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信息光电材料导论考题答案


一、阐述 III-V 化合物半导体晶体的极性对其性质的影响
1 主要解理面不是{111}而是{110} 2 对一些特定腐蚀剂的表面腐蚀行为不同。B 面电负性大,化学活性强,更易于氧化,对于 含氧化剂的腐蚀剂腐蚀速度:B 面>A 面 3 对晶体生长的影响 对晶体生长的影响 B 面易生长出单晶,晶体位错密度较低面,对杂质的引入,补偿等都有影响 , 4 表面极性还会在晶片加工中引起损伤层厚度,表面完整性等方面存在差异

三、简述不同体系的相变驱动力
答: 在汽相生长系统中的过饱合蒸汽、 熔体生长系统中的过冷熔体以及溶液生长系统中的过 饱合溶液都是亚稳相,而这些系统中的晶体是稳定相。亚稳相的吉布斯自由能较稳定相高, 是亚稳相能够转变为稳定相的原因,也就是促使这种转变的相变驱动力存在的原因。 晶体生长过程实际上是晶体-流体界面向流体中的推移过程。 如果晶体-流体的界面面 积为A,垂直于界面的位移为 ?x ,这个过程中系统的吉布斯自由能的降低为 ?G ,界面上单 位面积的驱动力为 f ,于是上述过程中驱动力所作之功为 f ? A ? ?x 。驱动力所作之功等于 系统的吉布斯自由能的降低,即 fA?x ? ??G ,故有 f ? ??G / ?v ,其中 ?v ? A ? ?x ,是 上述过程中生长的晶体体积。 生长驱动力在数值上等于生长单位体积的晶体所引起的系统的 吉布斯自由能的降低。负号表示界面向流体中位移引起系统自由能降低。 若单个原子由亚稳流体转变为晶体所引起吉布斯自由能的降低为 ?g ,单个原子的体积 为 ? ,单位体积中的原子数为 N ,故有:?G ? N ? ?g ,v ? N ? ? ,所以 f ? ??g / ? 。 若流体为亚稳相, ?g ? 0 ,则 f ? 0 ,表明 f 指向流体,故 f 为生长驱动力。若晶体为亚稳 相, ?g ? 0 ,则 f ? 0 ,指向晶体,故 f 为熔化,升华或溶解驱动力。由于 ?g 和 f 只相差一 个常数,因而也 ?g 称为相变驱动力。 熔体生长系统: 结晶物质在熔点温度 Tm 时, 熔体与晶体两相呈热力学平衡状态, 吉布斯自由能 G 相等:

G m (Tm ) ? G c (Tm ) ,两相间无相变驱动力。根据吉布斯自由能的定义: G ? H ? TS 。可
得: ?G ? ?H m ? Tm ?S ? 0 , ?H ? Tm ?S ? ? Lm ( Lm 为相变潜热) 在熔体发生向晶体的相转变过程中,熔体必须具有一定的过冷度 ?T ? Tm ? T , T 为 熔体的实际温度,这时熔体处于亚稳状态,两相自由能不等,存在相变驱动力。

?G ? G c (T ) ? G m (T ) ? ?H ? (Tm ? ?T )?S ? ?H m ? Tm ?S ? ?T?S ? ?T?S ? ?

?T
Tm

Lm

所以有:过冷度 ?T ? 0 时, ?G ? 0 ? ?g ? 0 ? f ? 0 ,熔体发生到晶体的相变。 稀溶液生长系统: 在溶液和晶体两相平衡体系中,溶液的饱和浓度为 x 0 。在同温等压条件下,当溶液的

s 浓度 x s ? x 0 时,则 x s 为过饱和溶液的浓度,此时溶液处于亚稳态。当晶体处于亚稳态的

溶液中时,晶体就长生。
s 平衡时 G(T ) ? G0 (T ) ? RT ln x0 ,

生长时 ?G ? G (T ) ? G (T ) ? ? RT ln
c s

xs
s x0

? ? RT ln ? ,其中 ? ?

s x s ? x0 为饱和度。 s x0

所以有:当饱和度 ? ? 0 ,即溶液过饱和时, ?G ? 0 ? ?g ? 0 ? f ? 0 ,晶体就能生长。 理想气相生长系统: 在汽体晶体两相平衡体系中,两相平衡温度为 T0 ,其相应的饱和蒸气压为 P0 。若在相 同温度 T0 下,当汽相的蒸气压 P 大于 P0 时,此时蒸气便处于亚稳态,蒸气有凝固的趋势,

P 为过饱和蒸气的蒸气压。
吉布斯自由能的微分表达式可表示为: dG ? ?SdT ? VdP ,其中 S 为体系的熵,V 为 体系的体积。 若将蒸气在 T0 不变的条件下,从 P0 转变为 P ,则:

?G ? G c (T ) ? G v (T ) ? ? dG ? ? VdP ? ?
c P

v

P0

P0

P

RT P dP ? ? RT ln ? ? RT ln ? , 其 P P0

中? ?

P ? P0 , 为 过 饱 和 度 。 所 以 有 : 当 过 饱 和 度 ? ? 0 , 即 P ? P0 时 , P0

?G ? 0 ? ?g ? 0 ? f ? 0 ,气体发生到晶体的相变。
五、为什么胚芽必须大于一定的临界尺度才能成为晶核?
在一定的过饱和度或者过冷度下, 只当晶体胚芽的半径大于某临界半径时晶体才能存在, 才 能自发地成长。具有临界半径的晶体称为晶核。 亚稳流体相中地单个原子或分子转变为稳定相(晶体)中的原子或分子,所引起的吉布斯自 由能的降低为Δg。若晶体中的原子体积或分子体积为Ω,晶体和流体的界面能为σ,则在 亚稳流体相中形成一半径为 r 的球状晶体所引起的吉布斯自由能的改变为

4 3 ?r 3 ?G ? ? ?g ? 4?r 2?

?

上式表示了流体相中出现半径为 r 的球形晶体所引起的吉布斯自由能的变化。ΔG 分为两

项。 第一项是当流体相中出现了晶体时所引起的体自由能的变化, 晶体从流体中生长时流体 相为亚稳相, Δg 为负, 第二项是流体中出现晶体时所引起的界面能的变化, 这一项总为正, 因为界面总是伴随晶体而出现的。 吉布斯自由能与半径的关系如图。由图中可以看出,当 r<r*时,晶体长大则ΔG 增加,晶 体缩小则ΔG 减小,故亚稳流体相中半径小于 r*的晶体不仅不能存在,而且如果存在了也 将自动消失。当 r>r*时,随着晶体长大,ΔG 减小,故半径大于 r*的晶体都能自发地长大。

六、简述非均匀成核的机制及其影响因素。
在外来固体表面上成核是非均匀成核。 在基底表面上成核几率比在体系中的自由空间的成核 几率来的大,基底表面对成核起到了催化作用。在基底表面上成核,常把基底作为一平面, 并将晶核形状作为球冠状,它的表面与基底表面形成浸润角 θ,如图

? mn 为晶核与流体介质相间的比表面能,? ms 为基底与流体介质相间的比表面能,? sn 为晶
核与基底间的比表面能,r 为球冠状晶核的曲率半径。由图可知,球冠状晶核的界面能必须 满足力学平衡的条件,即: ? mn cos? ? ? sm ? ? sn

cos? ?

? sm ? ? sn ? mn
4?r 3 ?g v ? 4?r 2? mn ]( 2 ? cos? )(1 ? cos? ) 2 / 4 ,此即为球冠状晶核的形成功。 3?
?G (r ) ?0 ?r

当球冠状晶核在基底上形成后,体系的吉布斯自由能的变化为

?G(r ) ? [

将此式对 r 求微商,并令

则可求得球冠状晶核的临界曲率半径 rc ? ?

2? mn ? ?g v

把 临界 曲率半 径带 入到吉 布斯 自由能 表达式 中可 求得 形成临 界晶核 所需 要的 形成功

?Gc (rc ) ?

3 3 3 16?? 2? mn (2 ? cos? )(1 ? cos? ) 2 16?? 2? mn 2 ? 3 cos? ? cos3 ? 16?? 2? mn ? ? ? ? ? f (? ) 4 4 3?g v2 3?g v2 3?g v2

{在相同相变驱动力的条件下,对于在自由空间所产生的球状晶核和在外来基底平面上所产 生的晶核相比,两者的临界晶核半径 rc 的大小应该是一样的。当球状晶核形成时,该体系

16?? 2? mn 中的吉布斯自由能的变化,亦即临界晶核的形成功为 ?Gc ? 3?g v2
因此可以得到 ?Gc (rc ) ? ?Gc f (? ) }

3

当 ? ? 180 ? ,cosθ=-1 时, ?Gc (rc ) ? ?Gc ,流体介质与基底介质是完全不浸润的,基底 对成核不起任何催化作用。

当 ? ? 0 ? ,cosθ=1 时, ?Gc (rc ) ? 0 ,介质与基底是完全浸润的,即在基底平面上形成晶 核所需要的形成功为零。 当 0 ? ? ? 180 ? , ? 1 ? cos? ? 1 ,这意味着在基底平面上形成晶核时所需要的形成功小于 在自由空间形成球状晶核所需要的形成功。 从这里可以看出, 不溶性固体基底平面的存在直 接影响晶核的比表面能,从而影响到晶核的形成。 除了现成的固体杂质作为基底来促进成核外。 非均匀成核还受许多因素的影响。 理想平整 的衬底是难以制备的,衬底上往往存在一些表面凹陷,如磨料引起的刻痕、印痕以及微裂缝 等,这些表面凹陷对非均匀成核的影响是十分明显的,往往凹角处优先成核。此外,界面失 配,各种外加力场(如电场、磁场、辐射场以及超声波等)对晶核形成均有影响作用。

七、简述光滑界面的生长动力学过程。
晶体生长动力学的研究内容是基于分子微观运动规律, 寻求晶体生长速率与其生长驱动力之 间的有机联系。 晶体生长机制取决于相界面结构。 晶体的最终形态是由晶体各晶面的相对生 长速率所决定的。外界条件(如杂质、温度、溶液浓度等)能改变晶体的形态。 晶体从汽相中生长、或从溶液中生长,当其生长界面为原子级光滑面时,原子或分子 被吸附到界面上,被吸附的原子通过扩散聚集而形成二维晶核,二维晶核一旦出现,体系就 增加了棱边能, 此棱边能的效应与三维晶核中界面能效应类似, 它构成了二维晶核的热力学 势垒。因此,只有当二维晶核尺寸达到临界大小时才能自发地生长。当二维晶核台阶形成之 后,在生长驱动力的作用下,台阶沿面运动,扫过整个晶面。 设一个二维临界晶核的台阶扫过整个晶面所需要的时间是 ts, 光滑面连续两次成核的周期 tn, 当 tn>>ts 时,表明二维晶核形成后,在新的二维晶核再次形成以前,连续两次在二维晶核 形成之后, 有足够的时间让该晶核的台阶扫过整个晶面, 于是下一次二维晶核将在新的晶面 上形成,这时每隔时间 tn,晶面就生长一层原子或分子层。这种生长方式称为单二维晶核生 长。 当 tn<<ts 时,表明单二维晶核生长的台阶扫过整个生长界面所需的时间远远超过连续两次 成核的时间间隔, 因而晶面每增长一个原子层, 需要两个以上的二维晶核, 这样的生长方式, 成为多二维晶核生长。 在二维晶核形成之后,所出现地台阶在生长驱动力作用下,沿面运动,当台阶扫过整个晶面 时,则晶体生长一层原子或分子厚度。因此,只有当二维晶核尺寸达到临界大小时才能自发 地生长。在一层铺完以后,在新地完整晶面上需要再形成二维晶核,再出现台阶,原子又相 继地堆砌起来。晶体以一层一层的原子厚度生长。

八、为什么晶体常表现为具有一定的对称的形状? 理想的晶体中, 全同的结构基元在空间上无限的周期地重复排列着,结构基 元可以是一个原子,分子,离子,也可以是一个原子集团,晶体各种粒子的空间 关系及其相互作用力决定晶体的空间对称性、晶体的结构及其物理性质,晶体性 质的主要特点是均匀、不连续和 九、何为热量和质量运输?比较熔体、液体和气相生长中运输的种类和工程的 不同,阐述其在晶体生长过程中的重要性, 。 晶体生长是空间不连续与非均匀化的过程,需要外界的驱动才能完成。晶体 往往从浓度或相不同的界面外生长,结晶潜热必须及时地从界面外输运出去,然 后才能凝固。 晶体从稀薄环境相中生长,生长基元首先从生长体系的其它部位输 运到界面,然后再进行界面反应,输运过程是晶体生长的一个重要阶段,输运效

应对晶体生长速率起限制作用,并支配着生长界面的稳定性。 晶体生长的输运过程主要包括热量,质量和动量等,各种不同的输运效应是相互 联系的。 从熔体中生长单晶,需要靠热量输运来实现,热量输运过程还起到了限制 生长速率的作用。 结晶作用靠体系中的温度梯度所造成局部过程来驱动的,只要 体系中存在温度梯度就会产生热量输运。 控制热量的输运过程能提供一个合适而 稳定的温场,是生长高质量单晶的一个关键因素。 汽相生长单晶,气体的对流扩散是晶体生长的一个重要阶段,这里的扩散 是质量输运过程,扩散速率会起到限制生长速率的作用,汽相生长的必要条件, 就是结晶物质必须有足够高的蒸汽压, 在开管装置中一般用惰性气体作为运载气 体,以改善质量的输运效应,在闭管中,晶体生长的质量输运全靠气体扩散来进 行。 水溶液中晶体生长时, 可以分为两个主要阶段,第一阶段是晶体物质向生长 界面的扩散过程,第二阶段是聚集在生长界面结晶物质进入晶格座位的反应过 程,假若整体溶液的浓度位 C,相同条件下,该溶液的饱和浓度为 C0,而晶体 生长界面处的浓度为 C1,当晶体生长时,应有 C>C1>C0,,当晶体生长时,包围 生长界面的溶液形成厚度为???的扩散层,在此层的溶液浓度发生急剧的变 化,有浓度 C 下降为 C1,仅存在扩散作用,当 C1 与 C0 之差越大,结晶物质进 入晶格的反应速率也越大。



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