晶体生长课件.ppt

*************************************提拉法（布里奇曼法）1装料与熔化将原料装入锥形底部坩埚并完全熔化2温度梯度建立在坩埚顶部与底部间形成控制良好的温度梯度3坩埚下降将坩埚从热区慢慢降入冷区，使熔体从底部开始凝固布里奇曼法是一种通过控制温度梯度和坩埚移动来实现定向凝固的熔体生长技术。它的关键在于建立稳定的温度梯度，使熔体与晶体之间形成平坦或轻微凸向熔体的界面，从而促进单晶生长并抑制多晶形成。布里奇曼法的主要优势在于设备简单、操作相对容易且成本较低。它特别适合生长熔点较高、蒸气压较大或对氧敏感的材料，如III-V族半导体、II-VI族半导体和某些光学晶体。然而，由于晶体与坩埚接触，可能引入应力和污染，这是需要克服的主要挑战。区域熔炼法1原理与特点区域熔炼法是通过在棒状样品上创建并移动窄熔区来实现材料纯化和晶体生长的技术。当熔区通过时，杂质根据其分配系数在固液界面重新分布，多数杂质会富集在液相中并随熔区移动。2设备与操作典型设备包括射频加热线圈、电子束或光学加热系统，用于创建窄熔区。操作时，加热源相对于样品移动，或样品相对于固定加热源移动。重复多次熔区通过可显著提高纯化效果。3应用与限制区域熔炼法主要用于高纯度材料制备，如超纯硅、锗等半导体材料，以及某些金属和合金的纯化。它的局限性包括只适用于分配系数不等于1的杂质纯化，且样品需具有合适的机械和热性能以支持悬浮熔区。浮区法1无容器生长技术浮区法是一种无坩埚的熔体生长技术，利用表面张力支撑窄熔区，避免了容器污染。熔区通常由聚焦光、射频感应或电子束加热形成。这种方法特别适合对杂质敏感或与坩埚材料反应的高熔点材料。2操作要点浮区生长过程中，关键是保持熔区稳定性。这受熔区高度、加热功率、生长速率和旋转速度影响。熔区高度与材料表面张力、密度和重力有关。通常需要精确控制气氛和压力，有时还需应用磁场以抑制对流。3典型应用浮区法广泛用于生长高品质的氧化物单晶（如高温超导体、磁性材料）、高纯硅和特种金属材料。它能生产出高纯度、低缺陷密度的晶体，但晶体直径通常受限于熔区稳定性，一般较小，且生长速率较慢。气相生长法概述基本原理气相生长法基于物质从气相沉积并形成晶体的过程。气相中的生长物质通过物理或化学途径转化为固体，在适当基底上形成晶体。这种方法能够在相对低温下生长高熔点材料，且可精确控制组分和掺杂。主要分类气相生长法主要分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。PVD包括真空蒸发、溅射和分子束外延等；CVD包括热CVD、等离子体增强CVD和金属有机化合物CVD等。不同方法有其特定的应用领域和优势。技术优势气相生长法具有生长温度低、可控性高、适合生长薄膜和多层结构的优势。它能生产出纯度高、缺陷少的晶体，特别适合半导体工业中的精密薄膜制备。然而，设备复杂、成本较高，且大尺寸晶体生长困难是其局限。物理气相沉积（PVD）真空蒸发源材料在高真空中被加热到蒸发或升华温度，蒸汽分子沿直线路径传输并在基底表面沉积。加热方式包括电阻加热、电子束轰击、激光烧蚀等。这是最简单的PVD方法，适用于金属和某些半导体材料。溅射沉积使用高能离子或等离子体轰击目标材料，使表面原子脱离并沉积到基底上。溅射可在较低真空下进行，适用范围广，膜层均匀性好，但沉积速率较低，且可能引入辐射损伤。分子束外延在超高真空环境中，精确控制的分子束朝向单晶基底表面喷射，形成与基底晶格匹配的外延层。这是最精密的PVD技术，可实现原子层级的沉积控制，但设备复杂、成本高。化学气相沉积（CVD）前驱体输送含有目标元素的气体前驱体（如SiH4、TiCl4）被输送到反应室。前驱体选择至关重要，它需具备适当的挥发性、热稳定性和反应活性，且不应产生有害副产物。化学反应前驱体在高温下或在等离子体、光照等激活条件下发生化学反应，分解或与其他反应气体（如H2、O2、NH3）结合。反应可能在气相中或基底表面上进行，决定了沉积特性。表面沉积反应产物在加热的基底表面沉积，形成薄膜或晶体。沉积质量受基底温度、气体流量、压力和基底特性影响。完善的工艺控制可实现高质量单晶、多晶或非晶薄膜的可控生长。副产物排出反应副产物和未反应气体被从反应室排出。合理的气体流动设计对防止副产物污染沉积层和维持反应环境稳定至关重要。分子束外延（MBE）分子束外延是一种在超高真空条件下（通常10^-10托）进行的精密晶体生长技术。它使用热源蒸发或升华材料，形成定向分子束，这些分子束在精确控制下沉积到衬底表面，形成晶格匹配的外延层。MBE的独特之处在于它能实现原子层级的生长控制