外延晶格失配、应变、生长模式与缺陷
Epitaxial Lattice Mismatch, Strain, Growth Modes and Defects（Homo/Heteroepitaxy / VW / FM / SK / Critical Thickness）也称 同质外延、异质外延、晶格失配、应变外延、临界厚度、外延生长模式
外延是在衬底晶体势场和表面化学约束下延续或重建取向；晶格/热失配、界面能和表面迁移共同决定相干应变、位错与二维或三维生长。
速览
约 1 分钟同质外延使用相同主体材料，异质外延跨材料建立界面。薄层可先弹性服从衬底晶格，但随厚度增加，储存应变能可能通过失配位错、岛化、裂纹或表面粗化释放。岛状、层层和层岛模式是界面与表面能、过饱和和迁移长度共同作用的结果。
系统理解
约 3 分钟外延不等于材料简单覆盖：到达表面的原子或分子必须吸附、迁移、找到低能晶格位置并成键。衬底取向、台阶、终止、污染和温度决定可用成核位置；同质体系也会把衬底位错、颗粒和表面损伤延续进外延层。
异质外延的面内晶格失配可写f=(af−as)/as。足够薄时外延层可能保持相干并以弹性应变匹配衬底；厚度、温度或后续热预算增加后，位错形核与滑移可降低应变能。所谓临界厚度既含平衡能量条件，也受位错成核势垒、已有穿透位错、升降温速率和检测灵敏度影响，不是仅由失配百分比确定的固定常数。
Volmer-Weber岛状、Frank-van der Merwe层层与Stranski-Krastanov层岛生长分别描述三维岛、逐层覆盖和先润湿后岛化。它们不能只用一张表面示意图归类；界面能、表面能、吸附通量、过饱和、表面扩散长度、台阶密度和应变都会使模式随时间转变。
外延缺陷来源应分为衬底延续、界面污染/氧化、成分或掺杂过饱和产生的沉淀/位错环、并合晶界，以及失配松弛形成的位错。验证至少联合全片厚度/组分/翘曲图、XRD、表面形貌、截面TEM和器件电学，不能用单个PL峰或最佳显微图代替外延资格。
承接晶体结构、晶圆表面与薄膜成核，向后连接HVPE/MOCVD、MBE、异质结、量子阱和器件可靠性。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 外延/衬底晶格常数与失配 | nm / % | 建立相干应变驱动力 |
| 层厚、临界厚度与松弛率 | nm–µm / nm / % | 连接应变储能和位错形成 |
| 表面/界面能、成核密度与迁移长度 | J·m⁻² / cm⁻² / nm | 决定润湿与生长模式 |
| 位错、晶界、沉淀与裂纹密度 | cm⁻² / cm⁻¹ | 限定材料与器件风险 |
| 翘曲、粗糙度、组分与电学均匀性 | µm / nm / % / % | 完成全片资格 |
常见误区
- 认为同质外延不会产生缺陷
- 把临界厚度当作与温度和缺陷无关的材料常数
- 只用晶格失配判断岛状或层层生长
- 认为超晶格一定能消除位错
- 由单点XRD或PL代表全片外延
工程深入
12 条结论 · 1 道例题外延定义
同质与异质
晶格失配
相干应变
临界厚度
位错松弛
生长模式
表面动力学
缺陷来源
超晶格边界
资格验证
失配算例
晶格常数零点五六五与零点五六三纳米给出约百分之零点三五五失配
f=(0.565−0.563)/0.563=0.00355≈0.355%
- f
- 参考晶格失配，单位 %
成立条件 af=0.565 nm；as=0.563 nm；同温度同方向
例题：动手算一次教学假设，可复算
外延层和衬底参考晶格常数为0.565 nm与0.563 nm时，一阶失配是多少？
已知
- af=0.565 nm
- as=0.563 nm
步骤
- Δa=0.002 nm，求晶格常数差。
- f=0.002/0.563=0.00355，以衬底晶格常数归一化。
表示相干匹配所需的面内应变数量级。
不能外推到 未包含弹性各向异性、温度、组分、热膨胀、层厚、位错成核和测量不确定度，不能据此单独判定外延质量。
出处
4 份资料 · 4 处引用- 1
- 2
Epitaxial Growth of Rhenium with Sputtering
- NIST Web publication §Abstract，Thin Solid Films 496 growth-mode observations 支持：外延要求新生晶体与衬底建立确定取向关系；同质外延仍会继承衬底缺陷和表面污染；岛状、层层和层岛模式描述不同的覆盖演化；迁移长度相对成核间距决定原子能否到达台阶
- 3
Relaxation of Strained-Layer Semiconductor Structures via Plastic Flow
- OSTI Web publication §Abstract，Applied Physics Letters 51 relaxation model scope 支持：晶格失配只是一阶几何驱动力；薄异质层可先以弹性变形保持界面相干；临界厚度不是只由失配百分比决定的固定常数；失配位错以塑性变形降低部分弹性应变能；外延缺陷需按衬底、界面、生长与松弛来源分层；应变超晶格只能重新分配应变与位错路径；晶格常数零点五六五与零点五六三纳米给出约百分之零点三五五失配
- 4
In situ Metrology During the Growth of Compound Semiconductors by Molecular Beam Epitaxy
- NIST Web publication §Abstract，in-situ SE, RHEED, DRS and ex-situ XRD correlation 支持：单一XRD或PL峰不能证明外延层全片无缺陷