03章--硅锗晶体生长.
硅晶体生长技术的研究及优化
硅晶体生长技术的研究及优化随着信息时代的发展，电子技术得到了迅猛的发展。
而硅材料作为半导体材料之一，因其良好的性能、工艺成熟等原因成为了电子工业中最常用的基础材料之一。
硅晶体生长技术的研究及优化对于提高硅材料的质量、提升硅片制备工艺和推进电子工业的发展具有重要意义。
一、硅晶体生长技术的发展历程及主要方法硅晶体生长技术是从20世纪初开始的。
早期的生长工艺主要是物理化学气相沉积（CVD）及其他化学气相沉积（MOCVD等）等技术，但这些方法的应用受到了一定的限制，如成本较高、材料质量无法保证、生长速率较慢等。
而对于硅晶体生长技术的研究及优化，使得这一技术的应用得到了很大的提升。
近年来，硅晶体生长技术得到了很大的发展。
如时光生长法、CZ（Czochralski）法、FZ（Float Zone）法等技术逐渐成熟，广泛应用于半导体领域。
其中，CZ法、FZ法则是目前应用广泛的两种硅晶体生长技术。
CZ法是一种单晶硅生产方法，是通过Czochralski晶体生长法生产的。
该方法将沿用最早的硅晶体生长方法，通过将熔体逐渐制冷至室温，长出单晶硅材料。
该方法可以使晶体直径较大，晶体品质较高，但晶体生长速度较慢，仅能生长数毫米/小时。
FZ法则是通过浮动区晶体生长法（Float Zone）生产的，该法原理是利用感应加热将硅棒或硅片加热至某一温度区间内，随后使用合适的磁场，以形成带电的哈斯电流，通过哈斯电流的电磁力和电阻排斥将半导体材料加热至熔点，形成了流动的硅材料。
FZ法的优点是生长速度较快，晶体品质较高，有较高的利用率以及较低的环境污染等比较显著的优势。
二、硅晶体生长技术的优化及应用随着硅晶体生长技术的不断升级，为了使晶体的品质更好、物理特性更稳定，优化与改进已成为重要的研究方向之一。
一些新的方法和技术被引入了这一领域，如超声波晶体生长技术、离子辅助晶体生长技术以及磁构取向生长技术等等。
其中，超声波晶体生长技术是针对硅晶体生产过程中微观级别存在的某些问题而被提出的一种方法。
半导体材料第3章晶体生长课后答案
第三章、晶体生长一、名次解释：⑴均匀成核：在亚稳定相中空间个点出现稳定相的几率相等的成核过程，是在体系中直接形成的自发过程。
⑵*非均匀成核：稳定相优先出现在体系中的某些局部区域的成核过程，如在体系中的外来质点（尘埃、籽晶、衬底等）上的成核。
⑶成核过程：在一定的驱动力下，借助于能量涨落越过位垒而形成晶核的过程。
⑷临界半径：在晶体成核过程中，体系自由能总的变化量ΔG达到最大时所对应的半径r*称为临界半径。
⑸*自然对流：在重力场中由于温度的不均匀，导致热膨胀的差异从而引起流体密度的差异产生浮力。
当浮力克服了粘滞力，自然对流就发生。
⑹强迫对流：人为对熔体进行搅拌（晶体和坩埚旋转、磁场）造成的对流，由离心力、向心力最终由表面张力的梯度驱动。
2、*分别写出均匀成核与非均匀成核的临界晶核半径、形核功并说明为什么通常非均匀成核比均匀成核要容易？答：3、*简述Kossel模型和Frank模型要点。
答：⑴Kossel模型要点：在晶格上的不同位置，吸附原子的稳定性是不同的，和吸附原子与晶体表面上最近邻、次近邻原子间相互作用情况有关。
晶体表面不同格点位置所受的吸引力是不相同的。
(*完整突变光滑面)⑵*Frank模型要点：在生长晶面上，螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源（自然二维晶核），当生长基元（原子或分子）扩散到台阶处，台阶便向前推进，晶体就生长了。
（*非完整突变光滑面）4、写出杰克逊因子的表达式并指出各参数的物理意义。
答：*杰克逊因子（相变熵）：α=L0/kT E·y1/ν第一因子：L0/kT E，它取决于体系的热力学性质，L0为单个原子相变时内能的改变，可近似的看成相变潜热，L0/T E为单个原子的相变熵。
第二因子：y1/ν，取决于晶体结构和晶界的取向，v为晶体内部一个原子的近邻原子数，y1为原子在界面内水平方向的近邻原子数。
此因子叫作取向因子，反应出晶体的各向异性。
5、写出熔体生长时单晶炉内热场的基本要求并作出解释（合理热场的基本条件）。
半导体材料课件熔体晶体生长 硅、锗单晶生长
≈ θm
1− hr 2 / 2ra
⎜⎛1 ⎝
−
1 2
hra
⎟⎞ ⎠
⎡ exp⎢−
⎢⎣
⎜⎜⎝⎛
2h ra
⎟⎟⎠⎞1/
2
z
⎤ ⎥ ⎥⎦
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
3-2 熔体的晶体生长
晶体中温度梯度沿轴向z和沿径向r的分量为
( ) ∂θ
∂z
≈
−θm
⎜⎜⎝⎛
2h ra
⎟⎟⎠⎞1/
2
1− hr 2 / 2ra
⎝ dZ ⎠L
Runyan对一个硅单晶生长系统进行了估算：
fmax=2.96cm/min。
实际测得 fmax=2.53 cm/min。
理论与实验值大体是相符的。 QF = fAdH~ = QC - QL
③ 生长速度f 一定时，A=（QC-QL）/fdH
QC→大 或 QL →小, A →大 (非稳定生长→建立新 的稳态 )
相对温度θ(r.φ.z)=T(r.φ.z)-T0；
T0：环境温度，T：体系温度。
晶体中热场是圆柱对称，与圆周角
φ无关；θ只是半径r和高度z的函
数，热传导方程为
∂ 2θ
∂r 2
+1 r
∂θ
∂r
+
∂ 2θ
∂z 2
=0
吉林大学电子科学与工程学院 半导体材料
l
3-2 熔体的晶体生长
三个边界条件：
l
⑴ 固-液界面上，界面温度为熔点Tm，
3-2 熔体的晶体生长
AK
L
⎜⎛ ⎝
dT dZ
⎟⎞ ⎠L
+
fAd
H~
=
03章--硅锗晶体生长
➢概括来说， ➢气－固相变过程时，要析出晶体，要求
有一定的过饱和蒸气压。 ➢液－固相变过程时，要析出晶体，要求
有一定的过饱和度。 ➢固－固相变过程时，要析出晶体，要求
有一定的过冷度。
➢详见课本3－1－1
晶核的形成
➢ 研究发现，结晶过程是由成核与长大 两个过程所组成。
➢ 结晶时首先在液体中形成具有某一尺 寸（临界尺寸）的晶核，然后这些晶核 不断凝聚液体中的原子而长大。形核过 程和长大过程紧密联系但又有所区别。
➢ 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。
晶体长大的动力学模型
完整突变光滑面生长模型
➢ 层生长理论(Kossel W., 1927)：在晶核的光滑表面上 生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格“座位” 的最佳位置是具有三面凹入角的位置。
➢ 质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因 为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的 晶格上就位时，最可能结合的位置是能量上最有利的 位置，
➢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。
硅基锗材料的外延生长及其应用
硅基锗材料的外延生长及其应用摘要:硅是最重要的半导体材料,在信息产业中起着不可替代的作用。
但是硅材料也有一些物理局限性,比如它是间接带隙半导体材料,它的载流子迁移率低,所以硅材料的发光效率很低,器件速度比较慢。
在硅衬底上外延生长其它半导体材料,可以充分发挥各自的优点,弥补硅材料的不足。
本文介绍了硅衬底上的锗材料外延生长技术进展,讨论了该材料在微电子和光电子等方面的可能应用,重点介绍了它在硅基高速长波长光电探测器研制方面的应用。
关键词:硅基;锗,外延;光电探测器Epitaxy and application of Ge layer on Silicon substrateHuiwen Nie1, Buwen Cheng2(1.Hunan Chemical Engineering Machinery School, Hunan Industrial Technology College2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Instituteof Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083)Abstract: Silicon is the most important semiconductor material and it is irreplaceable in the information industry. But Silicon also has some shortcomings, such as very low luminescence efficiency and low device speed due to the indirect bandgap and low carrier mobility. Growing other semiconductors on Si substrate can take the advantages of the different semiconductors and improve the performance of theSi-based devices and integrated circuits. The progress of Ge growth on Si was introduced in the paper. The application of the Si-based Ge epitaxy layer was discussed, especially the application on Si-based high speed photodetectors operating at long wavelength.Key words: Si-based, Germanium, Epitaxy, Photodetector1引言硅基光电集成将微电子技术和光子学技术进行融合,是微电子技术的继承和发展,是信息技术发展的重要前沿研究领域。
[半导体材料][课后答案全][已合并]
![[半导体材料][课后答案全][已合并]](https://img.taocdn.com/s3/m/726a2c6216fc700abb68fcb4.png)
12. *区熔提纯: 利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长 从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或 头部，进而达到使中部材料被提纯。
第三章、晶体生长
一、 名次解释： ⑴均匀成核：在亚稳定相中空间个点出现稳定相的几率相等的成核过程，是在体
第一章硅、锗的化学制备
㈠ 比较三氯氢硅氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点?
答：1.SiHCl3氢还原法: 优点: 产量大、质量高、成本低，由于SiHCl3中有一个Si-H键，活泼易分 解，沸点低，容易制备、提纯和还原。 缺点：B、P杂质较难去除（基硼、基磷量），这是影响硅电学性能的主要 杂质。
2.硅烷法： 优点: 杂质含量小；无设备腐蚀；不使用还原剂；便于生长外延层。 缺点: 制备过程的安全性要求高。
O 之间发生一系列反应，在 450C°时 SiO 以最快的速度形成 SiO4，SiO4 是
一个正电中心，可以束缚一个电子，在室温下受热激发而使它电离出来参
与导电，SiO4 起施主作用，此种效应称为热施主效应。
⑥吸杂工艺：通过机械化学处理方法，在硅片的非电活性区引入缺陷，在热
处理时一些重金属杂质会 扩散并淀积在这些缺陷处，从而减少了这些有害
㈡ 制得的高纯多晶硅的纯度：残留的B、P含量表示（基硼、基磷量）。
㈢*精馏提纯：利用混合液中各组分的沸点不同来达到分离各组分的目的。
第二章、区熔提纯
1. 以二元相图为例说明什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？
答：如图是一个二元相图，在一个系统中，当系统的温度为T0时，系统中有 固相和液相。由图中可知，固相中杂志含量Cs<CL（液相中杂志成分）。 1、 这种含有杂志的晶态物质熔化后再结晶时，杂志在结晶的固体和未 结晶的液体中浓度不同的现象叫做*分凝现象。 2、 在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值K0=CS/CL 叫作平衡分凝系数。 3、 为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响， 把固相杂质浓度CS与熔体内部的杂质浓度CL0的比值定义为*有效分凝 系数。Keff=CS/CL0
《晶体生长》课件
界面结构决定了晶体与周围介质之间的相互作用方式，对晶体的物理 和化学性质有重要影响。
03
晶体生长方法
熔体法晶体生长
总结词
通过将原料放入高温熔炉中熔化，然后慢慢降温并结晶，形成大尺寸、高质量 晶体。
详细描述
熔体法晶体生长是将原料放入高温熔炉中熔化，然后通过控制降温速度和结晶 条件，使熔体逐渐结晶成晶体。该方法适用于制备大尺寸、高质量晶体，如硅 晶体、锗晶体等。
气相法晶体生长
总结词
通过将原料气体在一定条件下进行化学反应或物理变化，形成晶体。
详细描述
气相法晶体生长是将原料气体在一定条件下进行化学反应或物理变化，如化学气 相沉积、物理气相沉积等，使气体逐渐转化为固体晶体。该方法适用于制备各种 薄膜材料和纳米材料。
固相法晶体生长
总结词
通过将原料固体在一定条件下进行加 热、加压或化学反应等处理，使固体 逐渐转化为晶体。
总结词
温度是晶体生长过程中的重要参数，控制温度的稳定性和精度对晶体质量有着至关重要的影响。
详细描述
在晶体生长过程中，温度的波动会影响晶体内部的原子排列和结构，进而影响晶体的光学、电学和机 械性能。因此，精确控制温度是保证晶体质量的关键。常用的温度控制方法包括使用恒温油、水或热 电偶等。
压力控制
总结词
孪晶现象可能是由于晶体内部的对称性、溶液浓度不均等因 素导致的。为了解决这一问题，可以采取优化溶液浓度、改 变晶体形状等方法，以避免孪晶现象的发生。
THANKS
感谢观看
晶体生长在电子学领域的应用包括制备半导体晶 体、集成电路等，用于制造电子器件和集成电路 。
02
晶体生长原理
晶体生长的热力学原理
热力学稳定
硅材料技术-Chap3 -1st-2014-04-18
• 注意：整个晶化过程，体系处于动态变 化状态
材料科学与工程学院
晶核的形成
• 在母相中形成等于或超过一定临界大小的新
相晶核的过程称为“形核”
形成固态晶核有两种方法，
• 1) 均匀形核，又称均质形核或自发形核。
•
2) 非均匀形核，又称异质形核或非自发形
核。
材料科学与工程学院
总能量 = 表面能 + 体积自由能
=晶胚表面积×单位表面积的自由能 +
体积×单位体积的自由能 改变量
σ为单位表面积的表面能，Δgv为形成单位体积晶胚 的自由能改变量。
材料科学与工程学院
4 3 G 4r r g v 3
2
结晶驱动力
结晶通常在恒温恒压下进行，这一过程 进行的方向和限度，可使用自由能判据 ，相变向自由能减小的方向进行 G 小于0，生长驱动力，反之，熔解驱动力
材料科学与工程学院
晶体生长是非平衡态的相变过程，热力学一般处 理 平衡态问题，若系统处于准平衡状态，可 使用热力学的平衡条件来处理问题
• 相平衡条件：各组元在各相的化学势相等 • 热平衡条件：系统各部分温度相等 • 力学平衡条件：系统各部分压强相等
材料科学与工程学院
天然晶体的生长
• 1．由气相转变为固相： 从气相转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。 在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠 的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶 体。
材料科学与工程学院
材料科学与工程学院
三个生长阶段:
• 介质达到过饱和或者过冷却阶段 • 成核阶段nucleation(均匀成核,非均匀成 核) • 生长阶段crystal growth
03-第三章 晶体硅材料
1-1第三章晶体硅材料§3.1 硅的基本性质§3.2 太阳电池用硅材料§3.3 单晶硅的制备§3.4 高纯多晶硅的制备§3.5 硅晶片加工1-2§3.1 硅的基本性质硅材料是半导体行业中最重要且应用最广的元素半导体，是微电子工业和太阳能光伏工业的基础材料。
它既具有元素含量含量丰富、化学稳定性好、无环境污染等优点，又具有良好的半导体特性。
硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，应用于太阳电池工业领域的硅材料包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和薄膜多晶硅，他们有各自的优缺点，其中直拉单晶硅和铸造多晶硅应用最为广泛，占太阳能光电材料的90%左右。
1-3晶体硅单晶硅天然石英（SiO 2）1-4硅是地壳中最丰富的元素之一，仅次于氧，在地壳中的丰度到达26%左右，硅在常温下其化学性质是稳定的，是具有灰色金属光泽的固体，不溶于单一的酸，易溶于某些混合酸和混合碱，在高温下很容易与氧等化学物质反应。
所以自然界中没有游离的单质硅存在，一般以氧化物存在，是常用硅酸盐的主要元素。
硅在元素周期表中属于IV 元素，晶体硅在常压下为金刚石结构，熔点为1414℃。
硅材料还具有一些特殊的物理化学性能，如硅材料熔化时体积缩小，固化时体积增大。
硅材料的硬度大，但脆性大，易破碎；作为脆性材料，硅材料的抗拉应力远远大于抗剪切应力，在室温下没有延展性；在热处理温度大于750℃时，硅材料由脆性材料转变为塑性材料，在外加应力的作用下，产生滑移位错，形成塑性变形。
1-51-6§3.1.1 半导体特性①在纯净的硅中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—这是半导体最显著、最突出的特性。
②当环境温度升高一些时，硅的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，硅的导电能力就显著的下降—这种特性称为“热敏”。
③当有光线照射在硅上时，这些硅就像导体一样，导电能力很强；当没有光照射时，这些硅就像绝缘体一样不导电，这种特性特性称为“光敏”。
半导体材料学习资料：硅锗的区熔提纯
• 在头部放置一小块单晶即籽晶(seed crystal)，并在籽晶 和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶锭或加热器使熔区 朝晶锭长度方向不断移动，使单晶不断长大。
• 分类: 水平区熔 悬浮区熔
锗的水平区熔法
➢Ge中所含的杂质 ➢K大于1，B ➢K小于1，Ni, Fe, Cu, Mn, As
➢ 提纯步骤
半导体材料
第2章 硅锗的区熔提纯
2-3锗、硅的区熔提纯
• 区熔法晶体生长 crystal growth by zone melting method
利用多晶锭分区熔化和结晶来生长单晶体的方法。将棒 状多晶锭熔化一窄区,其余部分保持固态,然后使这一熔区 沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后 又结晶。
➢ 根据提纯要求确定熔区长度、区熔速度和次数 ➢ 清洗石墨舟、石英管、锗锭 ➢ 将舟装入石英管、通氢气或抽真空，排气 ➢ 熔区的产生：电阻加热炉，高频线圈(附加电磁搅拌作用) ➢ 区熔若干次
硅的悬浮区熔提纯
• 采用悬浮区熔的原因： 高温下硅很活泼,易反应， 悬浮区熔可使之不与任何材料接 触； 利用熔硅表面张力大 而密度小的特点，可使熔区悬浮
• 1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系 数？
• 2.写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影 响分凝系数的因素。
• 3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中 杂质浓度Cs公式,并说明各个物理量的含义。
• 4.说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔
晶体生长科学与技术PPT课件-03(共六部分)
固相生长法
总结词
通过控制固体物质的温度、压力等参数，使固体在一定条件 下结晶的方法。
详细描述
固相生长法是一种传统的晶体生长技术，适用于制备各种类 型的晶体材料。通过控制固体的温度、压力等参数，使固体 在一定条件下结晶形成单晶。该方法的关键在于选择合适的 结晶条件和原料，以获得高质量的晶体。
03
晶体生长设备与工艺控制
详细描述
熔体生长法是最早的晶体生长方法之一，适用于制备大尺寸、高质量的单晶材料。通过将原料加热至熔化，然后 控制温度和冷却速度，使熔体结晶形成单晶。该方法的关键在于控制熔体的成分、温度和冷却速度，以获得理想 的晶体结构。
溶液生长法
总结词
通过控制溶液的浓度、温度等参数，使溶质在溶剂中结晶的方法 。
详细描述
随着计算机科学和人工智能的发展，将会有更多 的计算模拟和人工智能技术应用于晶体生长科学 与技术的研究中，以实现更加精准和高效的晶体 材料设计和制备。
未来，将会有更多的研究关注于新型晶体材料的 探索和开发，如拓扑晶体、量子晶体等，为未来 的科技发展提供新的材料基础。
THANK YOU
感谢聆听
100%
化学成分与晶体纯度
在晶体生长过程中，控制化学成 分是获得高纯度晶体的关键。杂 质的存在会影响晶体的光学、电 学等性能。
80%
化学反应与晶体形态
化学反应速率和条件影响晶体生 长的形态。通过控制化学反应条 件，可以调控晶体的生长形态。
晶体生长的动力学基础
扩散与传输过程
在晶体生长过程中，物质通过 扩散和传输过程在晶体与熔体 之间迁移。这些动力学过程决 定了晶体生长的速度和微观结 构。
05
晶体生长的应用与前景
晶体生长在材料科学领域的应用
《晶体生长》PPT课件
4
(2)液相生长:液体固体
• 溶液中生长
从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体.
可在低于材料的熔点温度下生长晶体，因此它们特别适合于
制取那些熔点高，蒸汽压大，用熔体法不易生长的晶体和薄膜 ；
如GaAs液相外延(LPE-liquid phase epitaxy)
• 熔体中生长
从熔体中结晶 当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是说， 只有当熔体过冷却时晶体才能发生。
粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。
光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下 少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。
光滑界面也称“小晶面”或“小平面”。
2021/4/25
34
四、晶体生长的两种主要理论(了解)
一 层生长理论
• 柯塞尔1927年首先提出,后来被斯特兰斯基加以发展
• 直拉法、区熔法生长单晶硅棒，外延法生长单晶 硅薄膜。
2021/4/25
43
• 直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二 极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶体直径可 控制在Φ3~8英寸。
2021/4/25
25
结论:
过饱和度或过冷度越大,Δgv大, r*, ΔG*越小,晶核越
易形成，易形成多晶 生长单晶时, 过饱和度,过冷度要尽量的小,r*, ΔG*越
大,晶核越难形成,易形成单晶.
2021/4/25
26
2.多个晶核生长
1)成核率:单位体积,单位时间内形成的晶核数(I) 成长率:新相在单位时间内线性增长值
半导体材料
2021/4/25
1
第三章 晶体生长
3-1 晶体生长的理论基础
第3章 晶体生长3_1.1.pdf
第三章晶体生长晶体生长理论基础 熔体的晶体生长 硅、锗单晶生长 硅 锗单晶生长1制作半导体器件的材料，绝大部分使用单晶体（体单 晶、薄膜单晶），研究晶体生长对半导体材料的制备是 一个重要课题。
20世纪20年代柯塞尔（Kossel）等人提出了完整晶体 生长微观理论模型。
40年代弗兰克（Frank）发展了缺陷晶体生长理论。
40年代弗兰克（Frank）发展了缺陷晶体生长理论 50年代后伯顿（Burton）和杰克逊（Jackson）等人对 晶体生长、界面的平衡结构理论及平衡界面理论等方面 晶体生长 界面的平衡结构理论及平衡界面理论等方面 进行了研究。
计算机技术的广泛应用，使晶体生长理论研究向微观 计算机技术的广泛应用 使晶体生长理论研究向微观 定量计算又进了一步。
2§ 3 1 晶体生长理论基础 3-1晶体形成的热力学条件 晶核的形成 晶核长大的动力学模型 晶体的外形31.晶体生长的 般方法 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。
晶体生长是非平衡态的相变过程，热力学一般处理平衡态问题， 若系统处于准平衡状态，可使用热力学的平衡条件来处理问题 若系统处于准平衡状态 可使用热力学的平衡条件来处理问题相平衡条件：各组元在各相的化学势相等 热平衡条件：系统各部分温度相等 力学平衡条件：系统各部分压强相等(1) 固相生长:固体→固体在具有固相转变的材料中进行（相变又称多形转变或同素异形转变。
）高温、高压石墨 ———— 金刚石 α-Fe(体心立方) ———γ -Fe（面心立方） 1气压900℃通过热处理或激光照射等手段，将 部分结构不完整 通过热处理或激光照射等手段，将一部分结构不完整 的晶体转变为较为完整的晶体“图形外延”: 微晶硅———单晶硅薄膜激光照射(2) 液相生长:液体→固体溶液中生长 从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。
硅晶体生长,性质和应用
当位错的出头处于固液界面时,位错的传播可以不通过滑移和攀移过程。
这些位错可以直接通过硅原子从熔体生长到其晶体表面的过程传播。
但经过一段时间之后，这些生长着的位错仍然会抵达到晶体的侧面，因为它们的最佳方向是<110>,而该方向是偏离<100>或<111>方向的。
只有在晶体的生长方向平行于<110>方向时，位错，特别是锯齿形才可以沿平行于晶体轴向传播，直到贯穿整个晶体。
尽管如此，仍然可以通过快速生长来抑制这些位错的产生。
在利用Dash法将位错密度高的晶体转化为位错密度低的晶体生长过程中，需要留意如下一些问题：将晶体直径减小到3毫米已经能够将冷却应力减小到相当低的水平。
残余的应力不足以移动已经存在的位错或产生新的位错。
一些已经存在的主要位错的移动速率比起生长过程中的要慢很多。
放肩部位的生长是CZ法生长晶体过程中最关键的一环。
以前人们认为要保持无位错生长，放肩部位或多或少要有一定的锥度。
后来人们发现多数情况下平的，甚至是非常平的放肩往往能够生长出无位错的晶体（如图5所示）。
在特定的情况下，比如晶体大量掺杂锑的时候，锥形放肩仍然会被采用以保证晶体的低位错。
这可能是由于一些锑原子占据了硅原子后产生了错配应力。
这种已经存在应力的格子只需要很小的冷却应力便可以产生新的位错。
采用锥形放肩所损失的材料和时间会比较多。
例如，一个从50千克熔体中拉出的直径为154cm（6英寸）的晶体，将只能得到100cm长的柱形部分。
像图5中的锥形放肩将会比平直放肩长18cm。
这就意味着要增加18%的提拉时间（放肩部位的生长速率比主体部位的生长速率要慢）并会损失6%的长度。
在直径小的晶体中，这种材料和时间的损失会比较小。
从经济的角度出发，通常采用平直放肩的方式。
虽然存在大的冷却应力，无位错晶体生长仍然是相对稳定的，即便是生长一些直径较大的晶体。
这是因为对一个完整的晶体是很难产生一个新的位错。
硅基锗材料生长与高效发光
硅基锗材料生长与高效发光一、硅基锗材料是什么？硅基锗材料，说起来也不复杂，简直可以当作电子科技圈的小“明星”了！你要知道，硅（Si）可是我们日常生活中最常见的材料之一，手机、电脑里的芯片，都离不开它。
可是，光电材料的世界可没那么简单，硅材料虽然在电子领域称霸，但在光电领域的表现却有点“捉襟见肘”，光的转换效率不高，发光效果差强人意。
于是，聪明的科学家们想到了一个办法——将硅和锗（Ge）结合在一起。
锗，作为另一种半导体材料，能够补足硅在发光方面的不足。
你可以把硅看作是“主心骨”，而锗就像是它的小帮手，默默地加强硅的发光能力，让它在光电领域也能大放异彩。
简单来说，硅基锗材料，就是硅和锗的组合，既保留了硅的优点，又弥补了它的不足，在新一代的光电技术中占有一席之地。
二、为什么要用硅基锗材料？说实话，大家对发光材料的需求就像是对好吃的食物的渴望，谁不想拥有更高效、更节能的技术呢？现如今，LED、激光器这些常见的发光设备，几乎都少不了高效的半导体材料。
如果用传统的材料，成本太高，效果也不好，根本没法满足需求。
而硅基锗材料则不一样，它既有硅的优点，又能提升发光效率，真正是“物美价廉”啊！比如说，它能够大大提升光电转换效率，简直就是电子设备的节能神器。
这种材料不但能够提高设备的亮度，还能延长使用寿命，简直是“省钱又省力”。
此外，硅基锗材料的稳定性非常好，既能在高温环境下运行，也不会轻易受到外界因素的影响，简直是耐操又靠谱的“硬汉”。
说白了，科学家们把硅和锗的优点结合在一起，不仅让材料的性能更强，使用起来也更加得心应手。
难怪硅基锗材料在光电子领域的应用前景这么广阔，简直是科技界的“新宠”！三、硅基锗材料如何生长？这就进入了硅基锗材料的“幕后故事”了。
要做出这样一个既能发光又稳定的材料，可不是什么随便的事情。
材料的生长方法可是讲究得很。
一般来说，硅基锗材料的生长会在一个特殊的环境中进行，这个过程需要在高温、真空的条件下进行“烘培”，好像是做一道高难度的“化学大餐”。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
经典成核理论
经典成核理论又称为均相成核理论，是 基于热力学的分析，其基本思想是把成 核视为过饱和蒸汽或溶质的凝聚。 设两个分子碰撞形成晶胚，从分子到 晶胚的变化看成一个体系
经典成核理论
这个体系的吉布斯自由能的改变包括
两部分：
1、气相转变为晶胚(固相)，体积减小，体 积自由能减少，设体积自由能为△GV。 2、晶胚的生成，会形成一个固气界面， 需要一定的表面能△GS。
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；石墨金刚石 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； 5).由固态非晶质结晶，火山喷发出的熔岩流迅 速冷却，固结成为非晶质的火山玻璃，这种火 山玻璃经过千百年以上的长 时间以后，可逐渐 转变为结晶质。
晶体生长方式分三大类： 固相生长 液相生长，包括溶液生长和熔体生长 气相生长
天然晶体的生长
1．由气相转变为固相： 从气相转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。 在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化 钠的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成 的晶体。
火山裂缝喷气孔附近的自然硫沉积
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”。
气相中的均匀成核
晶胚有两种发展趋势：
1、继续长大，形成稳定的晶核；
经典成核理论 体系总能量△G的变化：
△总能量 = △表面能 + △体积自由能
△G = △GS + △GV
△G = △GS + △GV
说明：
1、固相表面，是从无到有，所以表面自由能
△GS大于0
2、气体分子的体积，从气体到固体，体积减
小，所以体积自由能降低，△GV小于0 很多书将上式写成：△G = △GS -相中各个区域出现新 相晶核的几率相同，晶核由液相中的
一些原子团直接形成，不受杂质粒子
或外来表面的影响，这种成核叫均匀
形核，又称均质成核或自发成核
晶核的形成
非均匀成核：若新相优先在母相
某些区域中存在的异质处成核，
即依附于液相中的杂质或外来表
面成核，则称为非均匀成核。又 称异质成核或非自发成核
结晶时首先在液体中形成具有某一尺
寸（临界尺寸）的晶核，然后这些晶核
不断凝聚液体中的原子而长大。形核过
程和长大过程紧密联系但又有所区别。
晶核的形成
在母相中形成等于或超过一定临界大小的新相晶 核的过程称为“成核” 形成固态晶核有两种方法，
1) 均匀成核，又称均质成核或自发成核。 2) 非均匀成核，又称异质成核或非自发成核。
液-固相，对溶液，物质的浓度
大于其溶解度。
概括来说，
气－固相变过程时，要析出晶体，要求
有一定的过饱和蒸气压。
液－固相变过程时，要析出晶体，要求 有一定的过饱和度。 固－固相变过程时，要析出晶体，要求 有一定的过冷度。
详见课本3－1－1
晶核的形成
研究发现，结晶过程是由成核与长大 两个过程所组成。
晶体形成的热力学条件
课堂练习：参 考课本图3-1， 从图上直接说 明气-固相、固液相转变的条 件。
晶体形成的热力学条件
从图3-1可直接看出：
气-固相转变条件：
温度不变，物质的分压 大于其饱和蒸汽压。 压力不变，物质的温度 低于其凝华点。
晶体形成的热力学条件
从图3-1可直接看出：
固-液相转变的条件： 对熔体，压力不变，物质的 温度低于其熔点 不能看出的条件：
自然硫晶体
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
熔体中生长 从熔体中结晶 当温度低于熔点时，晶体开 始析出，也就是说，只有当熔体过冷却时晶体 才能发生。 如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰；金 属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体。 熔融结晶可生长纯度高，体积大，完整性 好的单晶体，而且生长速度快，是制取大直径 半导体单晶最主要的方法。 (20070615) 我国首台 12 英寸单晶炉研制成 功,所制备的硅单晶主要用于集成电路元件和太 阳能电池。
2、重新拆散，分开为单个的分子。
液相中的均匀成核
晶体熔化后的液态结构是长程无 序的，但在短程范围内却存在着不
稳定的接近于有序的原子集团，它 们此消彼长，出现结构起伏或叫相
起伏。
液相中的均匀成核
当温度降到结晶温度时，这些原子 集团就可能成为均匀形核的“胚芽”，
称为晶胚；其原子呈晶态的规则排列， 这就是晶核。
半导体材料
第三章 晶体生长
制造半导体器件的材料，绝大部分是单晶 体，包括体单晶和薄膜单晶，因此，晶体生 长问题对于半导体材料研制，是一个极为重 要的问题。 本章主要内容： 1、晶体生长的基本理论 2、熔体中生长单晶的主要规律 3、单晶的生长技术
3-1 晶体生长理论基础
晶体的形成方式：
• • • • 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。
•假设晶核近似为球形，则有：
总能量 = 表面能 + 体积自由能
=晶胚表面积×单位表面积的自由能 +
体积×单位体积的自由能 改变量
4 3 G 4r r g v 3
2
σ为单位表面积的表面能，Δgv为形成单位体积晶胚 的自由能改变量。 表面自由能大于0，体积自由能小于0。