晶体生长方法气相法

日期：2025-02-24 20:26

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摘要：晶体是什么？在人们思想中，晶体是晶莹剔透、美丽完整、质地纯洁的固体，比如钻石、祖母绿等珍贵的宝石。人们为其规则的外形而倾倒，将其看作大自然的鬼斧神工。随着生活范围的扩大，人们在各类矿物中发现了越来越多的这样的固体，它们都有着天然自发形成的几何多面体外形，于是人们将它们都称为晶体。进一步的研究又发现了很多更加有趣的性质，比如它们大都具有固定的熔融温度（熔点），不同方向上光传播的性质可能不一样等。为什么晶体会有这样的外形？它们众多的特性由何而来？晶体有着什么样的用途？这些问题不断激发着人们进...

      晶体是什么？在人们思想中，晶体是晶莹剔透、美丽完整、质地纯洁的固体，比如钻石、祖母绿等珍贵的宝石。人们为其规则的外形而倾倒，将其看作大自然的鬼斧神工。随着生活范围的扩大，人们在各类矿物中发现了越来越多的这样的固体，它们都有着天然自发形成的几何多面体外形，于是人们将它们都称为晶体。进一步的研究又发现了很多更加有趣的性质，比如它们大都具有固定的熔融温度（熔点），不同方向上光传播的性质可能不一样等。
     为什么晶体会有这样的外形？它们众多的特性由何而来？晶体有着什么样的用途？这些问题不断激发着人们进行探索。随着对于物质内部结构认识的深入，人们发现了晶体的更多秘密。
      现在，大家请随我一起来探索晶体这个绚丽多彩的世界吧！接下介绍*常用的晶体生长方法-气相法，所谓气相法生长晶体，就是将拟生长的晶体材料通过升华、蒸发、分解等过程转化为气相，然后通过适当条件下使它成为饱和蒸气，经冷凝结晶而生长成晶体。气相法晶体生长的特点是：

生长的晶体纯度高；
生长的晶体完整性好；
晶体生长速度慢；
有一系列难以控制的因素，如温度梯度、过饱和比、携带气体的流速等。

目前，气相法主要用于晶须生长和外延薄膜的生长（同质外延和异质外延），而生长大尺寸的块状晶体有其不利之处。

气相法主要可以分为两种：

物理/气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）：用物理凝聚的方法将多晶原料经过气相转化为单晶体，如升华-凝结法、分子束外延法和阴极溅射法；
化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）：通过化学过程将多晶原料经过气相转化为单晶体，如化学传输法、气体分解法、气体合成法和MOCVD法等。

下面是几种常见的气相法晶体生长设备和系统。

升华法

所谓升华法，是在高温区将材料升华，然后输送到冷凝区使其成为饱和蒸气，经过冷凝成核而长成晶体。升华法生长速度慢，主要应用于生长小块晶体，薄膜和晶须，SiC晶体就是用这种方法生长的。此外，为了得到完整性好的晶体，需要控制扩散速度和加惰性气体保护，升华室一般都充有氮气或氩气。

射频溅射法

       所谓射频溅射法晶体生长，是指采用射频溅射的手段使组成晶体的组分原料气化，然后再结晶的技术来生长晶体的方法。
射频溅射是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射沉积方法，其频率区间为5~30MHz，国际上通常采用13.56MHz的频率。主要用来进行薄膜制备，也可以制备小尺寸的晶体。

分子束外延生长
      分子束外延（MBE）技术是指在超高真空条件下，一种或几种组分的热原子束或分子束喷射到加热的衬底表面，与衬底表面反应，沉积生成薄膜单晶的外延工艺。到达衬底表面的组分元素与衬底表面不但要发生物理变化(迁移、吸附和脱附等)，还要发生化学变化(分解、化合等)，*后利用化学性能与衬底结合成为致密的化合物。
      分子束外延的晶体生长速度慢（约1um/h)，生长温度低，可随意改变外延层的组分和进行掺杂，可在原子尺度范围内**地控制外延层的厚度、异质结界面的平整度和掺杂分布，目前已发展到能一个原子层接一个原子层**地控制生长的水平。

分子束外延是制备半导体多层单晶薄膜的外延技术，现在已扩展到金属、绝缘介质等多种材料体系，成为现代外延生长技术的重要组成部分。分子束外延技术是目前生长半导体晶体、半导体超晶格的关键设备，所用的原料纯度非常高。可以制备：III-V族化合物半导体GaAs/AlGaAs、IV族元素半导体Si，Ge、II-VI族化合物半导体ZnS, ZnSe等。

化学气相沉积生长

   化学气相沉积生长法晶体，是将金属的氢化物、卤化物或金属有机物蒸发成气相，或用适当的气体做为载体，输送至使其冷凝的较低温度带内，通过化学反应，在一定的衬底上沉积，形成所需要的固体薄膜材料。薄膜可以是单晶态，也可以是非晶。
化学气相沉积法主要有以下几种类型：
   热分解反应气相沉积：利用化合物的热分解，在衬底表面得到固态薄膜的方法称为热分解反应气相沉积。
       化学反应气相沉积：由两种或两种以上气体物质在加热的衬底表面发生化学反应而沉积成为固态薄膜的方法称为化学反应气相沉积。

文章来源：中国数字科技馆

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