半导体材料第4讲--晶体生长1

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1、半导体材料陈易明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、液相转变成固相可形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。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

2、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。火山口生长的硫(S)晶体夏威夷火山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；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

3、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

4、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：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，结晶过程是由形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

5、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“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。晶核的形成均匀形核：当母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，这种形核叫均匀形核，又称均质形核或自发形核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

6、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；2、重新拆散，分开为单个的分子。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，

7、这就是晶核。液相中的均匀成核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。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经典成核理论说明：1、固相表面，是从无到有，所以表面自由能△GS大于02、气体分

8、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-△GV经典成核理论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