半导体材料学习资料：晶体生长
半导体晶体生长的研究与应用
半导体晶体生长的研究与应用随着计算机技术和通讯技术的不断发展，半导体技术成为一种非常重要的技术，在电子产品和计算机领域发挥着重要作用。
而半导体晶体生长技术则是半导体技术中重要的一环。
本文将从半导体晶体生长的基本原理、研究进展和应用领域等方面展开探讨。
一、半导体晶体生长的基本原理半导体晶体生长是将气相或液相中的单质或化合物蒸汽输送到晶核表面，以固相溶解，在晶核表面上沉积新的晶体材料。
一般来说，从高温、高压的气相或高温溶液中生长单晶称为液相生长，从低温、低压气相中生长单晶称为气相生长。
在半导体晶体生长中，往往采用静态液相生长法，即采用典型的静态平衡方法，将气、液两相平衡维持在固定的条件下，在晶体生长室中以加热、降温、扩散等方式进行生长。
其中，供应物质漂浮在保护气氛中，以上升的蒸汽形式与加热后的基片相遇，固态半导体材料以单晶的形式生长在基片表面。
这种静态液相生长法不仅能使生长的单晶质量高，而且实现了晶体的钝化，提高了生长的效率。
二、半导体晶体生长的研究进展半导体晶体生长技术的研究进展对于半导体材料的应用具有非常积极的意义。
近年来，针对半导体晶体生长技术的研究和发展成为研究热点。
1. 新材料的生长新材料的液相生长和气相生长已逐步取代了化学气相沉积（CVD）等方法。
例如，生长阻止氮化铟薄膜的关键技术（MOCVD）。
在物理气相沉积（PVD）中，必须获得背光照明条件，以便在近红外范围内使用MOCVD制备高质量的氮化铟线性和量子阱结构。
2. 生长过程的控制在半导体晶体生长过程中，特别是液相生长的过程中，如何强化和优化表面扩散和晶体扩散也是研究的重点。
此外，通过精确控制生长参数，如温度、气压、配气量和供气率等参数来控制晶体的生长，可以使砷化镓级联电池在几个微米到数厘米大小之间可控制地生长。
3. 生长速度和晶体质量的提高通过静态液相生长法可以得到单晶体质量优良的半导体材料，同时静态气相生长技术已被广泛应用于半导体材料及晶体器件的研究和开发中。
半导体材料晶体生长
夏威夷火山
火山口生长的硫(S)晶体
➢2. 由液相转变为固相：
➢1.从熔体中结晶,即熔体过冷却时发生结晶现象，出 现晶体；
➢2.从溶液中结晶,即溶液达到过饱和时，析出晶体； ➢3.水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结晶
出来；通过化学反应生成难溶物质。
天然盐湖卤水蒸发
珍珠岩
3．由固相变为固相：
➢1).同质多相转变， 某种晶体在热力学条件改变的 时候，转变为另一种在新条件下稳定的晶体；
晶核的形成
➢非均匀形核：若新相优先在母相 某些区域中存在的异质处形核， 即依附于液相中的杂质或外来表 面形核，则称为非均匀形核。又 称异质形核或非自发形核
气相中的均匀成核
➢在气-固相体系中，气体分子不停的做无 规则的运动，
➢能量高的气子发生碰撞后再弹开，这种 碰撞类似于弹性碰撞，
➢而某些能量低的分子，可能在碰撞后就 连接在一起，形成一些几个分子(多为2 个)组成的“小集团”，称为“晶胚”。
➢ 即结合成键时成键数目最多，放出能量最大的位置。
➢ 此模型假定晶体是理想完整的，并且界面在 原子层次上没有凹凸不平的现象，固相与流体相 之间是突变的，这显然是一种非常简单的理想化 界面，与实际晶体生长情况往往有很大的差距
➢ 如图： ➢ K为曲折面，有三角面凹入
角，是最有力的生长部位；
➢ S是阶梯面，具有二面凹入 角的位置；
➢2).原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成的石 灰岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗粒方解石 组成的大理岩；
细粒方解石
大理岩
3．由固相变为固相：
➢3). 固溶体分解，在一定温度下固溶体可以分离 成为几种独立矿物；
➢4).变晶，矿物在定向压力方向上溶解，而在垂 直于压力方向上结晶，因而形成一向延长或二 向延 展的变质矿物，如角闪石、云母晶体等；
半导体制造工艺之晶体的生长
半导体制造工艺之晶体的生长导语半导体制造是现代电子行业的关键环节之一，而晶体的生长是半导体制造工艺中的必要步骤之一。
本文将详细介绍半导体制造工艺中晶体的生长过程和相关技术。
一、晶体生长基础概念晶体是由连续的原子、离子或分子排列而成的固体物质，其内部结构具有高度有序性。
晶体的生长是指在适当条件下，将原子、离子或分子从溶液或气相中传输到一个固体基底上，形成一个完整的晶体结构。
半导体晶体通常是通过化学气相沉积（CVD）或溶液法来生长的。
在CVD过程中，悬浮的气体或溶液中的原料物质会在晶体基底表面孕育生长。
晶体的生长速度、晶体的性质和电学性能都与晶体生长条件密切相关。
二、晶体生长过程晶体生长过程涉及一系列的步骤，包括原料制备、气相或溶液传输、吸附、扩散、结晶和去除杂质等。
下面将逐步介绍这些步骤。
2.1 原料制备晶体生长的基本材料是高纯度的原料物质，以确保晶体的纯度和质量。
通常需要对原料进行提纯和处理，以去除其中的杂质。
2.2 传输在气相生长中，原料气体会通过供气系统进入晶体生长的反应室。
在溶液法中，原料会被溶解在溶液中，通过流动或浸没晶体基底的方式被传输到晶体生长区域。
2.3 吸附原料物质在晶体基底表面吸附，形成吸附物。
随着吸附反应的进行，表面吸附物会逐渐增多，形成一个薄层。
2.4 扩散扩散是指原料物质在吸附层内部的传输过程。
原料物质会沿着晶体基底的表面扩散，寻找到新的吸附位置，并逐渐积聚起来。
2.5 结晶当吸附物质达到一定浓度时，会出现结晶现象。
原料物质会从吸附层中析出，形成新的晶体结构。
晶体的生长速度取决于扩散速率和结晶速率。
2.6 去除杂质晶体生长过程中会存在一些杂质，如异质原子或离子。
这些杂质会影响晶体的纯度和性能。
因此，在晶体生长结束后，需要进行杂质的去除和晶体的后处理，以提高晶体的质量。
三、晶体生长技术半导体制造工艺中有多种晶体生长技术，常见的包括单晶生长和多晶生长两种。
3.1 单晶生长单晶生长是将晶体在基底上沿特定方向生长，并形成完整的单晶结构。
半导体制造工艺之晶体的生长概述
半导体制造工艺之晶体的生长概述晶体生长是半导体制造中至关重要的一步，它决定了半导体材料的质量和性能。
本文将概述半导体晶体的生长工艺，包括单晶生长、多晶生长和薄膜生长。
首先，单晶生长是制备高纯度单晶材料最常用的方法之一、单晶生长过程包括溶液法、气相法和陶瓷法等。
其中，溶液法是最早发展起来的单晶生长方法之一、在溶液法中，首先制备出含有半导体材料的溶液，然后通过控制溶液中的温度、浓度和溶液与环境接触的界面等条件来实现晶体的生长。
气相法利用气体中的半导体材料蒸汽沉积在基片上，并在其上形成单晶。
陶瓷法是将半导体材料粉末压制成形状可控的块状，并在高温下进行烧结，从而实现晶体的生长。
其次，多晶生长是制备大尺寸半导体材料的一种方法。
它通过在固态下将多个晶核生长成晶粒，形成多晶的材料。
多晶生长一般分为凝固法和熔融法。
凝固法中，通过一定条件下的凝固过程将原料直接转变为多晶体。
凝固法的一个典型例子是铸造法，即将熔化的半导体材料注入到石膏型中，随后通过凝固过程获得多晶体。
熔融法中，通过将原料加热至熔点，然后冷却成形，实现多晶体的生长。
最后，薄膜生长是一种制备半导体薄膜的方法。
薄膜生长涉及多种技术，包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）等。
在物理气相沉积中，通过将半导体材料直接蒸发或溅射到基片上来形成薄膜。
在化学气相沉积中，通过化学反应使气体中的原子或分子转变为沉积在基片上的固态材料。
分子束外延是利用高纯度蒸发源，在真空环境下瞄准并发射精细束流的精确方法，将气体分子形成薄膜。
以上是半导体制造工艺中晶体生长的概述。
不同的晶体生长方法适用于不同的材料和应用，选择合适的生长方法对于获得高质量的晶体是至关重要的。
随着技术的发展，对晶体生长方法的研究也在不断进步，为半导体工业带来了更高效、更精确的制造工艺。
半导体晶体生长技术
半导体晶体生长技术半导体晶体生长技术是一项重要的技术领域，它在半导体器件制造、光电子器件制造等领域起着关键作用。
本文将从晶体生长方法、生长机理和应用等方面进行介绍。
一、晶体生长方法半导体晶体生长技术包括气相生长、液相生长和固相生长等方法。
其中，气相生长是在特定温度和压力条件下，通过气相中的原料气体在衬底上生长晶体。
液相生长是通过溶液中的溶质在衬底上沉积晶体，常用的方法有溶液浸渍法、溶液蒸发法等。
固相生长是通过固体相变化的方式在衬底上生长晶体，常用的方法有化学蒸发法、分子束外延法等。
二、晶体生长机理半导体晶体的生长机理涉及到热力学和动力学过程。
在热力学方面，晶体生长是由于原子或分子在原料气体或溶液中的过饱和度引起的。
过饱和度越大，晶体生长速度越快。
在动力学方面，晶体生长是由于原子或分子在表面附着、扩散和沉积的过程。
表面附着是原子或分子与晶体表面相互作用并附着在晶体上的过程，扩散是原子或分子在晶体表面上的迁移过程，沉积是原子或分子在晶体表面上的沉积过程。
三、晶体生长的应用半导体晶体生长技术在半导体器件制造、光电子器件制造等领域具有广泛的应用。
在半导体器件制造中，晶体生长技术可以用于生长硅、镓砷化镓、硫化锌等半导体材料，用于制备晶体管、二极管、场效应管等器件。
在光电子器件制造中，晶体生长技术可以用于生长锗、镓砷化镓等光电子材料，用于制备激光器、光电探测器等器件。
此外，晶体生长技术还在生物医学、能源等领域有着重要的应用，如用于生长蛋白质晶体、太阳能电池材料等。
半导体晶体生长技术是一项重要的技术领域，它通过不同的生长方法和生长机理，实现了半导体晶体的高质量生长。
该技术在半导体器件制造、光电子器件制造等领域具有广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，半导体晶体生长技术将继续得到改进和创新，为相关领域的发展提供更多可能性。
半导体材料晶体生长通用课件
气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ，适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中，需要选择合适的气体原料，控制反应温度、压力和气 体流速等参数，以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期，随着科技的不断进 步，晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前，半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展，半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等，以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷，如金属杂质、非金属杂质、空
位等，以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加，需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
，以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料，如硅基氮化物、碳化物、氧化物等，以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程，涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中，需要了解液态和固态之间的相平衡关系，以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一，它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
半导体制造工艺晶体的生长
半导体制造工艺晶体的生长引言半导体制造工艺的核心是晶体的生长，晶体的质量和结构对于半导体器件的性能起着至关重要的作用。
本文将介绍半导体制造工艺中晶体的生长过程以及一些常用的晶体生长方法。
晶体生长的基础知识在半导体制造工艺中，晶体是由原子或分子以一定的结构排列方式组成的固态物质。
晶体的生长过程涉及到晶体核的形成及其后续的晶体生长。
晶体生长过程中，晶体核是形成晶体结构的基础。
晶体核的形成需要克服原子或分子之间的排斥力，并形成一定的有序结构。
当晶体核形成后，周围的原子或分子会以一定的方式附着到晶体核上，从而形成一个完整的晶体。
晶体生长可以分为三个阶段：核心形成、原子或分子附着和晶体生长。
晶体生长的方法液相生长法液相生长法是最常用的晶体生长方法之一。
在液相生长法中，通过在溶液中加入适当的化学物质，控制温度和溶液成分，使得晶体材料从溶液中生长出来。
液相生长法具有较高的晶体生长速度和较低的生长温度要求，适用于常见的半导体材料的生长，如硅和锗。
气相生长法气相生长法是一种通过将混合气体在适当的条件下通过反应炉或多晶管等装置，使晶体沉积在衬底上的方法。
气相生长法的优点是可以实现大尺寸晶体的生长，并且可以控制晶体的成分和掺杂。
气相生长法广泛应用于氮化镓、砷化镓等复杂半导体材料的生长。
分子束外延法分子束外延法是一种通过将精细控制的分子束照射在衬底上，使晶体在衬底上沉积的方法。
分子束外延法具有高生长速度和高晶体质量的优点，适用于生长高质量的半导体薄膜。
水热法水热法是一种通过在高压、高温的水热条件下使晶体生长的方法。
水热法可以在相对较低的温度下生长高质量的晶体，并且可以控制晶体的形貌和尺寸。
水热法广泛应用于生长氧化铝、氧化锌等半导体材料。
晶体生长的控制参数晶体生长的过程受到多个参数的影响，这些参数包括温度、压力、溶液成分、气相成分等。
温度是晶体生长中最重要的参数之一。
温度的控制可以影响晶体的生长速度和质量。
对于不同的晶体材料，存在一个合适的生长温度范围，超出该范围会导致生长速度的下降和生长质量的变差。
半导体材料与工艺之-晶体生长原理资料
同样，定义α=C/C0为溶质i的溶液饱和比，σ=α-1为溶液 的过饱和度，则晶体的液相生长要求溶液有正的过饱和 度，或饱和比大于1。
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结晶的微观过程
无论是非金属还是金属，结晶过程都是形核与长大的过 程。液态金属结晶时，首先形成一些微小而稳定的晶体， 它们就是晶体长大的核心，故称为晶核。这些晶核渐渐 长大，在先形成的晶核长大过程中，又有新的晶核形成， 直至液态金属全部消逝。
Figure (a) Aluminum alloy wheels for automotives, (b) optical fibers for communication.
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Section 8.1.2 晶核的形成(Nucleation)
均匀形核(homogeneous nucleation)—由均匀 母相中形成新相晶核的过程，此时液相中各个区域消 失新相晶核的几率都是一样的，亦称自发形核或均质 形核。这是一种液态金属确定纯洁，无任何杂质，也 不和型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶 胚直接形核的过程。明显这是一种抱负状况。
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8.1.1.2 结晶的热力学条件
等温等压下，系统总是从自由能较高的状态向自由能较 低的状态自发转变——最小自由能原理
液态和固态的体积自由能，都随温度的上升而降低。 GL随温度的变化曲线较陡，GS随温度的变化曲线较缓。 液态和固态自由能相等时所对应的温度 ，即为理论结 晶温度Tm 。
半导体制造工艺之晶体的生长概述
半导体制造工艺之晶体的生长概述半导体制造工艺中，晶体的生长是一个至关重要的环节。
晶体的质量和结构特征直接影响到半导体材料的性能和器件的性能。
本文将概述晶体的生长过程以及各种常用的晶体生长方法。
晶体的生长是将溶液中的原子、离子或分子有序排列形成完全晶体的过程。
晶体的生长大致分为以下几个步骤：核形成、生长、附着和重新结晶。
在晶体生长的过程中，各种参数的控制对最终晶体质量的影响至关重要，如溶液的浓度、温度、流速、搅拌速度等。
在半导体制造中，常用的晶体生长方法有几种，其中最常见的是气相传输法（CZ法）和液相传输法（FZ法）。
CZ法在高温下将半导体原料以气体形式转化为固体晶体，通过控制温度梯度、拉扯速度和气氛组成，实现晶体的生长。
CZ法的优点是生长速度快，晶体质量高，但由于困难控制，只能用于一些杂质浓度不太高的半导体材料。
FZ法通过在熔融区域内以特定条件下的电流通量和温度梯度来生长晶体，该方法能够更好地控制杂质的浓度和分布。
但是FZ法生长速度较慢，适用于单晶材料的生长。
为了改善半导体材料的质量和性能，还有一些其他的晶体生长方法，如熔体蒸发法、悬浮液法和分子束外延法等。
熔体蒸发法通过将原料加热到高温，使其蒸发后在低温表面上凝结形成晶体；悬浮液法是将融化的半导体材料悬浮在溶液中，并通过调节温度和浓度来控制晶体的生长；分子束外延法则是通过在表面上束缚脉冲电流产生原子、离子束来生长单晶膜。
在晶体生长过程中，温度、压力、化学组成等参数的精确控制是至关重要的。
此外，还需注意确保生长环境的纯净度，防止杂质的残留。
总结起来，晶体的生长是半导体制造过程中至关重要的环节。
各种晶体生长方法都有各自的优缺点，在具体应用中要根据具体要求来选择合适的方法。
随着技术的不断发展，晶体生长方法也在不断改进和创新，以满足日益提高的半导体材料性能需求。
晶体的生长是半导体制造工艺中的关键环节之一，其质量和结构特征直接影响到半导体材料的性能和器件的性能。
半导体材料与工艺之晶体生长原理
半导体材料与工艺之晶体生长原理晶体生长是半导体制备过程中至关重要的步骤，它直接决定了半导体材料的质量和性能。
具体来说，晶体生长是指在合适的条件下，使已有的晶体生长并形成更大晶体的过程。
在半导体材料与工艺中，晶体生长原理包括物质迁移、晶格匹配以及晶体生长动力学。
首先，半导体晶体的生长需要物质源。
一般来说，常用的半导体材料生长方法有气相传输、分子束外延、液相生长和金属有机气相沉积等。
这些方法都需要提供适当的物质源，如气体、液体或固体，以供原子或分子向生长界面输送。
物质源中的原子或分子通过蒸发、溶解或反应等方式进入生长介质，并在生长界面上沉积形成晶体。
其次，晶体生长过程中晶格匹配是一个重要的考虑因素。
晶体的生长需要满足晶格的连续性和匹配性，使得新生长的晶体与已有晶体之间具有较好的相容性。
晶格匹配可以通过不同材料之间的共面性和插层性来实现。
共面性是指两种晶体的晶格面能够完全重合，插层性是指两种晶体之间存在一定的晶格距离差异，但可以通过引入插入层来实现晶格匹配。
在晶格匹配的基础上，可以通过控制生长条件和材料搭配选择合适的晶体生长方法，以得到质量较好的半导体晶体。
最后，晶体的生长动力学是影响晶体生长的决定性因素之一、晶体生长动力学涉及物质输运、界面平衡、表面反应和晶格扩散等多个方面的过程。
物质输运指的是物质在生长介质中的迁移过程，分为质量传递和热量传递两部分。
质量传递主要与物质扩散有关，而热传递则与温度梯度和热导率有关。
界面平衡是指晶体与生长介质之间的界面存在的不平衡情况，通过调控界面吸附行为和界面能量来实现界面平衡。
表面反应是指晶体在界面上发生的表面化学反应，如表面吸附、解吸和表面扩散等。
晶格扩散是指晶体内部原子之间的迁移，它对晶体生长速率和晶格缺陷的形成有着重要的影响。
总的来说，半导体材料与工艺中的晶体生长原理包括物质迁移、晶格匹配和晶体生长动力学等多个方面的考虑。
只有深入了解并掌握这些原理，才能够高效地制备出质量优良的半导体晶体。
半导体晶体的生长和性能研究
半导体晶体的生长和性能研究半导体晶体是半导体材料的基础，许多电子元器件如晶体管、太阳能电池、传感器等都依赖于高质量的半导体晶体。
因此，半导体晶体的生长和性能研究至关重要。
一、半导体晶体的生长半导体晶体的生长可以通过多种方法进行，其中最常见的是气相传输法和液相传输法。
气相传输法是将半导体材料的原料放入反应室中，通过控制温度和压力，将气体反应产物沉积在衬底上，形成晶体。
一般情况下，衬底材料采用的是单晶硅或蓝宝石材料。
液相传输法是将半导体材料的原料溶解在熔融溶液中，通过控制温度和成分，使其沉积在衬底上，形成晶体。
液相传输法的优点是可以生长大尺寸晶体，缺点是晶体质量相对较低。
除了气相传输法和液相传输法，还有分子束外延法、金属有机化学气相沉积法、分子束外延法等多种生长半导体晶体的方法，每种方法都有其独特的优点和适用范围。
二、半导体晶体的性能研究半导体晶体的性能研究主要包括晶体结构、晶格畸变、电性能等方面。
晶体结构是半导体晶体的基础，它的稳定性和完整性对于其电性能有着决定性的影响。
同时，晶体结构的理解和研究也是制备高性能半导体材料的关键。
X射线衍射、扫描电子显微镜等技术是研究晶体结构的主要手段。
晶格畸变是指半导体晶体中出现的位错、晶界、界面等问题，通常会影响其电性能、光学性能等方面。
如何解决晶格畸变问题也是半导体材料研究的重要方向之一。
借助电子显微镜等技术可以观察晶格畸变的微观结构。
电性能是一种最为关键的性能特征，它决定了半导体晶体能否发挥高效率的电子元件功能。
电性能研究的重要手段是霍尔效应、电导率等测试技术。
总之，半导体晶体的生长和性能研究是材料科学的重要分支之一。
随着科技的不断发展和半导体电子器件在各个领域中的广泛应用，半导体晶体研究可以对推动人类社会的进步和科技创新做出重要贡献。
半导体材料--晶体生长
• 应用
激光频率转换、四波混频、光束转向、图 象放大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。
• 现状：
我国该领域领先
半导体材料--晶体生长
（3）电光晶体
• 定义：
光通过有外加场的晶体时，光随着 外加场的变化发生如偏转、偏振面旋转等而 达到控制光传播的目的。这类晶体为电光晶 体。
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压 元件等。
半导体材料--晶体生长
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶 体会发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
• 应用：
核医学、核技术、空间物理等。
半导体材料--晶体生长
（9）半导体晶体
• 定义：
电阻率处于导电体（10 - 5 .cm）和 绝缘体（1010 .cm ）之间的晶体为半导体 晶体。
半导体材料--晶体生长
（2）非线性光学晶体
• 定义：
晶体当受到强电磁场作用时，由于非线性 极化引起非线性光学效应。
• 目的：
是实现光频率的转化：由于非线性光学晶 体可以通过其倍频、和差、光参量放大和多光子吸 收等非线性过程改变入射光和发射光频率的变化。
半导体材料--晶体生长
KDP and DKDP crystals半导体材料--晶体生长
2. 晶体生长方法发展动向
完整性 杂质、缺陷的控制，特殊环境下生长等 晶
体
生
利用性 大尺寸、异形、薄膜等
长
技
术 发
功能性 极端条件下生长，结构、组织的控制生长
展
动
向
重复性 自动化，程序化，原材料规范化等
半导体材料--晶体生长
3. 晶体生长研究方法
半导体材料与工艺之晶体生长原理
半导体材料与工艺之晶体生长原理半导体材料与工艺中的晶体生长原理是研究半导体材料制备的基础知识之一、半导体材料的晶体生长是指在适当的条件下，从杂质元素或者单质元素中，通过熔融、溶液、气相等方法，使半导体晶体的原子、离子有序地排列，形成具有规则晶格结构的二维或三维晶体。
晶体生长的基本原理可以归纳为3个关键步骤：核化、晶体生长和晶体形态调节。
首先是核化。
核化是指物质在饱和溶液中形成晶核，进而发展成晶体的过程。
晶核的形成是由于固体和溶液中的物质之间存在饱和和过饱和的平衡状态。
在适当的温度和浓度条件下，当过饱和度增大时，溶质就会开始聚集并形成晶核，从而使溶液中的过饱和消失。
晶核的形成是晶体生长的起点，其形成与溶剂中的物质浓度、温度、压力和溶液中的杂质等因素密切相关。
其次是晶体生长。
晶体生长是指晶核在溶液中吸附溶质分子并逐层生长，形成晶体的过程。
晶体生长的速率与晶体外观有关，通常可分为自由生长和取向生长两种形式。
自由生长是指晶体在所有方向上生长，晶体外形呈现出自由生长的特征。
取向生长是在晶体生长过程中，由于晶体表面能的差异等原因，晶体在一些方向上优先生长，以形成特定的取向生长外形。
晶体生长的速率与温度、溶液成分、晶体外形和取向等因素密切相关。
最后是晶体形态调节。
晶体的形态调节是指通过调节晶体生长条件，控制晶体外形和尺寸分布的一种手段。
晶体生长的温度、溶液的pH值、添加杂质和掺杂元素等都会影响晶体生长的速率和形态。
通过调节这些因素，可以控制晶体生长的速率和方向，从而实现对晶体形态的调节。
总之，在半导体材料与工艺中，晶体生长原理是研究半导体材料制备的基础。
了解晶体生长的原理，可以帮助我们优化晶体的生长过程，控制晶体的形态和尺寸，提高半导体材料的质量和性能。
晶体的生长
形成一个半径为r的球形晶胚 时，体系的总自由能的变化：
G GS GV 4 3 G 4 r r gV 3
2
—
单位表面积的表面能；
g V — 形成单位体积晶胚的自由能改变量；
G GS GV 4 3 G 4 r r gV 3
2
临界半径
1. r<r*的晶胚，消失的几率大于 长大的几率； 2. r=r* 晶胚长大与消失的几率相 等；（临界晶核） 3. r*<r<r0 晶胚长大的几率大于 消失的几率；（r增大使体系 的自由能降低，但是ΔG>0， 晶胚不稳定;亚稳晶核）
稳定半径
4. r>r0 ΔG<0 晶胚能稳定长核
G GS GV 4 3 G 4 r r gV 3
2
非均匀成核
* G非均 G* 均 f ( )
过饱和度、过冷度大，ΔgV 就大，相应的r*、ΔG*就小， 容易均匀成核。 制备微晶
通过籽晶、衬底来控制。
制备单晶
4、晶核的长大
旧相原子进入晶体格点成为晶体相的过程。 1）完整突变光滑面生 长模型（W. Kossel 模 型） 当晶体表面上一层原子 尚未完全生长完成时， 下一个原子应生长在晶 格的什么位置？ 当晶体表面上一层原子 已经生长完成时，下一 个原子应生长在晶表面 的什么位置？
2）非完整突变光滑面模型 （Frank模型；螺旋位错生长模型） 在生长晶面上，螺旋位错 露头点可作为晶体生长的 台阶源，当原子在台阶处 生长，台阶就螺旋向前推 进，晶体就螺旋形的生长。
由于螺位错露头点是固定的， 在晶体生长过程中，靠近中心处只 要填加少量原子就能生长一周。而 在台阶外端需要大量的原子才能生 长一周。结果使原来的一个直线台 阶逐渐长成螺旋状。
半导体材料与工艺之晶体生长原理
半导体材料与工艺之晶体生长原理引言半导体材料是现代电子技术和信息技术的基础。
而半导体晶体生长是制备高质量半导体材料的重要工艺步骤。
本文将介绍半导体晶体生长的原理和主要方法。
晶体生长原理晶体是由原子、分子或离子按照一定的排列规律组成的周期性结构。
晶体生长是指将溶液或气体中的原子、分子或离子聚集并排列成晶体的过程。
晶体生长的最基本理论是热力学。
根据热力学规律，当外界温度低于晶体的熔点时，溶液或气体中的物质会以最稳定的晶体结构形式凝固下来。
晶体的生长过程受到温度、浓度、溶液中杂质的存在等因素的影响。
晶体生长方法根据晶体生长的不同原理和条件，可以采用多种方法进行晶体生长。
下面将介绍几种常见的晶体生长方法。
熔体生长法熔体生长法是将固态物质或化合物加热至熔点，然后通过冷却使其重新凝固成晶体的方法。
这种方法适用于一些高熔点的材料，如硅、锗等。
在熔体生长法中，首先将材料加热至熔点，形成熔融状态的液体。
然后，通过适当的冷却速度，使液体逐渐凝固成晶体。
通过控制冷却速度和降温梯度等参数，可以控制晶体的生长速度和质量。
气相生长法气相生长法是将反应气体输送到反应器中，通过化学反应使气体中的物质凝聚成晶体的方法。
这种方法适用于一些低沸点的材料，如氮化硅、氧化硅等。
在气相生长法中，通过控制反应气体的温度和压力，使其在反应器中发生适当的化学反应。
反应产生的物质凝聚在衬底上，逐渐生长成晶体。
通过控制反应气体的流量和反应时间等参数，可以控制晶体的生长速度和质量。
溶液生长法溶液生长法是将适量溶解于溶剂中的物质逐渐凝结成晶体的方法。
这种方法适用于一些易溶于溶剂的材料，如盐类、金属氧化物等。
在溶液生长法中，首先将物质溶解在溶剂中，形成浓度适当的溶液。
然后，通过缓慢蒸发溶剂或通过其他化学反应，使物质逐渐凝结成晶体。
通过控制溶液的浓度、溶剂的蒸发速度等参数，可以控制晶体的生长速度和质量。
晶体生长的应用晶体生长在半导体材料和器件制备过程中具有重要的应用价值。
半导体材料第4讲--晶体生长
• A是最不利于生长的部 位。
•所以晶体在理想情况下生长时，先长一条行列， 然后长相邻的行列。在长满一层面网后，再开始长 第二层面网。晶面是平行向外推移而生长的。
2020/4/25
• 层生长理论的局限： • 按层生长理论，晶体在气相或在溶液中生
长时，过饱和度要达到25%以才能生长，而 且生长不一定会连续 • 实际上，某些生长体系，过饱和度仅为2% 时，晶体就能顺利生长
2020/4/25
G4r2|4r3gv|
3
✓在晶胚生长初期，
表面能△GS大于体 积自由能△GV，二 者之和为正，所以
晶胚的体系自由能
2020/4/25
△G增大。
G4r2|4r3gv|
3
✓因为△GV比表面能 △GS的变化快，所以 △G增加到极大值△G*
后就会开始下降，与
△G* 相对应的晶胚半
径称临界半径r*。
2020/4/25
• 螺旋生长理论（Frank F.C. 1949)：在 晶体生长界面上螺旋位 错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶 体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。
• 可解释层生长理论所不能解释的现象，即晶体在很低温的过 饱和度下能够生长的实际现象。
• 位错的出现，在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源 。
• 晶体生长 的一般过程是先生成晶核，而后再长大。一般认 为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：
• ①介质达到过饱和、过冷却阶段； • ②成核阶段； • ③生长阶段。 • 关于晶体生长的有两个理论：1.层生长理论；2.螺旋生长
理论。 • 当晶体生长不受外界任何因素的影响时，晶体将长成理想晶
体，它的内部结构严格的服从空间格子规律，外形应为规则 的几何多面体，面平、棱直，同一单形的晶面同形长大。 • 实际上晶体在生长过程中，真正理想的晶体生长条件是不 存在的，总会不同程度的受到复杂外界 条件的影响，而不 能严格地按照理想发育。
半导体材料与工艺之晶体生长原理
半导体材料与工艺之晶体生长原理晶体生长是半导体材料制备过程中至关重要的环节，它决定了材料的质量和性能。
在半导体行业中，晶体生长技术被广泛应用于硅、镓、砷化镓等材料的制备中。
晶体生长的原理是利用某种特定的物理或化学过程，使具有相同晶体结构的原子或分子在一定条件下按照一定的规则有序排列，并逐渐形成大块的完整晶体。
这个过程可以在自然界中发生，也可以通过人工方法进行。
在半导体材料的晶体生长过程中，主要涉及到三个主要步骤：核化、生长和终止。
核化是指在溶液或熔融状态下，当浓度超过饱和度时，原子或分子聚集形成一个起始晶核。
这个步骤非常关键，因为它决定了后续晶体生长的质量和晶格缺陷的密度。
生长阶段是晶体生长最主要的过程，它可以分为两种类型：点阵生长和沉积生长。
点阵生长是指在溶液中发生的生长过程，其中晶体的成分以准周期性的方法在晶体的不同点阵级别上排列。
沉积生长则是通过蒸发沉积或物理气相沉积等气相反应的方式进行的，可以形成均匀致密的晶体。
终止是指生长过程中晶体生长停止的过程，可以通过控制温度、压力和溶液浓度来实现。
过早终止会导致晶体生长不完整，而过晚终止则会导致晶体生长过程引入更多的缺陷。
为了获得高质量的半导体材料，在晶体生长过程中还需要考虑一些其他因素，如材料的纯度、晶体生长过程中的温度和压力控制、晶体生长速率的控制等。
此外，还可以通过控制晶体生长方向和掺杂材料来调节半导体材料的性能。
总的来说，晶体生长原理是半导体材料制备中的关键过程，它决定了材料的结构和性能。
通过精确的控制晶体生长过程，可以获得高质量、高纯度的半导体材料，为半导体行业的发展提供强有力的支持。
晶体生长原理是半导体材料制备中的核心环节，它对材料的质量、晶格缺陷密度以及性能都有着重要的影响。
在半导体材料的晶体生长过程中，可以应用多种技术，如化学气相沉积、溶液法生长、熔融法生长等。
不同的材料和应用需要选择适合的晶体生长技术。
化学气相沉积是一种常用的晶体生长方法，通过在适当的条件下将原料气体在基底表面上进行化学反应，从而使晶体逐层生长。
半导体材料的生长与制备技术
半导体材料的生长与制备技术半导体材料是现代电子产业的核心，它是制造晶体管、光电器件等电子元件的基础。
它的生长和制备技术是电子产业中最重要的环节之一。
本文将介绍半导体材料的生长和制备技术的基本原理和方法，以及这些技术应用的发展趋势。
一、半导体材料的生长技术半导体材料的生长技术主要包括晶体生长、薄膜生长和量子点生长等方面。
1. 晶体生长技术晶体生长通常是通过在高温熔解状态下，在单晶种子上生长单晶体。
晶体生长的过程中，需要控制合金元素的添加、温度、压力、晶体生长速率等因素。
常见的晶体生长技术包括：固相生长、液相生长、气相生长以及分子束外延等技术。
2. 薄膜生长技术薄膜生长技术通常是在具有特殊表面能的衬底上通过物理蒸发、化学气相沉积、离子束外延等方式来生长制备。
其生长的过程中需要控制特定的参数，如蒸发速率、气压、反应温度等。
其中，化学气相沉积和物理气相沉积是薄膜生长技术中最常见的方法。
3. 量子点生长技术量子点生长技术是一种特殊的薄膜生长技术，它能制备出尺寸在几个到几十个纳米的半导体量子点。
量子点具有比基材内部物质更大的限制和量子效应，自然地表现出不同的电学和光学属性。
其生长技术主要包括原位处理、结构上生长和自形成等方法。
二、半导体材料的制备技术半导体材料的制备技术主要包括微电子加工技术、光电子加工技术、光刻技术等方面。
1. 微电子加工技术微电子加工技术是制备半导体芯片的主要方法，可分为前端工艺和后端工艺两个部分。
前端工艺主要是通过光刻或电子束刻蚀等方式制备出光刻胶层图形，然后将胶层用于约束理化腐蚀等技术制备出所需的图案结构。
后端工艺则包括金属化、制造管孔和封装等步骤。
2. 光电子加工技术光电子加工技术主要是通过光刻和光刻胶压印等方法来制造精确的微纳米结构。
光刻技术具有极高的图形形成精度和可重复性，通过在光刻胶层上的光学显影过程，将图案转移至掩模芯片上，使得芯片上的所需结构与掩模芯片上的图案几乎完全一致。
半导体材料与工艺之晶体生长原理
外延生长技术控制
1
外延生长原理
外延生长是一种常用的晶体生长技术， 它通过在单晶衬底上重新生长单晶层， 可以获得与衬底晶格匹配良好的晶体结 构。
2
生长条件选择
外延生长条件的选择至关重要，包括温 度、压力、气体的种类和流量等，这些 因素决定了外延层的成分、结构和结晶 质量。
3
掺杂与杂质控制
为了获得具有特定性能的晶体，通常需 要在生长过程中掺入杂质，因此杂质和 掺杂剂的控制也是外延生长工艺的关键 。
新材料与新工艺的开发
挑战
随着科技的发展，对半导体材料和工艺的要求越来越高，需要不断开发新材料和探索新工艺以满足不断变化的市 场需求。
解决方案
研究新型半导体材料，如硅基氮化物、碳化物等，以提高半导体的性能。同时，开发新的晶体生长工艺，如金属 有机化学气相沉积法、分子束外延法等，以实现高质量、大规模的晶体生长。
06
晶体生长的挑战与未来发展
提高晶体质量与降低缺陷密度的挑战
挑战
晶体生长过程中，由于温度、压力、化学成分等因素的影响 ，容易产生晶体缺陷，如位错、空洞、杂质等，这些缺陷会 影响半导体的电学性能和可靠性。
解决方案
采用先进的晶体生长技术，如激光熔融法、化学气相沉积法 等，以控制晶体生长过程中的参数，减少缺陷的产生。同时 ，对晶体进行后处理，如热处理、离子注入等，以改善晶体 质量。
晶体生长的动力学过程
形核
在熔体中形成晶核的过程，需要克服形核能垒。形核方式有多种，如自发形核、 非自发形核等。
晶体生长方式
晶体生长过程中，不同晶面生长速度不同，导致晶体呈现特定的生长形态。常见 的晶体生长方式有层状生长、枝状生长等。
晶体缺陷的形成与控制
晶体缺陷
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核医学、核技术、空间物理等。
（9）半导体晶体
• 定义：
电阻率处于导电体（10 - 5 .cm） 和绝缘体（1010 .cm ）之间的晶体为半导 体晶体。
• 应用：
声、光、电等。
（10）薄膜晶体
• 定义：
1m或以下厚度的晶体。
• 应用：
电子管和超大规模集成电路等。
（11）……晶体
• 除了以上谈到的晶体以外，尚有：铁电、 硬质、绝缘、敏感、热光、超导体、快 离子导体等等。
分类（按组分分）
A）基质晶体（载体）中掺入激活离子（发光中心Nd3+，Cr3+ ， Ho3+ ，Dy2+ ）。输出的波长从紫外（0.17m）到中红外 （5.15 m ）。如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石 YAG:Nd3+等。
B）化学计量激光晶体，这种晶体的激化离子就是晶体组成之 一。其特点：高效、低值，功率小。
（5）C60系列材料
3-1 晶体生长的理论基础
1.晶体生长的一般方法
• 晶体是在物相转变的情况下形成的。 • 物相有三种，即气相、液相和固相。 • 由气相、液相固相时形成晶体， • 固相之间也可以直接产生转变。
晶体生长方法分类
溶液生长法
降温，恒温蒸发，温差水热，循环流动，凝
晶
胶等
体
生
熔液生长法
提拉，下降，焰熔，导模，冷坩埚，助熔剂
长
区熔，浮区，基座等
方
法
气相生长法
真空蒸发镀膜，升华，气相外延，化学气相
沉积等
固相生长法
高压，再结晶等
薄膜生长法
真空蒸发，分子束外延，溅射，粒子束外延， 液相外延，离子注入，LB膜等
• 应用：
高速激光印刷系统、激光雷达、光计算机 等。
பைடு நூலகம்
（5）磁光晶体
• 定义：
当光通过组成原子有一定磁性的被磁性晶体 反射（克耳效应）或透射（法拉第效应）时，其偏 振面状况将发生变化，这类晶体为磁光晶体。
• 应用：
激光快速开关、调制器、循环器及隔离器； 计算机储存器等。
（6）热释电晶体
• 定义：
当温度发生变化时，晶体某一结晶学 方向上正负电荷相对重心位移而引起自发极 化效应，这类晶体为热释电晶体。
第三章 晶体生长
• 晶体材料在功能材料中占有重要地 位，这是由于它具有一系列独特的 物理性能所决定的。
• 常见的晶体材料有：
晶体
激光晶体 电光晶体 磁光晶体 压电晶体 半导体晶体 X－射线分光晶体
非线性光学晶体 声光晶体
热释电晶体 闪烁晶体 薄膜晶体 光学晶体
（1）激光晶体
• 固体激光器的发光材料，通常被称为激光晶 体。 早期的红宝石： (Al2O3:Cr3+) 目前的掺钕钇铝石榴石：(YAG:Nd3+)
• 应用：
红外热释电探测器、红外热释电摄 像管等。
（7）压电晶体
• 定义：
通过拉伸或压缩使晶体产生极化，导 致晶体表面电荷的现象称为压电效应，这类 晶体为压电晶体。
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压 元件等。
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶 体会发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
Potassium Dihydrogen Phosphate( KDP ) and Potassium Dideuterium Phosphate( DKDP ) are currently used for electro-optical modulation and frequency conversion. CORETECH KDP and DKDP have high nonlinear coefficient and high optical damage threshold, and can be used electro-optical modulator, Q switches and shutters for high speed photography.
• 目前在350多种基质晶体和20多种激活离子 的约70个跃迁波段上实现了受激发射。
Nd:YVO4 Crystal
Nd:YVO4 crystal is one of the most excellent laser host materials, it is suitable for diode laser-pumped solid state laser.
• 应用
激光频率转换、四波混频、光束转向、图 象放大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。
• 现状：
我国该领域领先
（3）电光晶体
• 定义：
光通过有外加场的晶体时，光随着 外加场的变化发生如偏转、偏振面旋转等而 达到控制光传播的目的。这类晶体为电光晶 体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光 储存、光雷达和光计算机等。
2. 晶体生长方法发展动向
完整性 杂质、缺陷的控制，特殊环境下生长等
晶
体
生
利用性 大尺寸、异形、薄膜等
长
技
术 发
功能性 极端条件下生长，结构、组织的控制生长
展
动
向
重复性 自动化，程序化，原材料规范化等
3. 晶体生长研究方法
晶体生长研究方法同其它材料的研究方法 相同，除了严格控制晶体生长原材料之外，对 晶体的结构、晶体的生长方法和晶体的性质进 行研究是晶体生长研究的重点。由此可见：研 究晶体生长必然以
• 要求：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要 小、电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机 械和热性能好、半波电压低等。
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间 变化的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期 性变化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折 射率周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产 生声光相互作用。这类晶体为声光晶体。
（1）晶体生长
（2）晶体物理
（3）晶体化学
为基础。
简言之：
生长工艺 生长理论
控制
晶体生长
生长方法 生长设备
形貌 缺陷
晶体物理
物性
应用
晶体化学
化学键 结构
相关系
组成
图 晶体学研究的基础内容及相互关系
1.4 材料科学研究与发展方向
（1）材料复合化
（2）纳米材料 （3）智能材料
非平衡材料
（4）生物医学材料
（2）非线性光学晶体
• 定义：
晶体当受到强电磁场作用时，由于非线性 极化引起非线性光学效应。
• 目的：
是实现光频率的转化：由于非线性光学晶 体可以通过其倍频、和差、光参量放大和多光子吸 收等非线性过程改变入射光和发射光频率的变化。
KDP and DKDP crystals
KH2PO4 KD2PO4