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晶體生長方法氣相法

日期：2024-12-06 09:45
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摘要： 晶體是什么？在人們思想中，晶體是晶瑩剔透、美麗完整、質地純潔的固體，比如鉆石、祖母綠等珍貴的寶石。人們為其規則的外形而傾倒，將其看作大自然的鬼斧神工。隨著生活范圍的擴大，人們在各類礦物中發現了越來越多的這樣的固體，它們都有著天然自發形成的幾何多面體外形，于是人們將它們都稱為晶體。進一步的研究又發現了很多更加有趣的性質，比如它們大都具有固定的熔融溫度（熔點），不同方向上光傳播的性質可能不一樣等。 為什么晶體會有這樣的外形？它們眾多的特性由何而來？晶體有著什么樣的用途？這些問題不斷激發著人們進...
      晶體是什么？在人們思想中，晶體是晶瑩剔透、美麗完整、質地純潔的固體，比如鉆石、祖母綠等珍貴的寶石。人們為其規則的外形而傾倒，將其看作大自然的鬼斧神工。隨著生活范圍的擴大，人們在各類礦物中發現了越來越多的這樣的固體，它們都有著天然自發形成的幾何多面體外形，于是人們將它們都稱為晶體。進一步的研究又發現了很多更加有趣的性質，比如它們大都具有固定的熔融溫度（熔點），不同方向上光傳播的性質可能不一樣等。
     為什么晶體會有這樣的外形？它們眾多的特性由何而來？晶體有著什么樣的用途？這些問題不斷激發著人們進行探索。隨著對于物質內部結構認識的深入，人們發現了晶體的更多秘密。
      現在，大家請隨我一起來探索晶體這個絢麗多彩的世界吧！接下介紹*常用的晶體生長方法-氣相法，所謂氣相法生長晶體，就是將擬生長的晶體材料通過升華、蒸發、分解等過程轉化為氣相，然后通過適當條件下使它成為飽和蒸氣，經冷凝結晶而生長成晶體。氣相法晶體生長的特點是：
  • 生長的晶體純度高；
  • 生長的晶體完整性好；
  • 晶體生長速度慢；
  • 有一系列難以控制的因素，如溫度梯度、過飽和比、攜帶氣體的流速等。     

      目前，氣相法主要用于晶須生長和外延薄膜的生長（同質外延和異質外延），而生長大尺寸的塊狀晶體有其不利之處。

氣相法主要可以分為兩種：

  • 物理/氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD）：用物理凝聚的方法將多晶原料經過氣相轉化為單晶體，如升華-凝結法、分子束外延法 和陰極濺射法；
  • 化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition,CVD）：通過化學過程將多晶原料經過氣相轉化為單晶體，如化學傳輸法、氣體分解法、氣體合成法和MOCVD法等。
下面是幾種常見的氣相法晶體生長設備和系統。

升華法

       所謂升華法，是在高溫區將材料升華，然后輸送到冷凝區使其成為飽和蒸氣，經過冷凝成核而長成晶體。升華法生長速度慢，主要應用于生長小塊晶體，薄膜和晶須，SiC晶體就是用這種方法生長的。此外，為了得到完整性好的晶體，需要控制擴散速度和加惰性氣體保護，升華室一般都充有氮氣或氬氣。




射頻濺射法

       所謂射頻濺射法晶體生長，是指采用射頻濺射的手段使組成晶體的組分原料氣化，然后再結晶的技術來生長晶體的方法。
射頻濺射是適用于各種金屬和非金屬材料的一種濺射沉積方法，其頻率區間為5~30MHz，國際上通常采用13.56MHz的頻率。主要用來進行薄膜制備，也可以制備小尺寸的晶體。

分子束外延生長
      分子束外延（MBE）技術是指在超高真空條件下，一種或幾種組分的熱原子束或分子束噴射到加熱的襯底表面，與襯底表面反應，沉積生成薄膜單晶的外延工藝。到達襯底表面的組分元素與襯底表面不但要發生物理變化(遷移、 吸附和脫附等)，還要發生化學變化(分解、化合等)，*后利用化學性能與襯底結合成為致 密的化合物。
      分子束外延的晶體生長速度慢（約1um/h)，生長溫度低，可隨意改變外延層的組分和進行摻雜，可在原子尺度范圍內**地控制外延層的厚度、異質結界面的平整度和摻雜分布，目前已發展到能一個原子層接一個原子層**地控制生長的水平。

分子束外延是制備半導體多層單晶薄膜的外延技術，現在已擴展到金屬、絕緣介質等多種材料體系，成為現代外延生長技術的重要組成部分。分子束外延技術是目前生長半導體晶體、半導體超晶格的關鍵設備，所用的原料純度非常高。可以制備：III-V族化合物半導體GaAs/AlGaAs、IV族元素半導體Si，Ge、II-VI族化合物半導體ZnS, ZnSe等。




化學氣相沉積生長

       化學氣相沉積生長法晶體，是將金屬的氫化物、鹵化物或金屬有機物蒸發成氣相，或用適當的氣體做為載體，輸送至使其冷凝的較低溫度帶內，通過化學反應，在一定的襯底上沉積，形成所需要的固體薄膜材料。薄膜可以是單晶態，也可以是非晶。
化學氣相沉積法主要有以下幾種類型：
       熱分解反應氣相沉積：利用化合物的熱分解，在襯底表面得到固態薄膜的方法稱為熱分解反應氣相沉積。
       化學反應氣相沉積：由兩種或兩種以上氣體物質在加熱的襯底表面發生化學反應而沉積成為固態薄膜的方法稱為化學反應氣相沉積。



文章來源：中國數字科技館

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