03章--硅锗晶体生长.

硅晶体生长技术的研究及优化随着信息时代的发展，电子技术得到了迅猛的发展。

而硅材料作为半导体材料之一，因其良好的性能、工艺成熟等原因成为了电子工业中最常用的基础材料之一。

硅晶体生长技术的研究及优化对于提高硅材料的质量、提升硅片制备工艺和推进电子工业的发展具有重要意义。

一、硅晶体生长技术的发展历程及主要方法硅晶体生长技术是从20世纪初开始的。

早期的生长工艺主要是物理化学气相沉积（CVD）及其他化学气相沉积（MOCVD等）等技术，但这些方法的应用受到了一定的限制，如成本较高、材料质量无法保证、生长速率较慢等。

而对于硅晶体生长技术的研究及优化，使得这一技术的应用得到了很大的提升。

近年来，硅晶体生长技术得到了很大的发展。

如时光生长法、CZ（Czochralski）法、FZ（Float Zone）法等技术逐渐成熟，广泛应用于半导体领域。

其中，CZ法、FZ法则是目前应用广泛的两种硅晶体生长技术。

CZ法是一种单晶硅生产方法，是通过Czochralski晶体生长法生产的。

该方法将沿用最早的硅晶体生长方法，通过将熔体逐渐制冷至室温，长出单晶硅材料。

该方法可以使晶体直径较大，晶体品质较高，但晶体生长速度较慢，仅能生长数毫米/小时。

FZ法则是通过浮动区晶体生长法（Float Zone）生产的，该法原理是利用感应加热将硅棒或硅片加热至某一温度区间内，随后使用合适的磁场，以形成带电的哈斯电流，通过哈斯电流的电磁力和电阻排斥将半导体材料加热至熔点，形成了流动的硅材料。

FZ法的优点是生长速度较快，晶体品质较高，有较高的利用率以及较低的环境污染等比较显著的优势。

二、硅晶体生长技术的优化及应用随着硅晶体生长技术的不断升级，为了使晶体的品质更好、物理特性更稳定，优化与改进已成为重要的研究方向之一。

一些新的方法和技术被引入了这一领域，如超声波晶体生长技术、离子辅助晶体生长技术以及磁构取向生长技术等等。

其中，超声波晶体生长技术是针对硅晶体生产过程中微观级别存在的某些问题而被提出的一种方法。

第三章、晶体生长一、名次解释：⑴均匀成核：在亚稳定相中空间个点出现稳定相的几率相等的成核过程，是在体系中直接形成的自发过程。

⑵*非均匀成核：稳定相优先出现在体系中的某些局部区域的成核过程，如在体系中的外来质点（尘埃、籽晶、衬底等）上的成核。

⑶成核过程：在一定的驱动力下，借助于能量涨落越过位垒而形成晶核的过程。

⑷临界半径：在晶体成核过程中，体系自由能总的变化量ΔG达到最大时所对应的半径r*称为临界半径。

⑸*自然对流：在重力场中由于温度的不均匀，导致热膨胀的差异从而引起流体密度的差异产生浮力。

当浮力克服了粘滞力，自然对流就发生。

⑹强迫对流：人为对熔体进行搅拌（晶体和坩埚旋转、磁场）造成的对流，由离心力、向心力最终由表面张力的梯度驱动。

2、*分别写出均匀成核与非均匀成核的临界晶核半径、形核功并说明为什么通常非均匀成核比均匀成核要容易？答：3、*简述Kossel模型和Frank模型要点。

答：⑴Kossel模型要点：在晶格上的不同位置，吸附原子的稳定性是不同的，和吸附原子与晶体表面上最近邻、次近邻原子间相互作用情况有关。

晶体表面不同格点位置所受的吸引力是不相同的。

(*完整突变光滑面)⑵*Frank模型要点：在生长晶面上，螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源（自然二维晶核），当生长基元（原子或分子）扩散到台阶处，台阶便向前推进，晶体就生长了。

（*非完整突变光滑面）4、写出杰克逊因子的表达式并指出各参数的物理意义。

答：*杰克逊因子（相变熵）：α=L0/kT E·y1/ν第一因子：L0/kT E，它取决于体系的热力学性质，L0为单个原子相变时内能的改变，可近似的看成相变潜热，L0/T E为单个原子的相变熵。

第二因子：y1/ν，取决于晶体结构和晶界的取向，v为晶体内部一个原子的近邻原子数，y1为原子在界面内水平方向的近邻原子数。

此因子叫作取向因子，反应出晶体的各向异性。

5、写出熔体生长时单晶炉内热场的基本要求并作出解释（合理热场的基本条件）。

硅基锗材料的外延生长及其应用摘要:硅是最重要的半导体材料,在信息产业中起着不可替代的作用。

但是硅材料也有一些物理局限性,比如它是间接带隙半导体材料,它的载流子迁移率低,所以硅材料的发光效率很低,器件速度比较慢。

在硅衬底上外延生长其它半导体材料,可以充分发挥各自的优点,弥补硅材料的不足。

本文介绍了硅衬底上的锗材料外延生长技术进展,讨论了该材料在微电子和光电子等方面的可能应用,重点介绍了它在硅基高速长波长光电探测器研制方面的应用。

关键词:硅基;锗,外延;光电探测器Epitaxy and application of Ge layer on Silicon substrateHuiwen Nie1, Buwen Cheng2(1.Hunan Chemical Engineering Machinery School, Hunan Industrial Technology College2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Instituteof Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083)Abstract: Silicon is the most important semiconductor material and it is irreplaceable in the information industry. But Silicon also has some shortcomings, such as very low luminescence efficiency and low device speed due to the indirect bandgap and low carrier mobility. Growing other semiconductors on Si substrate can take the advantages of the different semiconductors and improve the performance of theSi-based devices and integrated circuits. The progress of Ge growth on Si was introduced in the paper. The application of the Si-based Ge epitaxy layer was discussed, especially the application on Si-based high speed photodetectors operating at long wavelength.Key words: Si-based, Germanium, Epitaxy, Photodetector1引言硅基光电集成将微电子技术和光子学技术进行融合,是微电子技术的继承和发展,是信息技术发展的重要前沿研究领域。

1-1第三章晶体硅材料§3.1 硅的基本性质§3.2 太阳电池用硅材料§3.3 单晶硅的制备§3.4 高纯多晶硅的制备§3.5 硅晶片加工1-2§3.1 硅的基本性质硅材料是半导体行业中最重要且应用最广的元素半导体，是微电子工业和太阳能光伏工业的基础材料。

它既具有元素含量含量丰富、化学稳定性好、无环境污染等优点，又具有良好的半导体特性。

硅材料有多种晶体形式，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，应用于太阳电池工业领域的硅材料包括直拉单晶硅、薄膜非晶硅、铸造多晶硅、带状多晶硅和薄膜多晶硅，他们有各自的优缺点，其中直拉单晶硅和铸造多晶硅应用最为广泛，占太阳能光电材料的90%左右。

1-3晶体硅单晶硅天然石英（SiO 2）1-4硅是地壳中最丰富的元素之一，仅次于氧，在地壳中的丰度到达26%左右，硅在常温下其化学性质是稳定的，是具有灰色金属光泽的固体，不溶于单一的酸，易溶于某些混合酸和混合碱，在高温下很容易与氧等化学物质反应。

所以自然界中没有游离的单质硅存在，一般以氧化物存在，是常用硅酸盐的主要元素。

硅在元素周期表中属于IV 元素，晶体硅在常压下为金刚石结构，熔点为1414℃。

硅材料还具有一些特殊的物理化学性能，如硅材料熔化时体积缩小，固化时体积增大。

硅材料的硬度大，但脆性大，易破碎；作为脆性材料，硅材料的抗拉应力远远大于抗剪切应力，在室温下没有延展性；在热处理温度大于750℃时，硅材料由脆性材料转变为塑性材料，在外加应力的作用下，产生滑移位错，形成塑性变形。

1-51-6§3.1.1 半导体特性①在纯净的硅中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—这是半导体最显著、最突出的特性。

②当环境温度升高一些时，硅的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，硅的导电能力就显著的下降—这种特性称为“热敏”。

③当有光线照射在硅上时，这些硅就像导体一样，导电能力很强；当没有光照射时，这些硅就像绝缘体一样不导电，这种特性特性称为“光敏”。