晶體生長方法氣相法

日期：2025-07-01 18:57

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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(zhì)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(kuò)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(jìn)一步的研究又發(fā)現(xiàn)了很多更加有趣的性質(zhì)，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(zhì)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(jìn)...

      晶體是什么？在人們思想中，晶體是晶瑩剔透、美麗完整、質(zhì)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(kuò)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(jìn)一步的研究又發(fā)現(xiàn)了很多更加有趣的性質(zhì)，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(zhì)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(jìn)行探索。隨著對于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)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(zhuǎn)化為氣相，然后通過適當(dāng)條件下使它成為飽和蒸氣，經(jīng)冷凝結(jié)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(zhì)外延和異質(zhì)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(zhuǎn)化為單晶體，如升華-凝結(jié)法、分子束外延法和陰極濺射法；
化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition,CVD）：通過化學(xué)過程將多晶原料經(jīng)過氣相轉(zhuǎn)化為單晶體，如化學(xué)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(shè)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(yīng)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(kuò)散速度和加惰性氣體保護(hù)，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(jié)晶的技術(shù)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(jìn)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(shù)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(yīng)，沉積生成薄膜單晶的外延工藝。到達(dá)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(xué)變化(分解、化合等)，*后利用化學(xué)性能與襯底結(jié)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(jìn)行摻雜，可在原子尺度范圍內(nèi)**地控制外延層的厚度、異質(zhì)結(jié)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(dǎo)體多層單晶薄膜的外延技術(shù)，現(xiàn)在已擴(kuò)展到金屬、絕緣介質(zhì)等多種材料體系，成為現(xiàn)代外延生長技術(shù)的重要組成部分。分子束外延技術(shù)是目前生長半導(dǎo)體晶體、半導(dǎo)體超晶格的關(guān)鍵設(shè)備，所用的原料純度非常高。可以制備：III-V族化合物半導(dǎo)體GaAs/AlGaAs、IV族元素半導(dǎo)體Si，Ge、II-VI族化合物半導(dǎo)體ZnS, ZnSe等。

化學(xué)氣相沉積生長

   化學(xué)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(jī)物蒸發(fā)成氣相，或用適當(dāng)?shù)臍怏w做為載體，輸送至使其冷凝的較低溫度帶內(nèi)，通過化學(xué)反應(yīng)，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(xué)氣相沉積法主要有以下幾種類型：
   熱分解反應(yīng)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(yīng)氣相沉積。
       化學(xué)反應(yīng)氣相沉積：由兩種或兩種以上氣體物質(zhì)在加熱的襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而沉積成為固態(tài)薄膜的方法稱為化學(xué)反應(yīng)氣相沉積。

文章來源：中國數(shù)字科技館

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