《晶体生长》PPT课件

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1、半导体材料第三章晶体生长3-1晶体生长的理论基础1.晶体生长的一般方法(掌握)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石墨金刚石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微晶硅单晶硅薄膜(2)

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-liquidphaseepitaxy)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。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我国首台12英寸单晶炉研制成功(070615),所制备的硅单

3、晶主要用于集成电路元件和太阳能电池(3)气相生长:气体固体从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。例子: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气体凝华:物质从气态直接变成固体(气体升华?固态气态)化学气相沉积(CVD)2.晶体形成的热力学条件(掌握)1.气固相转变定义=p1/p0为饱和比,即初态压强/末态压强=-1过饱和比,相变条件:p1p0,或者1(即有一定的过饱和度)2.液固相转变过程(1)溶液中生长C1CO,相变发生,有一定的过饱和度C1:一定温度T,压力P,溶质浓度CO:一

4、定温度T,压力P,饱和溶液浓度(2)熔体中生长△T0,相变发生,有一定的过冷度过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就形成晶体，材料处在应该转变的理论温度以下，还保留原来状态，这种现象称为过冷。过冷度：为了表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所处在的温度之差称为过冷度。ΔT=Tm－T(Tm理论凝固温度)。相变时能量的转化固体与晶体的转化：转变潜热固体与液体的转化：熔解潜热液体与气体的转化：蒸发潜热固体与气体的转化：升华潜热任一潜热L都与系统压力、体积、温度等条件有关3.晶核的形成(理解)热力学条件满足后,晶体开始生长晶体生长的一般过程是先形成

5、晶核,然后再逐渐长大.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crystalgrowth一般规律晶核形成速度快，晶体生长速度慢晶核数目多，最终易形成小晶粒晶核形成速度慢，晶体生长速度快晶核数目少，最终易形成大晶粒注意：整个晶化过程，体系处于动态变化状态一:均匀成核(自发成核)在过饱和,过冷度条件下,依靠自身原子形成的晶核1.单个晶核的形成晶胚:能量较低的分子形成具有结晶相的有序结构的分子聚集体,成为晶胚晶核:成为结晶生长中心的晶胚能量变化在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发生变

6、化，一方面一定体积的液体转变为固体，体积自由能会下降，另一方面增加了液－固相界面，增加了表面自由能，因此总的自由能变化量为：其中ΔGV为单位体积内固液自由能之差，V为晶体的体积，一个细小的晶体出现后，是否能长大，决定于在晶体的体积增加时，其自由能是否下降。σ为单位表面积的界面能，A为界面的面积。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，熔解驱动力在一定过冷度下，ΔGV为负值，而σ恒为正值。可见晶体总是希望有最大的体积和最小的界面积。设ΔGV和σ为常数，最有利的形状为球。

7、设球的半径为r，有1)晶核形成时,系统自由能变化组成总能量变化=驱动力+阻力体系体积自由能差(负值)新增表面能△G=△GV+△GS=V.△gv+S.σ=4r3△gv/3+4r2σ0rr*r,△G消失几率长大几率晶核不能长大r=r*(临界半径)△G=△Gmax=△G*消失几率=长大几率临界状态r*rr0r,△G消失几率长大几率自发长大,但晶胚不稳定rr0△G0,消失几率长大几率晶胚稳定长大形成晶核2)按照r大小,晶核的分类r*rr0亚稳晶核r=r*(临界半径)临界晶核(胚)rr0稳定晶核3)临界晶核半径r*r=r*时△G=

8、△Gmax=△G*,所以