晶體生長方法氣相法

日期：2025-09-17 12:23

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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?yōu)槠湟?guī)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(fā)現(xiàn)了越來越多的這樣的固體，它們都有著天然自發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)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?yōu)槠湟?guī)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(fā)現(xiàn)了越來越多的這樣的固體，它們都有著天然自發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)了晶體的更多秘密。
      現(xiàn)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(fā)、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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(tǒng)。

升華法

所謂升華法，是在高溫區(qū)將材料升華，然后輸送到冷凝區(qū)使其成為飽和蒸氣，經(jīng)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(qū)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(fā)生物理變化(遷移、吸附和脫附等)，還要發(fā)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(fā)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(xiàn)在已擴展到金屬、絕緣介質等多種材料體系，成為現(xiàn)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(fā)成氣相，或用適當?shù)臍怏w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(tài)，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(tài)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(fā)生化學反應而沉積成為固態(tài)薄膜的方法稱為化學反應氣相沉積。

文章來源：中國數(shù)字科技館

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