2021年2021年度晶体生长专题知识讲义.ppt

第三章 晶体生长
3-1 晶体生长的理论基础
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晶体生长专题知识
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(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
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晶体生长专题知识
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(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
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晶体生长专题知识
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(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-liquid phase epitaxy)
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),所制备的硅单晶主要用于集成电路元件和太阳能电池
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晶体生长专题知识
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(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***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)
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晶体生长专题知识
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晶体生长专题知识
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(掌握)

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)
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晶体生长专题知识
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(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)。
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晶体生长专题知识
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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
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晶体生长专题知识
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