硅锗异质结构中部分位错演化的分子模拟

论文摘要

Si和Ge是当代电子工业中应用最多的半导体材料。在Si基体上外延生长SiGe合金形成了SiGe/Si异质结构。由于异质结构能够对器件的能带进行人工剪裁,并且具有优异的光、电特性,所以被广泛应用于半导体工业中。在异质结构生产过程中,由于Si、Ge晶格常数的差异,不可避免地要产生失配位错。在Si中,主要的可滑移失配位错为60度位错。随着60度位错和螺位错地分解,部分位错（30度部分位错和90度部分位错）成为了异质结构中主要的位错形式。在半导体器件中,位错不但关系着材料的塑性变形,而且还影响器件的光、电特性。所以本文利用分子模拟方法从原子尺度对异质结构中部分位错的演化进行了研究,为获得完全驰豫、低位错密度、高质量的半导体器件提供理论支持。本文首先利用基于Environment-dependent interatomic potential （EDIP）的分子动力学方法（MD）和基于半经验势函数（TB）的Nudged Elastic Band （NEB）方法对30度部分位错的运动特性进行了研究。利用MD方法得到了在不同温度和剪切应力条件下左弯结（LK）,右弯结（RK）,左弯结-重构缺陷（LC）和右弯结-重构缺陷（RC）在一个周期内的运动过程。发现在一般情况下弯结通过中间稳定状态之间的转化实现运动。但是在较高温度和剪应力条件下,LK中会出现弯结对,RK会分解产生RC+重构缺陷的结构,它们都参与了弯结的运动过程。LK和RK在不同温度和剪应力条件下的速度曲线表明这两种现象都加速了30度部分位错的运动。在弯结运动过程的基础上,利用NEB方法得到了30度部分位错中四种弯结在一个运动周期内的迁移势垒,验证了MD结果的正确性。此外还发现重构缺陷可以降低左、右弯结的迁移势垒值,加速30度部分位错的运动。这也解释了RC相对于其它弯结具有较低运动势垒的原因。其次,利用MD方法和NEB方法研究了90度部分位错双周期（DP）结构的运动特性。详尽描述了90度部分位错中DP的左弯结和右弯结在一个周期内的运动过程,并且利用基于TB的MD学方法得到了DP中左、右弯结的形成能。在弯结运动过程的基础上,利用基于TB的NEB方法计算出了左、右弯结在一个运动周期内的迁移势垒。最后,根据位错运动的活化能理论分别得到了决定90度部分位错DP结构运动速度的长位错段和短位错段的活化能。接着本文对Si中单空位、双空位和六边形空位环利用第一性原理（DFT）、Stillinger-Weber （SW）、EDIP和Tersoff （T3）进行了对比研究。DFT计算结果表明该方法可以较好的描述空位的结构和能量特性。通过结果之间的对比后发现,由于经验势函数自身的缺陷,它们无法描述远离平衡状态的空位的量子效应,如Jahn-Teller变形。这导致EDIP和T3无法应用于空位结构特性的计算中。在单空位、双空位和六边形空位环形成能的计算中,只有SW在所有的计算中得出了与DFT相近的结果。以上所有结果表明在有关空位的大规模MD计算中SW是经验势函数中的最优选择。在部分位错运动特性及有关空位研究的基础上,本文利用基于SW的MD方法分别研究了30度部分位错与单空位和双空位的相互作用。通过对相互作用过程的研究后发现,当剪应力较低时,空位对位错有钉扎作用;当外加剪应力达到临界值后位错开始脱离空位的钉扎继续运动。随着温度的升高,位错的运动能力增强,临界剪应力近似线性下降。在双空位中,位错脱离空位钉扎的能力主要受弯结的迁移势垒决定:弯结的迁移势垒越小,运动能力越强,越容易脱离空位的钉扎。通过相同条件下含有空位和不含空位结果的对比后发现,由于空位的引入,可能在含有空位的系统中引入回复力及形成多弯结结构,从而使位错脱离空位钉扎后运动速度变快。这一结论从微观尺度上解决了空位是加速了还是阻碍了位错运动的争议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 硅锗异质结构简介
• 1.2.1 失配位错的产生
• 1.2.2 异质结构中失配位错的主要形式
• 1.3 失配部分位错的微观结构
• 1.3.1 位错基本理论
• 1.3.2 30 度部分位错的微观结构
• 1.3.3 90 度部分位错的微观结构
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 分子模拟原理及方法简介
• 2.1 引言
• 2.2 第一性原理的基本理论
• 2.2.1 Born-Oppenheimer绝热假设
• 2.2.2 密度泛函理论
• 2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似方法
• 2.2.4 赝势理论
• 2.3 紧束缚理论（TB）
• 2.4 分子动力学方法
• 2.4.1 初始化及原子上的力
• 2.4.2 积分算法
• 2.4.3 常用经验势函数介绍
• 2.4.4 应力施加方法
• 2.5 最低能量路径寻找方法
• 2.6 周期性边界条件
• 2.7 本章小结
• 第3章 30 度部分位错的运动特性
• 3.1 引言
• 3.2 分子动力学参数设定
• 3.3 30 度部分位错的弯结模型
• 3.4 弯结的运动过程
• 3.4.1 LK和RK的运动过程
• 3.4.2 LC和RC的运动过程
• 3.4.3 运动过程中弯结之间的相互作用
• 3.4.4 弯结的速度特性
• 3.5 弯结的迁移势垒
• 3.6 结果讨论
• 3.7 本章小结
• 第4章 90 度部分位错的运动特性
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法选择
• 4.3 90 度部分位错双周期结构（DP）及其弯结模型
• 4.4 DP中弯结的运动过程
• 4.4.1 左弯结的运动过程
• 4.4.2 右弯结的运动过程
• 4.5 弯结形成能的计算
• 4.6 弯结迁移势垒的计算
• 4.7 结果及讨论
• 4.8 本章小结
• 第5章 空位的第一性原理及经验势函数的对比研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法及参数设定
• 5.2.1 第一性原理参数设定
• 5.2.2 经验势函数计算方法参数设定
• 5.3 单空位的结构特性及形成能
• 5.3.1 单空位的结构特性
• 5.3.2 单空位的形成能
• 5.3.3 单空位结果讨论
• 5.4 双空位的结构特性及形成能
• 5.4.1 双空位的结构特性
• 5.4.2 双空位的形成能
• 5.4.3 双空位结果讨论
• 5.5 六边形空位环的结构特性及形成能
• 5.5.1 六边形空位环的结构特性
• 5.5.2 六边形空位环的形成能
• 5.5.3 六边形空位环结果讨论
• 5.6 计算结果分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 30 度部分位错与空位的相互作用
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法及参数设置
• 6.3 分子动力学模型
• 6.4 30 度部分位错与单空位的相互作用
• 6.4.1 30 度部分位错与单空位的相互作用过程
• 6.4.2 临界剪应力
• 6.4.3 单空位对30 度部分位错运动速度的影响
• 6.5 30 度部分位错与双空位的相互作用
• 6.5.1 30 度部分位错与双空位的相互作用过程
• 6.5.2 临界剪应力
• 6.5.3 双空位对30 度部分位错运动速度的影响
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历