半导体材料课件：第3章 晶体生长3.1.pdf

半导体材料的晶体生长是半导体器件制作中的核心技术之一。单晶体在半导体材料的应用中占据主导地位，因此研究晶体生长对于提升半导体材料的性能和产量具有重要意义。晶体生长理论的发展经历了几个重要阶段，包括柯塞尔的晶体生长微观理论模型、弗兰克的缺陷晶体生长理论、伯顿和杰克逊关于晶体生长界面平衡结构理论的研究等。随着计算机技术的应用，晶体生长理论研究已经可以进行微观定量计算，从而更精确地理解和控制晶体生长过程。 晶体生长主要分为三大类：固相生长、液相生长和气相生长。固相生长涉及固态物质之间的转变，例如从一种晶体形态转变为另一种晶体形态。液相生长通常指熔体中晶体的生长，如溶液生长和熔体生长，是制备单晶锭的关键工艺。气相生长是指气态物质直接转变为固态晶体，例如通过化学气相沉积（CVD）方法制备硅单晶外延层等。 天然晶体的生长过程可以分为三种形式。第一种是由固相变为固相，如原矿物晶粒在热力学条件改变时发生的同质多相转变；第二种是由液相转变为固相，比如熔体过冷却时的结晶现象或溶液达到过饱和时析出晶体；第三种是由气相转变为固相，这通常发生在具有足够低蒸气压的条件下，如火山附近因火山喷气形成的晶体。 半导体材料中晶体生长的一个重要方面是晶体生长理论基础，包括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以及晶体的外形等。热力学条件对于晶体生长至关重要，通常需要体系达到一定的过饱和状态，处于亚稳区才能形成新相。晶核的形成和长大是一个动态过程，需要掌握其动力学机制。同时，晶体的外形是受生长环境和条件影响的结果。 在人工制备晶体领域，固相生长很少使用，而液相生长和气相生长则是主要的制备方法。液相生长如从熔体中生长晶体，是制造硅、锗等单晶的主要方式。气相生长，如化学气相沉积CVD，是制备单晶薄膜的主要方法。这些方法在半导体工业中得到了广泛应用，为高纯度、高质量的半导体材料的生产提供了技术支持。