晶体硅中运动位错相互作用的分子动力学模拟(附件)【字数：16176】
摘 要摘 要 半导体材料在我们日常的生产生活中起着不可替代的作用。Si是到目前为止使用最广泛的半导体材料之一。但是Si中存在的位错和空位等缺陷会影响半导体器件的性能。所以本文中采用了分子动力学方法模拟了Si中位错与位错之间的相互作用以及位错与空位之间的相互作用。 本文的主要工作一、计算模拟硅中两个位错之间的相互作用，并与一个位错没有遇到另一个位错的情况向比较。二、计算模拟硅中两个位错在同一个滑移面上的情况，并与两个位错不在同一个滑移面上的情况相比较。三、计算模拟硅中位错与空位之间的相互作用，并与位错没有遇到空位的情况相比较。关键词半导体材料；位错；空位；分子动力学；相互作用
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 本文的研究背景及研究意义 1
1.3 硅锗异质结构简介 2
1.3.1失配位错的产生 3
1.4 硅中位错类型 6
1.5 主要研究内容 11
第二章 研究方法 12
2.1 分子模拟方法 12
2.2 分子模拟软件 13
2.2.1 XMD软件 13
2.2.2 LAMMPS软件 13
2.3 势函数 14
2.3.1 StillingerWaber势函数 14
2.3.2 Tersoff势函数 15
2.3.3 EDIP势 16
2.4 应力施加算法 17
第三章 硅中60°shuffle型位错之间的相互作用 19
3.1 计算模型 19
3.2 模拟方法 19
3.3模拟结果 20
3.3.1 当两个位错在同一个滑移面上的时候 20
3.3.2 当两个位错在不同滑移面上的时候 22
3.4模拟结论 23
第四章 硅中60°shuffle型位错与空位团相互作用 25
4.1 建立模型 25
4.2 模拟方法 25
4.3模拟结果 26
4.4模拟结论 28
结 论 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
9
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 引言
半导体材料自诞生以来就和电子工业相互依存和共同发展[1]。随着电子工业不断的发展，人们需要更大数量和更高质量的半导体材料。因为硅的储量非常丰富并且制备硅的方法越来越完善，所以到目前为止它都是应用最多的半导体材料之一。如果要制备和加工半导体材料就不可避免地会造成许多的缺陷[2]。半导体材料中的缺陷会导致晶体结构中的周期顺序发生改变，随后就会对半导体器件的性能产生影响。
其中之一的缺陷就是位错，它也是塑性变形的原因之一，也是捕获和散射集中电子的载体，在半导体电子机械中发挥基础性作用。在它们被发现以后不久，对它们属性的大量理论和实践研究已经完成。在本文中，我们将主要关注硅中位错。
1.2 本文的研究背景及研究意义
虽然半导体技术已经发展的非常好，但是半导体中始终存在缺陷问题，而且自从晶体管被发明出来的时候，人们就越来越重视相关问题的研究。但是半导体材料中的这些缺陷会影响到半导体的功能，使它的性能达不到我们的需求，所以为了改善器件的性能就需要研究明白这些缺陷。
在1940年的时候，Peierls认为一个简单立方体中的刃位错离散模型不能适用位错芯部分的离散结构基于线弹性连续介质力学的经典位错理论[3]。而著名的PeierlsNabarro位错点阵模型也在此基础上进一步研究完善由Nabarro所提出[4]。这个模型可以计算出位错芯内部的应力应变之间的关系，同时也可以算出具体位错是多宽的和分析位错滑移所承受的晶格阻力。1956年，Menter通过透射电子显微镜（简称TEM，该显微镜的分辨率可以达到1nm量级）分辨了铂酞菁的图像中的刃位错的原子排列图[5]。最后在1978年，Bourret[6]等人使用高分辨率的TEM能直接观察到晶体中的位错以及错排原子的位置。随着这个技术进一步的发展，人们已经可以确定位错的Burgers矢量的大小和方向，位错的类型和符号等基本参数[7]。因为当时对于位错的研究过分地依赖于电镜的性能，并且实际中的位错常常会伴随有分布在位错线上的弯折割阶等等的许多的缺陷，所以就使得TEM照片中的元素比较复杂，其中的位错不容易被分辨出来。
近些年来，随着我们制备硅工艺、光学蚀刻水平的进步，以及电脑处理器计算能力的提高，我们使用计算机可以精确模拟出材料中更大空间、更长时间上的缺陷等问题。
1.3 硅锗异质结构简介
硅属于间接带隙半导体材料并且也是IV族中具有代表性的元素，因为带隙的宽度一定所以就限制了它在生产生活中的进一步发展和应用。随着深入研究，就出现了Si1xGex/Si异质结构[8]。2001年6月，美国IBM公司宣布他们使用应变硅的技术将芯片速度提升了大概有35％左右[9]。因为Si和Ge晶格常数不一样，所以在Si基上生长出来的Si1xGex薄膜，虽然与Si的结构会一样但是晶格常数不一样，这个结构一样晶格常数不一样的薄膜就是我们所说的异质结构。我们将利用Si1xGex薄膜制备出的Si1xGex/Si异质结构称为“虚衬底”[1]，在“虚衬底”表面上继续外延生长出的Si由于晶格失配会处于应力状态[10]，这个在“虚衬底”上生长出来的Si因为应力存在能带特性会发生变化，这只是改变了材料的能带特性并没有改变材料的体积，改变的能带特性会使得材料的电阻变小，从而加快了计算机芯片的运算速度。如果改变Si1xGex/Si异质结构中的x的值，就是裁剪了能带结构，这样就可以得到我们所需要的带隙宽度。Si1xGex/Si异质结构的出现，使得我们可以根据需要来自由裁剪能带从而调整了半导体材料的光学电学性质，由此也可以制造出具有新功能的器件。
Si和Ge都是金刚石晶体结构，其构型如图11所示，这种构型是立方体形状的包含有8个原子，这8个原子中的每个原子都有4个最靠近它的原子而且在稍微远一点的地方还环绕着12个原子。金刚石晶体结构是一个四面体，四面体的四个顶点就是那4个最靠近它的原子，并且这4个最靠近它的原子会与这个原子形成4个共价键。都是金刚石晶体结构的两种晶体Si和Ge能够形成一种Si1xGex合金（其中的x取0~1之间任意值），这种合金是一种无限固溶体。自1985年起，人们对Si1xGex/Si异质结构材料的研究就越来越深入，因为Si的生长需要外延技术，所以就出现了许多先进外延生长技术比如说分子束外延等，通过这些技术我们就可以在衬底上生长高质量SiGe薄膜层。
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第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 本文的研究背景及研究意义 1
1.3 硅锗异质结构简介 2
1.3.1失配位错的产生 3
1.4 硅中位错类型 6
1.5 主要研究内容 11
第二章 研究方法 12
2.1 分子模拟方法 12
2.2 分子模拟软件 13
2.2.1 XMD软件 13
2.2.2 LAMMPS软件 13
2.3 势函数 14
2.3.1 StillingerWaber势函数 14
2.3.2 Tersoff势函数 15
2.3.3 EDIP势 16
2.4 应力施加算法 17
第三章 硅中60°shuffle型位错之间的相互作用 19
3.1 计算模型 19
3.2 模拟方法 19
3.3模拟结果 20
3.3.1 当两个位错在同一个滑移面上的时候 20
3.3.2 当两个位错在不同滑移面上的时候 22
3.4模拟结论 23
第四章 硅中60°shuffle型位错与空位团相互作用 25
4.1 建立模型 25
4.2 模拟方法 25
4.3模拟结果 26
4.4模拟结论 28
结 论 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
9
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 引言
半导体材料自诞生以来就和电子工业相互依存和共同发展[1]。随着电子工业不断的发展，人们需要更大数量和更高质量的半导体材料。因为硅的储量非常丰富并且制备硅的方法越来越完善，所以到目前为止它都是应用最多的半导体材料之一。如果要制备和加工半导体材料就不可避免地会造成许多的缺陷[2]。半导体材料中的缺陷会导致晶体结构中的周期顺序发生改变，随后就会对半导体器件的性能产生影响。
其中之一的缺陷就是位错，它也是塑性变形的原因之一，也是捕获和散射集中电子的载体，在半导体电子机械中发挥基础性作用。在它们被发现以后不久，对它们属性的大量理论和实践研究已经完成。在本文中，我们将主要关注硅中位错。
1.2 本文的研究背景及研究意义
虽然半导体技术已经发展的非常好，但是半导体中始终存在缺陷问题，而且自从晶体管被发明出来的时候，人们就越来越重视相关问题的研究。但是半导体材料中的这些缺陷会影响到半导体的功能，使它的性能达不到我们的需求，所以为了改善器件的性能就需要研究明白这些缺陷。
在1940年的时候，Peierls认为一个简单立方体中的刃位错离散模型不能适用位错芯部分的离散结构基于线弹性连续介质力学的经典位错理论[3]。而著名的PeierlsNabarro位错点阵模型也在此基础上进一步研究完善由Nabarro所提出[4]。这个模型可以计算出位错芯内部的应力应变之间的关系，同时也可以算出具体位错是多宽的和分析位错滑移所承受的晶格阻力。1956年，Menter通过透射电子显微镜（简称TEM，该显微镜的分辨率可以达到1nm量级）分辨了铂酞菁的图像中的刃位错的原子排列图[5]。最后在1978年，Bourret[6]等人使用高分辨率的TEM能直接观察到晶体中的位错以及错排原子的位置。随着这个技术进一步的发展，人们已经可以确定位错的Burgers矢量的大小和方向，位错的类型和符号等基本参数[7]。因为当时对于位错的研究过分地依赖于电镜的性能，并且实际中的位错常常会伴随有分布在位错线上的弯折割阶等等的许多的缺陷，所以就使得TEM照片中的元素比较复杂，其中的位错不容易被分辨出来。
近些年来，随着我们制备硅工艺、光学蚀刻水平的进步，以及电脑处理器计算能力的提高，我们使用计算机可以精确模拟出材料中更大空间、更长时间上的缺陷等问题。
1.3 硅锗异质结构简介
硅属于间接带隙半导体材料并且也是IV族中具有代表性的元素，因为带隙的宽度一定所以就限制了它在生产生活中的进一步发展和应用。随着深入研究，就出现了Si1xGex/Si异质结构[8]。2001年6月，美国IBM公司宣布他们使用应变硅的技术将芯片速度提升了大概有35％左右[9]。因为Si和Ge晶格常数不一样，所以在Si基上生长出来的Si1xGex薄膜，虽然与Si的结构会一样但是晶格常数不一样，这个结构一样晶格常数不一样的薄膜就是我们所说的异质结构。我们将利用Si1xGex薄膜制备出的Si1xGex/Si异质结构称为“虚衬底”[1]，在“虚衬底”表面上继续外延生长出的Si由于晶格失配会处于应力状态[10]，这个在“虚衬底”上生长出来的Si因为应力存在能带特性会发生变化，这只是改变了材料的能带特性并没有改变材料的体积，改变的能带特性会使得材料的电阻变小，从而加快了计算机芯片的运算速度。如果改变Si1xGex/Si异质结构中的x的值，就是裁剪了能带结构，这样就可以得到我们所需要的带隙宽度。Si1xGex/Si异质结构的出现，使得我们可以根据需要来自由裁剪能带从而调整了半导体材料的光学电学性质，由此也可以制造出具有新功能的器件。
Si和Ge都是金刚石晶体结构，其构型如图11所示，这种构型是立方体形状的包含有8个原子，这8个原子中的每个原子都有4个最靠近它的原子而且在稍微远一点的地方还环绕着12个原子。金刚石晶体结构是一个四面体，四面体的四个顶点就是那4个最靠近它的原子，并且这4个最靠近它的原子会与这个原子形成4个共价键。都是金刚石晶体结构的两种晶体Si和Ge能够形成一种Si1xGex合金（其中的x取0~1之间任意值），这种合金是一种无限固溶体。自1985年起，人们对Si1xGex/Si异质结构材料的研究就越来越深入，因为Si的生长需要外延技术，所以就出现了许多先进外延生长技术比如说分子束外延等，通过这些技术我们就可以在衬底上生长高质量SiGe薄膜层。
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