晶体生长理论基础(浅显易懂)

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1、半导体材料与器件半导体材料与器件SemiconductorMaterialsandDevices理工学院江灏2010.05.11第二章第二章半导体材料的晶体生长基础半导体材料的晶体生长基础§2.1前言§2.2区熔提纯§2.3晶体生长的理论基础§2.3.1晶体生长理论的发展和研究对象晶体生长理论的发展和研究对象§2.3.2晶体形成的热力学条件晶体形成的热力学条件§§2.3.32.3.3晶核的形成晶核的形成§2.3.4晶核长大的动力学模型晶核长大的动力学模型§2.3.5晶体生长形态—晶面的发育晶面的发育§2.3.1晶体生长理论的发展和研究对象晶体生长理论的发展和研究

2、对象●半导体材料制备的基本问题--晶体生长●晶体生长理论的发展：晶体生长理论--1669年丹麦学者斯蒂诺(N.Steno)开始研究，主要有：1.晶体平衡形态理论、2.界面生长理论、3.PBC（周期键链）理论和4.负离子配位多面体生长基元模型4个阶段，目前又出现了界面相理论模型等新的理论模型.其发展与完善主要体现在：从宏观到微观，从经验统计分析到定性预测，从考虑晶体相到考虑环境相，从考虑单一的晶体相到考虑晶体相和环境相。晶体生长的定量化，并综合考虑晶体和环境相，以及微观与宏观之间的相互关系是今后晶体生长理论的发展方向。摘自--中国数字科技馆（资源建设维护单位：山东

3、大学晶体材料国家重点实验室）§2.3.1晶体生长理论的发展和研究对象晶体生长理论的发展和研究对象●本课程中将着重介绍的理论：V晶体平衡形态理论：主要包括布拉维法则（LawofBravais）、Curie-Wulff生长定律、BFDH法则(或称为Donnay-Harker原理)以及Frank运动学理论等。晶体平衡形态理论从晶体内部结构、应用结晶学和热力学的基本原理来探讨晶体的生长，注重于晶体的宏观和热力学条件。以晶体平衡形态理论解释晶体生长形态--晶面的发育V界面生长理论：主要有完整光滑界面模型、非完整光滑界面模型、粗糙界面模型、弥散界面模型、粗糙化相变理论等理论

4、或模型。界面生长理论重点讨论晶体与环境的界面形态在晶体生长过程中的作用。以界面生长理论解释晶核长大的动力学模型摘自--中国数字科技馆（资源建设维护单位：山东大学晶体材料国家重点实验室）§2.3.1晶体生长理论的发展和研究对象晶体生长理论的发展和研究对象●晶体生长基本理论的研究对象：①生长热力学--相平衡及相变晶核的形成与长大等②生长动力学--晶体生长的微观过程生长界面结构等③生长系统中的传输过程--对流热传输质量输运等§2.3.1晶体生长理论的发展和研究对象晶体生长理论的发展和研究对象晶体是怎样生长出来的？●晶体形成—在物相(气相、液相和固相)转变(相变)的情况

5、下实现。固相中只有晶体才是真正的固体。●晶体生长方式：①固相生长：固-固相转变②液相生长：液-固相转变，包括溶液中生长和熔体中生长③气相生长：气-固相转变、气体凝华和化学气相沉积等●晶体生长—从非平衡态向平衡态过渡的动态过程。体系达到两相热力学平衡时，并不能生成新相，新相只有在旧相处于非平衡状态时才会出现。新相--生长着的晶体；旧相--向新相输送原子(分子)的结晶源。ò新相产生条件单组分p-T相图TAXB气相(V)•两相平衡线：COX--气-液相平衡线(界线)O液相(L)OY--液-固相平衡线DOZ--气-固相平衡线•临界过饱和线：虚线EY•亚稳区：旧相能以亚稳

6、态存在，固相(S)亚稳区Z而新相还不能自发生成(阴影区)P'P条件:①越过亚稳区而自发产生新相②当有外来杂质存在时，或在外界能量影响下，有可能在亚稳区内形成新相，此时使亚稳区缩小。第二章第二章半导体材料的晶体生长基础半导体材料的晶体生长基础§2.1前言§2.2区熔提纯§2.3晶体生长的理论基础§2.3.1晶体生长理论的发展和研究对象晶体生长理论的发展和研究对象§2.3.2晶体形成的热力学条件晶体形成的热力学条件§§2.3.32.3.3晶核的形成晶核的形成§2.3.4晶核长大的动力学模型晶核长大的动力学模型§2.3.5晶体生长形态—晶面的发育晶面的发育§§2.3.

7、22.3.2晶体形成的热力学条件晶体形成的热力学条件ò晶体的形成过程—相变过程ò晶体形成的热力学—相变过程的热力学＊相变过程热力学：研究相变过程的驱动力＊相变过程的驱动力：相变过程前后自由能的差＊自由能G—在某一个热力学过程中，体系减少的内能中可以转化为对外做功的部分。§§2.3.22.3.2晶体形成的热力学条件晶体形成的热力学条件ò不同物相的转化，从气相、液相或非晶相转为固相晶体时都要放热，也就是体系对环境做功，体系自由能的变化量△G<0。ò在相同的热力学条件下，与同种化学成分的气体、液体或非晶体相比，晶体的内能最小。即晶体最稳定，其他相有自发转变为晶体的趋势

8、。则有，相变过程的驱动力