半导体材料学习资料：晶体生长
半导体晶体生长的研究与应用
半导体晶体生长的研究与应用随着计算机技术和通讯技术的不断发展，半导体技术成为一种非常重要的技术，在电子产品和计算机领域发挥着重要作用。
而半导体晶体生长技术则是半导体技术中重要的一环。
本文将从半导体晶体生长的基本原理、研究进展和应用领域等方面展开探讨。
一、半导体晶体生长的基本原理半导体晶体生长是将气相或液相中的单质或化合物蒸汽输送到晶核表面，以固相溶解，在晶核表面上沉积新的晶体材料。
一般来说，从高温、高压的气相或高温溶液中生长单晶称为液相生长，从低温、低压气相中生长单晶称为气相生长。
在半导体晶体生长中，往往采用静态液相生长法，即采用典型的静态平衡方法，将气、液两相平衡维持在固定的条件下，在晶体生长室中以加热、降温、扩散等方式进行生长。
其中，供应物质漂浮在保护气氛中，以上升的蒸汽形式与加热后的基片相遇，固态半导体材料以单晶的形式生长在基片表面。
这种静态液相生长法不仅能使生长的单晶质量高，而且实现了晶体的钝化，提高了生长的效率。
二、半导体晶体生长的研究进展半导体晶体生长技术的研究进展对于半导体材料的应用具有非常积极的意义。
近年来，针对半导体晶体生长技术的研究和发展成为研究热点。
1. 新材料的生长新材料的液相生长和气相生长已逐步取代了化学气相沉积（CVD）等方法。
例如，生长阻止氮化铟薄膜的关键技术（MOCVD）。
在物理气相沉积（PVD）中，必须获得背光照明条件，以便在近红外范围内使用MOCVD制备高质量的氮化铟线性和量子阱结构。
2. 生长过程的控制在半导体晶体生长过程中，特别是液相生长的过程中，如何强化和优化表面扩散和晶体扩散也是研究的重点。
此外，通过精确控制生长参数，如温度、气压、配气量和供气率等参数来控制晶体的生长，可以使砷化镓级联电池在几个微米到数厘米大小之间可控制地生长。
3. 生长速度和晶体质量的提高通过静态液相生长法可以得到单晶体质量优良的半导体材料，同时静态气相生长技术已被广泛应用于半导体材料及晶体器件的研究和开发中。
半导体材料晶体生长
夏威夷火山
火山口生长的硫(S)晶体
➢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；
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”。
➢ 即结合成键时成键数目最多，放出能量最大的位置。
➢ 此模型假定晶体是理想完整的，并且界面在 原子层次上没有凹凸不平的现象，固相与流体相 之间是突变的，这显然是一种非常简单的理想化 界面，与实际晶体生长情况往往有很大的差距
➢ 如图： ➢ K为曲折面，有三角面凹入
角，是最有力的生长部位；
➢ S是阶梯面，具有二面凹入 角的位置；
➢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；
半导体制造工艺之晶体的生长
半导体制造工艺之晶体的生长导语半导体制造是现代电子行业的关键环节之一，而晶体的生长是半导体制造工艺中的必要步骤之一。
本文将详细介绍半导体制造工艺中晶体的生长过程和相关技术。
一、晶体生长基础概念晶体是由连续的原子、离子或分子排列而成的固体物质，其内部结构具有高度有序性。
晶体的生长是指在适当条件下，将原子、离子或分子从溶液或气相中传输到一个固体基底上，形成一个完整的晶体结构。
半导体晶体通常是通过化学气相沉积（CVD）或溶液法来生长的。
在CVD过程中，悬浮的气体或溶液中的原料物质会在晶体基底表面孕育生长。
晶体的生长速度、晶体的性质和电学性能都与晶体生长条件密切相关。
二、晶体生长过程晶体生长过程涉及一系列的步骤，包括原料制备、气相或溶液传输、吸附、扩散、结晶和去除杂质等。
下面将逐步介绍这些步骤。
2.1 原料制备晶体生长的基本材料是高纯度的原料物质，以确保晶体的纯度和质量。
通常需要对原料进行提纯和处理，以去除其中的杂质。
2.2 传输在气相生长中，原料气体会通过供气系统进入晶体生长的反应室。
在溶液法中，原料会被溶解在溶液中，通过流动或浸没晶体基底的方式被传输到晶体生长区域。
2.3 吸附原料物质在晶体基底表面吸附，形成吸附物。
随着吸附反应的进行，表面吸附物会逐渐增多，形成一个薄层。
2.4 扩散扩散是指原料物质在吸附层内部的传输过程。
原料物质会沿着晶体基底的表面扩散，寻找到新的吸附位置，并逐渐积聚起来。
2.5 结晶当吸附物质达到一定浓度时，会出现结晶现象。
原料物质会从吸附层中析出，形成新的晶体结构。
晶体的生长速度取决于扩散速率和结晶速率。
2.6 去除杂质晶体生长过程中会存在一些杂质，如异质原子或离子。
这些杂质会影响晶体的纯度和性能。
因此，在晶体生长结束后，需要进行杂质的去除和晶体的后处理，以提高晶体的质量。
三、晶体生长技术半导体制造工艺中有多种晶体生长技术，常见的包括单晶生长和多晶生长两种。
3.1 单晶生长单晶生长是将晶体在基底上沿特定方向生长，并形成完整的单晶结构。
半导体制造工艺之晶体的生长概述
半导体制造工艺之晶体的生长概述晶体生长是半导体制造中至关重要的一步，它决定了半导体材料的质量和性能。
本文将概述半导体晶体的生长工艺，包括单晶生长、多晶生长和薄膜生长。
首先，单晶生长是制备高纯度单晶材料最常用的方法之一、单晶生长过程包括溶液法、气相法和陶瓷法等。
其中，溶液法是最早发展起来的单晶生长方法之一、在溶液法中，首先制备出含有半导体材料的溶液，然后通过控制溶液中的温度、浓度和溶液与环境接触的界面等条件来实现晶体的生长。
气相法利用气体中的半导体材料蒸汽沉积在基片上，并在其上形成单晶。
陶瓷法是将半导体材料粉末压制成形状可控的块状，并在高温下进行烧结，从而实现晶体的生长。
其次，多晶生长是制备大尺寸半导体材料的一种方法。
它通过在固态下将多个晶核生长成晶粒，形成多晶的材料。
多晶生长一般分为凝固法和熔融法。
凝固法中，通过一定条件下的凝固过程将原料直接转变为多晶体。
凝固法的一个典型例子是铸造法，即将熔化的半导体材料注入到石膏型中，随后通过凝固过程获得多晶体。
熔融法中，通过将原料加热至熔点，然后冷却成形，实现多晶体的生长。
最后，薄膜生长是一种制备半导体薄膜的方法。
薄膜生长涉及多种技术，包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）等。
在物理气相沉积中，通过将半导体材料直接蒸发或溅射到基片上来形成薄膜。
在化学气相沉积中，通过化学反应使气体中的原子或分子转变为沉积在基片上的固态材料。
分子束外延是利用高纯度蒸发源，在真空环境下瞄准并发射精细束流的精确方法，将气体分子形成薄膜。
以上是半导体制造工艺中晶体生长的概述。
不同的晶体生长方法适用于不同的材料和应用，选择合适的生长方法对于获得高质量的晶体是至关重要的。
随着技术的发展，对晶体生长方法的研究也在不断进步，为半导体工业带来了更高效、更精确的制造工艺。
半导体晶体生长技术
半导体晶体生长技术半导体晶体生长技术是一项重要的技术领域，它在半导体器件制造、光电子器件制造等领域起着关键作用。
本文将从晶体生长方法、生长机理和应用等方面进行介绍。
一、晶体生长方法半导体晶体生长技术包括气相生长、液相生长和固相生长等方法。
其中，气相生长是在特定温度和压力条件下，通过气相中的原料气体在衬底上生长晶体。
液相生长是通过溶液中的溶质在衬底上沉积晶体，常用的方法有溶液浸渍法、溶液蒸发法等。
固相生长是通过固体相变化的方式在衬底上生长晶体，常用的方法有化学蒸发法、分子束外延法等。
二、晶体生长机理半导体晶体的生长机理涉及到热力学和动力学过程。
在热力学方面，晶体生长是由于原子或分子在原料气体或溶液中的过饱和度引起的。
过饱和度越大，晶体生长速度越快。
在动力学方面，晶体生长是由于原子或分子在表面附着、扩散和沉积的过程。
表面附着是原子或分子与晶体表面相互作用并附着在晶体上的过程，扩散是原子或分子在晶体表面上的迁移过程，沉积是原子或分子在晶体表面上的沉积过程。
三、晶体生长的应用半导体晶体生长技术在半导体器件制造、光电子器件制造等领域具有广泛的应用。
在半导体器件制造中，晶体生长技术可以用于生长硅、镓砷化镓、硫化锌等半导体材料，用于制备晶体管、二极管、场效应管等器件。
在光电子器件制造中，晶体生长技术可以用于生长锗、镓砷化镓等光电子材料，用于制备激光器、光电探测器等器件。
此外，晶体生长技术还在生物医学、能源等领域有着重要的应用，如用于生长蛋白质晶体、太阳能电池材料等。
半导体晶体生长技术是一项重要的技术领域，它通过不同的生长方法和生长机理，实现了半导体晶体的高质量生长。
该技术在半导体器件制造、光电子器件制造等领域具有广泛的应用。
随着科学技术的不断发展，半导体晶体生长技术将继续得到改进和创新，为相关领域的发展提供更多可能性。
半导体材料晶体生长通用课件
气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ，适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中，需要选择合适的气体原料，控制反应温度、压力和气 体流速等参数，以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期，随着科技的不断进 步，晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前，半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展，半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等，以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷，如金属杂质、非金属杂质、空
位等，以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加，需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
，以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料，如硅基氮化物、碳化物、氧化物等，以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程，涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中，需要了解液态和固态之间的相平衡关系，以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一，它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
半导体制造工艺晶体的生长
半导体制造工艺晶体的生长引言半导体制造工艺的核心是晶体的生长，晶体的质量和结构对于半导体器件的性能起着至关重要的作用。
本文将介绍半导体制造工艺中晶体的生长过程以及一些常用的晶体生长方法。
晶体生长的基础知识在半导体制造工艺中，晶体是由原子或分子以一定的结构排列方式组成的固态物质。
晶体的生长过程涉及到晶体核的形成及其后续的晶体生长。
晶体生长过程中，晶体核是形成晶体结构的基础。
晶体核的形成需要克服原子或分子之间的排斥力，并形成一定的有序结构。
当晶体核形成后，周围的原子或分子会以一定的方式附着到晶体核上，从而形成一个完整的晶体。
晶体生长可以分为三个阶段：核心形成、原子或分子附着和晶体生长。
晶体生长的方法液相生长法液相生长法是最常用的晶体生长方法之一。
在液相生长法中，通过在溶液中加入适当的化学物质，控制温度和溶液成分，使得晶体材料从溶液中生长出来。
液相生长法具有较高的晶体生长速度和较低的生长温度要求，适用于常见的半导体材料的生长，如硅和锗。
气相生长法气相生长法是一种通过将混合气体在适当的条件下通过反应炉或多晶管等装置，使晶体沉积在衬底上的方法。
气相生长法的优点是可以实现大尺寸晶体的生长，并且可以控制晶体的成分和掺杂。
气相生长法广泛应用于氮化镓、砷化镓等复杂半导体材料的生长。
分子束外延法分子束外延法是一种通过将精细控制的分子束照射在衬底上，使晶体在衬底上沉积的方法。
分子束外延法具有高生长速度和高晶体质量的优点，适用于生长高质量的半导体薄膜。
水热法水热法是一种通过在高压、高温的水热条件下使晶体生长的方法。
水热法可以在相对较低的温度下生长高质量的晶体，并且可以控制晶体的形貌和尺寸。
水热法广泛应用于生长氧化铝、氧化锌等半导体材料。
晶体生长的控制参数晶体生长的过程受到多个参数的影响，这些参数包括温度、压力、溶液成分、气相成分等。
温度是晶体生长中最重要的参数之一。
温度的控制可以影响晶体的生长速度和质量。
对于不同的晶体材料，存在一个合适的生长温度范围，超出该范围会导致生长速度的下降和生长质量的变差。
半导体材料与工艺之-晶体生长原理资料
同样，定义α=C/C0为溶质i的溶液饱和比，σ=α-1为溶液 的过饱和度，则晶体的液相生长要求溶液有正的过饱和 度，或饱和比大于1。
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结晶的微观过程
无论是非金属还是金属，结晶过程都是形核与长大的过 程。液态金属结晶时，首先形成一些微小而稳定的晶体， 它们就是晶体长大的核心，故称为晶核。这些晶核渐渐 长大，在先形成的晶核长大过程中，又有新的晶核形成， 直至液态金属全部消逝。
Figure (a) Aluminum alloy wheels for automotives, (b) optical fibers for communication.
19
Section 8.1.2 晶核的形成(Nucleation)
均匀形核(homogeneous nucleation)—由均匀 母相中形成新相晶核的过程，此时液相中各个区域消 失新相晶核的几率都是一样的，亦称自发形核或均质 形核。这是一种液态金属确定纯洁，无任何杂质，也 不和型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶 胚直接形核的过程。明显这是一种抱负状况。
6
8.1.1.2 结晶的热力学条件
等温等压下，系统总是从自由能较高的状态向自由能较 低的状态自发转变——最小自由能原理
液态和固态的体积自由能，都随温度的上升而降低。 GL随温度的变化曲线较陡，GS随温度的变化曲线较缓。 液态和固态自由能相等时所对应的温度 ，即为理论结 晶温度Tm 。
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核医学、核技术、空间物理等。
（9）半导体晶体
• 定义：
电阻率处于导电体（10 - 5 .cm） 和绝缘体（1010 .cm ）之间的晶体为半导 体晶体。
• 应用：
声、光、电等。
（10）薄膜晶体
• 定义：
1m或以下厚度的晶体。
• 应用：
电子管和超大规模集成电路等。
（11）……晶体
• 除了以上谈到的晶体以外，尚有：铁电、 硬质、绝缘、敏感、热光、超导体、快 离子导体等等。
分类（按组分分）
A）基质晶体（载体）中掺入激活离子（发光中心Nd3+，Cr3+ ， Ho3+ ，Dy2+ ）。输出的波长从紫外（0.17m）到中红外 （5.15 m ）。如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石 YAG:Nd3+等。
B）化学计量激光晶体，这种晶体的激化离子就是晶体组成之 一。其特点：高效、低值，功率小。
（5）C60系列材料
3-1 晶体生长的理论基础
1.晶体生长的一般方法
• 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。
晶体生长方法分类
溶液生长法
降温，恒温蒸发，温差水热，循环流动，凝
晶
胶等
体
生
熔液生长法
提拉，下降，焰熔，导模，冷坩埚，助熔剂
长
区熔，浮区，基座等
方
法
气相生长法
真空蒸发镀膜，升华，气相外延，化学气相
沉积等
固相生长法
高压，再结晶等
薄膜生长法
真空蒸发，分子束外延，溅射，粒子束外延， 液相外延，离子注入，LB膜等
• 应用：
高速激光印刷系统、激光雷达、光计算机 等。
பைடு நூலகம்
（5）磁光晶体
• 定义：
当光通过组成原子有一定磁性的被磁性晶体 反射（克耳效应）或透射（法拉第效应）时，其偏 振面状况将发生变化，这类晶体为磁光晶体。
• 应用：
激光快速开关、调制器、循环器及隔离器； 计算机储存器等。
（6）热释电晶体
• 定义：
当温度发生变化时，晶体某一结晶学 方向上正负电荷相对重心位移而引起自发极 化效应，这类晶体为热释电晶体。
第三章 晶体生长
• 晶体材料在功能材料中占有重要地 位，这是由于它具有一系列独特的 物理性能所决定的。
• 常见的晶体材料有：
晶体
激光晶体 电光晶体 磁光晶体 压电晶体 半导体晶体 X－射线分光晶体
非线性光学晶体 声光晶体
热释电晶体 闪烁晶体 薄膜晶体 光学晶体
（1）激光晶体
• 固体激光器的发光材料，通常被称为激光晶 体。 早期的红宝石： (Al2O3:Cr3+) 目前的掺钕钇铝石榴石：(YAG:Nd3+)
• 应用：
红外热释电探测器、红外热释电摄 像管等。
（7）压电晶体
• 定义：
通过拉伸或压缩使晶体产生极化，导 致晶体表面电荷的现象称为压电效应，这类 晶体为压电晶体。
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压 元件等。
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶 体会发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
Potassium Dihydrogen Phosphate( KDP ) and Potassium Dideuterium Phosphate( DKDP ) are currently used for electro-optical modulation and frequency conversion. CORETECH KDP and DKDP have high nonlinear coefficient and high optical damage threshold, and can be used electro-optical modulator, Q switches and shutters for high speed photography.
• 目前在350多种基质晶体和20多种激活离子 的约70个跃迁波段上实现了受激发射。
Nd:YVO4 Crystal
Nd:YVO4 crystal is one of the most excellent laser host materials, it is suitable for diode laser-pumped solid state laser.
• 应用
激光频率转换、四波混频、光束转向、图 象放大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。
• 现状：
我国该领域领先
（3）电光晶体
• 定义：
光通过有外加场的晶体时，光随着 外加场的变化发生如偏转、偏振面旋转等而 达到控制光传播的目的。这类晶体为电光晶 体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光 储存、光雷达和光计算机等。
2. 晶体生长方法发展动向
完整性 杂质、缺陷的控制，特殊环境下生长等
晶
体
生
利用性 大尺寸、异形、薄膜等
长
技
术 发
功能性 极端条件下生长，结构、组织的控制生长
展
动
向
重复性 自动化，程序化，原材料规范化等
3. 晶体生长研究方法
晶体生长研究方法同其它材料的研究方法 相同，除了严格控制晶体生长原材料之外，对 晶体的结构、晶体的生长方法和晶体的性质进 行研究是晶体生长研究的重点。由此可见：研 究晶体生长必然以
• 要求：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要 小、电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机 械和热性能好、半波电压低等。
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间 变化的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期 性变化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折 射率周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产 生声光相互作用。这类晶体为声光晶体。
（1）晶体生长
（2）晶体物理
（3）晶体化学
为基础。
简言之：
生长工艺 生长理论
控制
晶体生长
生长方法 生长设备
形貌 缺陷
晶体物理
物性
应用
晶体化学
化学键 结构
相关系
组成
图 晶体学研究的基础内容及相互关系
1.4 材料科学研究与发展方向
（1）材料复合化
（2）纳米材料 （3）智能材料
非平衡材料
（4）生物医学材料
（2）非线性光学晶体
• 定义：
晶体当受到强电磁场作用时，由于非线性 极化引起非线性光学效应。
• 目的：
是实现光频率的转化：由于非线性光学晶 体可以通过其倍频、和差、光参量放大和多光子吸 收等非线性过程改变入射光和发射光频率的变化。
KDP and DKDP crystals
KH2PO4 KD2PO4