激光原理与技术77128

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1、第三章晶体生长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。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定量计算又进了一步。1§3-1晶体生长理论基础热力学认为：晶体生长是一个动态过程。是从非平衡态向平衡

2、态过渡的过程。体系达到两相热力学平衡时，并不能生成新相。只有在旧相处于过饱和（过冷）状态时，才会出现新相。热力学条件处于亚稳区才能有新相生。相界面不断向旧相推移，完成成核与晶体长大过程。2晶体生长方式可分三大类：（1）固相生长：固-固相转变。如：石墨————金刚石-Fe(体心立方)———-Fe（面心立方）相变又称多形转变或同素异形转变。“图形外延”:激光照射下完成微晶硅向单晶硅薄膜转变。（2）液相生长：（i）溶液中生长；（2）熔体中生长。溶液生长历史很久，生长的晶体种类很多。如：盐水溶液结晶为食盐；液相外延

3、。锗、硅与砷化镓等体单晶生长是从熔体中生长晶体。高温、高压900℃1气压3（3）气相生长：气相向晶体转变。如：气体凝华，化学气相沉积（CVD）。水汽凝结成冰；SiCl4氢还原生长Si单晶外延层。人工制备晶体领域中：固－固很少使用；液－固过程是制备单晶锭的重要工艺；汽－固过程在工艺上能很好控制，是制备单晶薄膜的主要方法。4§3-1-1晶体形成的热力学条件1.气-固相转变过程相变过程中，每摩尔物质自由能改变量为定义饱和比，过饱和度5单个原子（或分子）体积为Vm，单位体积的自由能变化为：一个原子（分子）在相转变过程中

4、自由能变化，N0：阿佛加德罗常数；，k：玻尔兹曼常数。或结论：气-固相转变，只有当P1＞P0或＞1，即有一定过饱和度时，G、g、gV为负值，过程才能自发进行。62.液-固相转变过程（1）溶液中生长。溶液近似于理想溶液，一定温度T、压力P时，溶质i浓度为C1时的化学势为：纯溶质i在指定温度T、压力P的条件下的化学势。饱和溶液浓度为C0，同样条件下，化学势为7固-液两相平衡时，固相的化学势应与其平衡的饱和溶液的化学势相等，有结论：只要C1＞C0，G＜0，过程就能自发进行。从过饱和溶液中生长晶体时自由能的变

5、化为8（2）熔体中生长。凝固温度下，相变过程中单位体积自由能的变化S（T）、L（T）：分别表示体系在凝固温度T时，固液两相单位体积的自由能。熔点温度TM，固-液两相平衡时有9泰勒级数展开T-TM=T：体系的过冷度。因，H:熔化潜热；SL、SS：液相和固相时单位体积的熵。结论：熔体中生长晶体，T＜0，gV定为负值（H＞0），即熔体生长体系有一定的过冷度。10三种晶体生长方式，必须满足的热力学条件：气-固相变，P1＞P0；溶液中生长晶体时，C1＞C0；熔体中生长晶体时，T＜0。只有当条件满足时，其自由

6、能变化G、gV为负，过程能自发进行。11§3-1-2晶核的形成晶体生长过程中，新相核的发生和长大称成核过程。均匀成核（自发成核）：在一定过饱和度、过冷度的条件下，由体系中直接形成的晶核。非均匀成核（非自发成核）：体系中存在外来质点（尘埃、固体颗粒、籽晶等），在外来质点上成核。成核均匀成核非均匀成核12一、均匀成核1.单个晶核的形成气-固相变过程中气体分子在不停的无规则运动；运动速度与能量虽然在一定的温度下，有一定的分布状态，但毕竟是各不相同；由于能量的涨落，某些能量较低的分子，可能互相连接形成一些“小集团”

7、。小集团的发展趋势：①继续长大成为稳定的晶核；②重新拆散为单个分子。晶胚:形成的小集团。13设小集团的形成是二分子过程，a1：一个气体分子；a2：由两个气体分子连接而成的晶胚‥‥‥ai：由i个气体分子连结而成的晶胚。它们的形成过程可用一连串的反应表示:a1+a1a2a1+a2a3......a1+ai-1ai注意：忽略了小集团之间相碰撞和几个分子之间同时相碰撞的情况（出现的几率小）。14体系处于过饱和状态时，能量变化可分两部分：（1）气相转变为晶胚，体积自由能GV要减小；（2）新相生成，形成固-气界面，需要一

8、定的表面能。设gV为形成单位体积晶胚时，自由能的改变量；为单位表面积的表面能。一定条件下，形成一个半径为r的球形晶胚时，体系自由能总的变化量为G，有15G随晶胚半径r的变化关系Gs体系自由能增加，与r2成正比。Gv体系自由能减少，与r3成正比。Gv比Gs变化快；开始时Gs较大，二者之和G出现了开始时增大，达到极大值G*后下降；与G*相对应的的晶胚半径r*称临界半