Ge、Si等金刚石结构的晶体，体内大部分空间是等金刚石结构的晶体，体内大部分空间是“空空”的。正的。正因为如此，某些半径较小的杂质原子（如因为如此，某些半径较小的杂质原子（如Cu、Fe、Ni等原子）就可以较等原子）就可以较容易地在容易地在Ge、Si晶体中运动和镶嵌在这些晶体中运动和镶嵌在这些“空隙空隙”中。这样的杂质通常中。这样的杂质通常为为间隙式杂质。间隙式杂质。v但是，如果杂质原子的半径较大，或价键性决定其不易进入晶体间隙中但是，如果杂质原子的半径较大，或价键性决定其不易进入晶体间隙中（如（如B、P、Sb等等、族杂质），显然，这些杂质原子就只有通过与族杂质），显然，这些杂质原子就只有通过与基体基体Ge、Si原子互换位置才能进入晶体中。这样的杂质通常为原子互换位置才能进入晶体中。这样的杂质通常为代位式杂代位式杂质。质。如果把晶体看作是由一个个硬球按一定规律堆积而成的，就可以根据10光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v失配因子失配因子=|基体原子半径基体原子半径-杂质原子半径杂质原子半径|/基体原子半径基体原子半径杂质元素NCBPSiAlAsGeGaSbSnInBiPbTl四面体半径/nm0.0700.0770.0880.1100.1170.1260.1180.1220.1260.1360.1400.1440.1460.1460.147表表1-1常用杂质元素的四面体半径常用杂质元素的四面体半径杂质PAsSbBAlGaInSnCGe在硅中晶的失配因子0.0160.0080.160.2480.0770.0770.2310.200.3420.0427表表1-2杂质在硅中的失配因子杂质在硅中的失配因子失配因子=|基体原子半径-杂质原子半径|/基体原子半径杂质元11光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件4、掺杂问题掺杂问题 在在Ge、Si晶晶体体中中，如如果果所所掺掺入入杂杂质质的的失失配配因因子子较较大大，则则杂杂质质将将使使晶晶格格发发生生畸畸变变，在在晶晶体体中中造造成成较较大大的的应应力力，在在高高温温下下由由于于晶晶体体内内摩摩擦擦力力迅迅速速减减小小，则则晶晶体体原原子子有有可可能能发发生生重重新新排排列列以以减减小小应应力力，这这就就必必将将导导致致各各种种晶晶体体缺缺陷陷的的出出现现。由由于于这这种种失失配配杂杂质质的的掺掺入入所所引引起起的的位位错错，称称为为失失配配位位错错。显显然然，失失配配杂杂质质掺掺入入越越多多，则则晶晶格格畸畸变变越越大大，就就越越容容易易产产生生晶晶体体缺缺陷陷。因因此此，在在Ge、Si晶晶体体中中，为为保保证证不不致致于于产产生生大大量量的的缺缺陷陷，就就有有一一个个掺掺杂杂浓浓度度的的上上限限。例例如如，对对硅硅中中的的B和和P，掺掺杂杂浓浓度度上上限限分分别别为为51019/cm3和和51020/cm3；但但对对Si中中的的As，因因其其失失配配因因子子很很小小，则则此此浓浓度度上上限限可可接接近近其其最最大大固固溶溶度度51021/cm3，所所以以，在在Si中中掺掺As不易产生缺陷。不易产生缺陷。4、掺杂问题 在Ge、Si晶体中，如果所掺入杂质的12光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整呢？这怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整呢？这就是所谓就是所谓“完美晶体技术完美晶体技术”需要解决的一个重要课题。目前，在硅工需要解决的一个重要课题。目前，在硅工艺中所采用的办法，归纳起来可以有三种：艺中所采用的办法，归纳起来可以有三种：v（1）用）用As取代取代P和和Sbv（2）四面体半径大于）四面体半径大于Si的杂质，和四面体半径小于的杂质，和四面体半径小于Si的杂质同时掺入。的杂质同时掺入。v（3）P和和As或或B和和As同时掺入。同时掺入。图1-5 硅晶格常数随掺杂浓度的变化怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整呢？这13光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件1.2 晶向和晶面晶向和晶面v1、晶面的标记、晶面的标记 如果空间中某一平面与坐标轴如果空间中某一平面与坐标轴X、Y、Z的截距分别为的截距分别为r、s、t，则该，则该平面方程可写成：平面方程可写成：若令若令 则该平面的方程可平面的方程可换写成写成为：可可见，某一个平面可完全由其各个截距的倒数，某一个平面可完全由其各个截距的倒数h、k、l值来决定，因来决定，因此此该平面就可以用平面就可以用“h、k、l”这一一组数来数来标记。1.2 晶向和晶面1、晶面的标记14光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v2.晶向指数：晶向指数：B格子的格点可看成是分列在一系列平行、等距的直线系上，这些格子的格点可看成是分列在一系列平行、等距的直线系上，这些直线系称为晶列。直线系称为晶列。一个无穷大的一个无穷大的B格子，可有无穷多种晶列。格子，可有无穷多种晶列。晶向指数：晶向指数：从该晶列通过轴矢坐标系原点的直线上任取一格点，把该格从该晶列通过轴矢坐标系原点的直线上任取一格点，把该格点指数化为互质整数，称为晶向指数，表示为点指数化为互质整数，称为晶向指数，表示为h,k,l。B格子的格点还可看成是分列在一系列平行、等距的平面系上，格子的格点还可看成是分列在一系列平行、等距的平面系上，这些平面系称为晶面系（晶面族）。这些平面系称为晶面系（晶面族）。一个无穷大的一个无穷大的B格子，可有无穷多方向不同的晶面系。格子，可有无穷多方向不同的晶面系。v3.晶面指数（密勒指数）：晶面指数（密勒指数）：2.晶向指数：B格子的格点可看成是分列在一系列平行15光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v晶面表示方法：晶面表示方法：v（1）找出晶面系中任一晶面在轴矢上的截距；）找出晶面系中任一晶面在轴矢上的截距；v（2）截距取倒数；）截距取倒数；v（3）化为互质整数，表示为（）化为互质整数，表示为（h,k,l）。）。（h,k,l）可表示一个晶面系，也可表示某一个晶面。）可表示一个晶面系，也可表示某一个晶面。v注意：注意：化互质整数时，所乘的因子的正、负并未限制，化互质整数时，所乘的因子的正、负并未限制，故故100和和100应视为同一晶向。应视为同一晶向。晶面表示方法：16光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v例例1：在立方晶系中，在立方晶系中，100代表代表 100,010,001三个等效晶向。三个等效晶向。v例例2：在立方晶系中，在立方晶系中，100代表代表(100),(010),(001)三个等效晶面族。三个等效晶面族。有时为了表示一个具体的晶面，也可以不化互质整数。有时为了表示一个具体的晶面，也可以不化互质整数。v例例3：(200)指平行于指平行于(100)，但与，但与a轴截距为轴截距为a/2的晶面。的晶面。v说明：说明：若选用基矢坐标系，方法类似，显然数值是不同若选用基矢坐标系，方法类似，显然数值是不同的。的。例1：在立方晶系中，100代表17光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件晶胞和晶格常数Ge课件18光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件晶胞和晶格常数Ge课件19光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件晶胞和晶格常数Ge课件20光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件说明：说明：六角晶系的四指数表示六角晶系的四指数表示v 以上三指数表示晶向、晶面原则上适用于任何晶系，但以上三指数表示晶向、晶面原则上适用于任何晶系，但用于六角晶系有一个缺点：用于六角晶系有一个缺点：晶体具有等效的晶面、晶向不具有类似的指数。晶体具有等效的晶面、晶向不具有类似的指数。v例：例：六棱柱的两个相邻的外表面在晶体学上应是等价的，六棱柱的两个相邻的外表面在晶体学上应是等价的，但其密勒指数却分别为但其密勒指数却分别为(100)和和(110)。夹角为。夹角为600的密排的密排方向是等价的，但其方向指数却为方向是等价的，但其方向指数却为100和和110.v在晶体结构上本来是等价的晶面却不具有类似的指数，在晶体结构上本来是等价的晶面却不具有类似的指数，给研究带来不方便。给研究带来不方便。说明：六角晶系的四指数表示21光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件晶胞和晶格常数Ge课件22光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件晶胞和晶格常数Ge课件23光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v在在1-1中我们已经讲过中我们已经讲过,Ge、Si晶体的原子体密度为晶体的原子体密度为8/a3。而。而晶体中每一个原子有晶体中每一个原子有4个共价键，因此在单位体积内的共价个共价键，因此在单位体积内的共价键数目键数目键的体密度为键的体密度为48/a3。v此外，还有必要考察一下此外，还有必要考察一下Ge、Si晶体中主要晶向和晶面的原晶体中主要晶向和晶面的原子线密度、面密度和键的面密度，因为这些数值在不同晶向子线密度、面密度和键的面密度，因为这些数值在不同晶向和晶面上的差异是造成晶体各向异性的根本所在。因此下面和晶面上的差异是造成晶体各向异性的根本所在。因此下面先来讨论这些问题，然后再说明一些与晶体结构有关的实际先来讨论这些问题，然后再说明一些与晶体结构有关的实际问题。问题。1.3 锗硅晶体的各向异性锗硅晶体的各向异性在1-1中我们已经讲过,Ge、Si晶体的原子体密度为8/a24光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件vGe、Si晶体中几个主要晶向上的原晶体中几个主要晶向上的原子分布情况如图子分布情况如图1-19所示。由此可所示。由此可容易求出各个方向上单位长度内的容易求出各个方向上单位长度内的原子数目原子数目原子线密度如下：原子线密度如下：v1、原子分布和键密度的各向异性图1-19 锗、硅中常用晶向上原子的分布 100：110：111：可可见，110方向上的原子方向上的原子线密度最大。密度最大。Ge、Si晶体中几个主要晶向上的原子分布情况如图1-19所示25光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件图1-20画出了画出了锗、硅晶体的几个主要晶面上原子分布的情况由此容易、硅晶体的几个主要晶面上原子分布的情况由此容易计算出各个晶面上的原子密度如下：算出各个晶面上的原子密度如下：（110）：）：（111）：）：（100）：）：图1-20 锗、硅中常用晶面上原子的分布图1-20画出了锗、硅晶体的几个主要晶面上原子分布的情况由此26光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v可见，可见，110面上的原子密度最大。另外，值得注意的是：面上的原子密度最大。另外，值得注意的是：111面上的面上的原子分布是均匀的，每个原子的周围都等距离地分布有六个原子，这样原子分布是均匀的，每个原子的周围都等距离地分布有六个原子，这样的原子面实际上就是密排面，但应注意到其原子密度并不是最大的。的原子面实际上就是密排面，但应注意到其原子密度并不是最大的。v虽然虽然110面上的原子密度最大，但是面上的原子密度最大，但是110面之间的作用力却不是最大，面之间的作用力却不是最大，下面通过对各主要晶面上键密度的计算就可以指出这一点。下面通过对各主要晶面上键密度的计算就可以指出这一点。v观察图观察图1-21，以原子，以原子O为例，当它作为为例，当它作为（100）面上的原子时，与一侧相邻的）面上的原子时，与一侧相邻的（100）面中的原子）面中的原子A、B间有间有2个键作用着，个键作用着，与另一侧相邻的（与另一侧相邻的（100）面中的原子）面中的原子C、D间间也有也有2个键作用着，即（个键作用着，即（100）面间每一个原）面间每一个原子有子有2个键作用着。而（个键作用着。而（100）面上的原子密）面上的原子密度为度为2/a2，所以在（，所以在（100）面间，单位面积上）面间，单位面积上作用的键数作用的键数键的面密度为键的面密度为22/a2=4/a2。图1-21 锗、硅晶体结构可见，110面上的原子密度最大。另外，值得注意的是：127光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v再观察图再观察图1-21中的原子中的原子O，当它作为（，当它作为（110）面上的原子时，它与一侧相）面上的原子时，它与一侧相邻的（邻的（110）面中的原子）面中的原子B有一个键作用着，与另一侧相邻的（有一个键作用着，与另一侧相邻的（110）面）面中的原子中的原子D也有一个键作用着，即（也有一个键作用着，即（110）面间每一个原子有一个键作用）面间每一个原子有一个键作用着。而（着。而（110）面的原子密度为）面的原子密度为2.8/a2，所以（，所以（110）面间的键密度为：）面间的键密度为：表表1-41-4晶面的几种密度分析晶面的几种密度分析原子原子线密度密度原子面密度原子面密度键的面密度（即晶面的面密度（即晶面间作作用力的用力的强强度）度）110111100111100110111再观察图1-21中的原子O，当它作为（110）面上的原子时，28光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v我们知道，云母可以剥成一层一层的薄片，这就是云母的解理性，我们知道，云母可以剥成一层一层的薄片，这就是云母的解理性，所剥裂出的面就是解理面；当然，在剪切力的作用下，层与层之间所剥裂出的面就是解理面；当然，在剪切力的作用下，层与层之间（即解理面之间）也是容易错开的，这就是所谓（即解理面之间）也是容易错开的，这就是所谓滑移滑移。v一般说来，滑移面或解理面是原子面密度最大的晶面，因为这样的一般说来，滑移面或解理面是原子面密度最大的晶面，因为这样的晶面其面间距较大，作用力较弱。但是对晶面其面间距较大，作用力较弱。但是对Ge、Si晶体，虽然晶体，虽然110面的原子密度最大，然而其晶面间的作用力并不是最小。因此，面的原子密度最大，然而其晶面间的作用力并不是最小。因此，Ge、Si晶体的滑移面或解理面不是晶体的滑移面或解理面不是110面，而应当是键密度最小面，而应当是键密度最小的的111面。这已为很多事实所证明，例如当弄碎一块薄面。这已为很多事实所证明，例如当弄碎一块薄Si片后，片后，断面往往是很平整的断面往往是很平整的111面。面。v2、锗、硅晶体中的滑移或解理的各向异性我们知道，云母可以剥成一层一层的薄片，这就是云母的解理性，所29光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v考虑到考虑到Ge、Si的的111面易于裂开这一特点，对指导半导体器件的面易于裂开这一特点，对指导半导体器件的生产实践具有重要意义。例如，在用生产实践具有重要意义。例如，在用100片子制作器件时，管芯片子制作器件时，管芯图形的排列应当沿图形的排列应当沿方向方向(见图见图1-22),因为因为111面与面与100面的面的交线是交线是方向，这样排列管芯有利于最后划片时获得形状较正方向，这样排列管芯有利于最后划片时获得形状较正规的管芯，减少了弄破管芯的可能性，又如，对规的管芯，减少了弄破管芯的可能性，又如，对111晶片，最好晶片，最好是按图是按图1-23排列管芯，即一边沿着排列管芯，即一边沿着方向方向,因为因为111面之间的面之间的交线就是交线就是方向，这就可以保证沿方向，这就可以保证沿方向划片时不易弄碎方向划片时不易弄碎管芯。值得注意的是，在垂直管芯。值得注意的是，在垂直方向划片时，划刀的走向应当方向划片时，划刀的走向应当按图按图1-23所示的箭头方向进行，否则，划刀相反进行的，将易于引所示的箭头方向进行，否则，划刀相反进行的，将易于引起晶片沿其它二个起晶片沿其它二个方向的方向的111面裂开，而造成管芯破碎。面裂开，而造成管芯破碎。考虑到Ge、Si的111面易于裂开这一特点，对指导半导体30光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件图1-22 100面管芯排列图1-23 111晶面上管芯的排列v在应力的作用下，在应力的作用下，Ge、Si晶体将最易沿晶体将最易沿111面发生滑移，但究竟面发生滑移，但究竟朝哪个方向最易发生滑移呢？实践表明这也是各向异性的，存在有朝哪个方向最易发生滑移呢？实践表明这也是各向异性的，存在有一个所谓滑移方向，就是一个所谓滑移方向，就是方向。这是不难理解的，因为方向。这是不难理解的，因为方向上原子的分布最密，原子间的作用必然较强，要冲破这方向上原子的分布最密，原子间的作用必然较强，要冲破这些原子间的联系就不容易，所以只有沿该方向滑移时才不需要那么些原子间的联系就不容易，所以只有沿该方向滑移时才不需要那么大的力。大的力。图1-22 100面管芯排列图1-23 111晶31光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v总而言之，总而言之，Ge、Si晶体的滑移面（解理面）是晶体的滑移面（解理面）是111面，滑移方向是面，滑移方向是。但有必要指出，这里所说的滑移面和滑移方向，是指最容易发生。但有必要指出，这里所说的滑移面和滑移方向，是指最容易发生的滑移的晶面和晶向，并不排除沿其它晶面和晶向发生滑移的可能。例如，的滑移的晶面和晶向，并不排除沿其它晶面和晶向发生滑移的可能。例如，打碎一块打碎一块Ge或或Si单晶时，其断面不太整齐，这就是证明。单晶时，其断面不太整齐，这就是证明。v下面我们根据下面我们根据Ge、Si晶体滑移的各向异性性质，来说明晶体滑移的各向异性性质，来说明Ge、Si晶体中的晶体中的棱位错的某些特点。棱位错的某些特点。v我们知道，位错是晶体中发生不完全滑移的结果，是已滑移区与未滑移区我们知道，位错是晶体中发生不完全滑移的结果，是已滑移区与未滑移区的交界线。图的交界线。图1-24中中D点处垂直于纸面的一条线，称为棱位错，图中箭头点处垂直于纸面的一条线，称为棱位错，图中箭头表示的是滑移方向。可以想见，位错线应当位于滑移面内，而且是沿着原表示的是滑移方向。可以想见，位错线应当位于滑移面内，而且是沿着原子密度最大的方向。所以，子密度最大的方向。所以，Ge、Si晶体中的位错线往往是在晶体中的位错线往往是在111面内，面内，而且其方向往往是而且其方向往往是方向。而导致发生位错的滑移，其方向如上述也方向。而导致发生位错的滑移，其方向如上述也是是方向。由于在同一个面内的两个方向。由于在同一个面内的两个方向，其间夹角为方向，其间夹角为60（见（见图图1-17），故），故Ge、Si晶体中的棱位错线往往与滑移方向互成晶体中的棱位错线往往与滑移方向互成60夹角，因夹角，因此，就把这种位错特称为此，就把这种位错特称为“60位错位错”。总而言之，Ge、Si晶体的滑移面（解理面）是111面，滑32光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v位错不但可以通过滑移产生，而且也容易通过滑移而发生运动。由位错不但可以通过滑移产生，而且也容易通过滑移而发生运动。由于于Ge、Si晶体中存在有最容易发生滑移的晶面和晶向，所以晶体中存在有最容易发生滑移的晶面和晶向，所以Ge、Si晶体中位错的分布并不杂乱无章，而是有一定规律的，即位错线晶体中位错的分布并不杂乱无章，而是有一定规律的，即位错线往往是处于往往是处于111面内的面内的方向。因此，在晶体的一个表面上方向。因此，在晶体的一个表面上所观察到的许多位错的露头处，将成为有规律的排列所观察到的许多位错的露头处，将成为有规律的排列位错排位错排，如图如图1-25所示。所示。图1-24 棱位移示意图图1-25 晶体表面位错排的显示位错不但可以通过滑移产生，而且也容易通过滑移而发生运动。由于33光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v一般说来，晶面间的共价键密度愈高，则此晶面簇的各晶面连接得一般说来，晶面间的共价键密度愈高，则此晶面簇的各晶面连接得愈牢，也就愈难被腐蚀掉，因此在该晶面簇的垂直方向上腐蚀速度愈牢，也就愈难被腐蚀掉，因此在该晶面簇的垂直方向上腐蚀速度就愈慢。相反，晶面间的共价键密度愈低，则该种晶面愈易被腐蚀就愈慢。相反，晶面间的共价键密度愈低，则该种晶面愈易被腐蚀掉，因此，在该晶面簇的垂直方向上腐蚀速度就越快。由表掉，因此，在该晶面簇的垂直方向上腐蚀速度就越快。由表1-4可可知，对知，对Ge、Si晶体，晶体，111双层原子面内的共价键密度最高，其次双层原子面内的共价键密度最高，其次是是100，再其次是，再其次是110。所以。所以Ge、Si晶体在晶体在方向上腐蚀速方向上腐蚀速度最快，度最快，次之，次之，最慢。最慢。v3、锗、硅晶体化学腐蚀的各向异性一般说来，晶面间的共价键密度愈高，则此晶面簇的各晶面连接得愈34光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v我们知道，位错在晶体表面的露头处，经过腐蚀后将出现一些形状我们知道，位错在晶体表面的露头处，经过腐蚀后将出现一些形状规则的腐蚀坑。晶面种类不同，腐蚀坑的形状也不相同，据此可粗规则的腐蚀坑。晶面种类不同，腐蚀坑的形状也不相同，据此可粗略地确定晶向，或用光点法精确地定向。尽管腐蚀坑的形状与很多略地确定晶向，或用光点法精确地定向。尽管腐蚀坑的形状与很多因素有关，但基本上腐蚀坑中的各个晶面都倾向于因素有关，但基本上腐蚀坑中的各个晶面都倾向于111面，因为面，因为沿沿方向的腐蚀速度最慢，则方向的腐蚀速度最慢，则111面最易显露出来。因为方面最易显露出来。因为方位不同的几组位不同的几组111面将围成正四面体（见图面将围成正四面体（见图1-8），所以），所以111面面上的腐蚀坑形状将呈现为正三角形。因为上的腐蚀坑形状将呈现为正三角形。因为100面与面与111面将围成面将围成六角八面体的一半（见图六角八面体的一半（见图1-12），所示），所示100面上的腐蚀坑将呈现面上的腐蚀坑将呈现为正方形。仍从图为正方形。仍从图1-12看出，因为看出，因为110面（通过面（通过C点和点和D点）与各点）与各个个111面的交线是菱形，所以面的交线是菱形，所以110面上的腐蚀坑将呈现为菱形。面上的腐蚀坑将呈现为菱形。在图在图1-14的各主要晶面上已画出了相应的腐蚀坑图形。的各主要晶面上已画出了相应的腐蚀坑图形。我们知道，位错在晶体表面的露头处，经过腐蚀后将出现一些形状规35光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件v在集成电路的介质隔离技术中，为了提高集成度等指标，如何缩小在集成电路的介质隔离技术中，为了提高集成度等指标，如何缩小隔离墙的尺寸是一个重要的问题。使用隔离墙的尺寸是一个重要的问题。使用111晶片时，腐蚀出的沟晶片时，腐蚀出的沟槽一般是宽度大于深度，且槽底是平坦的，见图槽一般是宽度大于深度，且槽底是平坦的，见图1-26（a）故无法）故无法进一步减薄隔离墙。但如果改用进一步减薄隔离墙。但如果改用100晶片，则腐蚀出的沟槽将呈晶片，则腐蚀出的沟槽将呈“V”形，见图形，见图1-26（b），从而可达到减薄隔离墙的目的，这就是），从而可达到减薄隔离墙的目的，这就是所谓垂直各向异性腐蚀刻槽技术。图所谓垂直各向异性腐蚀刻槽技术。图1-26（b）中）中“V”形槽的出现，形槽的出现，是由于是由于100面较面较111面易被腐蚀，则沟槽中很易显露出面易被腐蚀，则沟槽中很易显露出111面，面，而（而（100）与（）与（111）面间的夹角是）面间的夹角是54.74，所以腐蚀出的沟槽呈，所以腐蚀出的沟槽呈“V”形槽的深度形槽的深度d可由其宽度可由其宽度W求得为求得为在集成电路的介质隔离技术中，为了提高集成度等指标，如何缩小隔36光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件光电材料与半导体器件图1-26 不同晶面的隔离墙（a）（111）面的隔离墙 （b）（100）面的隔离墙图1-26 不同晶面的隔离墙（a）（111）面的隔离墙37