信息光電材料導論考題答案

一、闡述III-V化合物半導體晶體的極性對其性質的影響1主要解理面不是{111}而是{110}2對一些特定腐蝕劑的表面腐蝕行為不同。B面電負性大，化學活性強，更易于氧化，對于含氧化劑的腐蝕劑腐蝕速度：B面＞A面3對晶體生長的影響對晶體生長的影響B(tài)面易生長出單晶，晶體位錯密度較低面，對雜質的引入，補償?shù)榷加杏绊懀?表面極性還會在晶片加工中引起損傷層厚度，表面完整性等方面存在差異三、簡述不同體系的相變驅動力答：在汽相生長系統(tǒng)中的過飽合蒸汽、熔體生長系統(tǒng)中的過冷熔體以及溶液生長系統(tǒng)中的過飽合溶液都是亞穩(wěn)相，而這些系統(tǒng)中的晶體是穩(wěn)定相。亞穩(wěn)相的吉布斯自由能較穩(wěn)定相高，是亞穩(wěn)相能夠轉變?yōu)榉€(wěn)定相的原因，也就是促使這種轉變的相變驅動力存在的原因。晶體生長過程實際上是晶體－流體界面向流體中的推移過程。如果晶體－流體的界面面積為Ａ，垂直于界面的位移為,這個過程中系統(tǒng)的吉布斯自由能的降低為，界面上單位面積的驅動力為，于是上述過程中驅動力所作之功為。驅動力所作之功等于系統(tǒng)的吉布斯自由能的降低，即，故有,其中，是上述過程中生長的晶體體積。生長驅動力在數(shù)值上等于生長單位體積的晶體所引起的系統(tǒng)的吉布斯自由能的降低。負號表示界面向流體中位移引起系統(tǒng)自由能降低。若單個原子由亞穩(wěn)流體轉變?yōu)榫w所引起吉布斯自由能的降低為，單個原子的體積為，單位體積中的原子數(shù)為，故有：，，所以。若流體為亞穩(wěn)相，,則,表明指向流體，故為生長驅動力。若晶體為亞穩(wěn)相，,則，指向晶體，故為熔化,升華或溶解驅動力。由于和只相差一個常數(shù)，因而也稱為相變驅動力。熔體生長系統(tǒng)：結晶物質在熔點溫度時，熔體與晶體兩相呈熱力學平衡狀態(tài)，吉布斯自由能相等：，兩相間無相變驅動力。根據(jù)吉布斯自由能的定義：?？傻茫?，（為相變潛熱）在熔體發(fā)生向晶體的相轉變過程中，熔體必須具有一定的過冷度，為熔體的實際溫度，這時熔體處于亞穩(wěn)狀態(tài)，兩相自由能不等，存在相變驅動力。所以有：過冷度時，，熔體發(fā)生到晶體的相變。稀溶液生長系統(tǒng)：在溶液和晶體兩相平衡體系中，溶液的飽和濃度為。在同溫等壓條件下，當溶液的濃度時，則為過飽和溶液的濃度，此時溶液處于亞穩(wěn)態(tài)。當晶體處于亞穩(wěn)態(tài)的溶液中時，晶體就長生。平衡時，生長時，其中為飽和度。所以有：當飽和度，即溶液過飽和時，，晶體就能生長。理想氣相生長系統(tǒng)：在汽體晶體兩相平衡體系中，兩相平衡溫度為，其相應的飽和蒸氣壓為。若在相同溫度下，當汽相的蒸氣壓大于時，此時蒸氣便處于亞穩(wěn)態(tài)，蒸氣有凝固的趨勢，為過飽和蒸氣的蒸氣壓。吉布斯自由能的微分表達式可表示為：，其中為體系的熵，為體系的體積。若將蒸氣在不變的條件下，從轉變?yōu)?，則：，其中，為過飽和度。所以有：當過飽和度，即時，，氣體發(fā)生到晶體的相變。五、為什么胚芽必須大于一定的臨界尺度才能成為晶核？

在一定的過飽和度或者過冷度下，只當晶體胚芽的半徑大于某臨界半徑時晶體才能存在，才能自發(fā)地成長。具有臨界半徑的晶體稱為晶核。亞穩(wěn)流體相中地單個原子或分子轉變?yōu)榉€(wěn)定相（晶體）中的原子或分子，所引起的吉布斯自由能的降低為Δg。若晶體中的原子體積或分子體積為Ω，晶體和流體的界面能為σ，則在亞穩(wěn)流體相中形成一半徑為r的球狀晶體所引起的吉布斯自由能的改變?yōu)樯鲜奖硎玖肆黧w相中出現(xiàn)半徑為r的球形晶體所引起的吉布斯自由能的變化。ΔG分為兩項。第一項是當流體相中出現(xiàn)了晶體時所引起的體自由能的變化，晶體從流體中生長時流體相為亞穩(wěn)相，Δg為負，第二項是流體中出現(xiàn)晶體時所引起的界面能的變化，這一項總為正，因為界面總是伴隨晶體而出現(xiàn)的。吉布斯自由能與半徑的關系如圖。由圖中可以看出，當r<r*時，晶體長大則ΔG增加，晶體縮小則ΔG減小，故亞穩(wěn)流體相中半徑小于r*的晶體不僅不能存在，而且如果存在了也將自動消失。當r>r*時，隨著晶體長大，ΔG減小，故半徑大于r*的晶體都能自發(fā)地長大。六、簡述非均勻成核的機制及其影響因素。在外來固體表面上成核是非均勻成核。在基底表面上成核幾率比在體系中的自由空間的成核幾率來的大，基底表面對成核起到了催化作用。在基底表面上成核，常把基底作為一平面，并將晶核形狀作為球冠狀，它的表面與基底表面形成浸潤角θ，如圖為晶核與流體介質相間的比表面能，為基底與流體介質相間的比表面能，為晶核與基底間的比表面能，r為球冠狀晶核的曲率半徑。由圖可知，球冠狀晶核的界面能必須滿足力學平衡的條件，即：

當球冠狀晶核在基底上形成后，體系的吉布斯自由能的變化為，此即為球冠狀晶核的形成功。將此式對r求微商，并令則可求得球冠狀晶核的臨界曲率半徑把臨界曲率半徑帶入到吉布斯自由能表達式中可求得形成臨界晶核所需要的形成功{在相同相變驅動力的條件下，對于在自由空間所產(chǎn)生的球狀晶核和在外來基底平面上所產(chǎn)生的晶核相比，兩者的臨界晶核半徑的大小應該是一樣的。當球狀晶核形成時，該體系中的吉布斯自由能的變化，亦即臨界晶核的形成功為因此可以得到}當，cosθ＝－1時，，流體介質與基底介質是完全不浸潤的，基底對成核不起任何催化作用。當，cosθ＝1時，，介質與基底是完全浸潤的，即在基底平面上形成晶核所需要的形成功為零。當，，這意味著在基底平面上形成晶核時所需要的形成功小于在自由空間形成球狀晶核所需要的形成功。從這里可以看出，不溶性固體基底平面的存在直接影響晶核的比表面能，從而影響到晶核的形成。除了現(xiàn)成的固體雜質作為基底來促進成核外。非均勻成核還受許多因素的影響。理想平整的襯底是難以制備的，襯底上往往存在一些表面凹陷，如磨料引起的刻痕、印痕以及微裂縫等，這些表面凹陷對非均勻成核的影響是十分明顯的，往往凹角處優(yōu)先成核。此外，界面失配，各種外加力場（如電場、磁場、輻射場以及超聲波等）對晶核形成均有影響作用。七、簡述光滑界面的生長動力學過程。晶體生長動力學的研究內容是基于分子微觀運動規(guī)律，尋求晶體生長速率與其生長驅動力之間的有機聯(lián)系。晶體生長機制取決于相界面結構。晶體的最終形態(tài)是由晶體各晶面的相對生長速率所決定的。外界條件（如雜質、溫度、溶液濃度等）能改變晶體的形態(tài)。晶體從汽相中生長、或從溶液中生長，當其生長界面為原子級光滑面時，原子或分子被吸附到界面上，被吸附的原子通過擴散聚集而形成二維晶核，二維晶核一旦出現(xiàn)，體系就增加了棱邊能，此棱邊能的效應與三維晶核中界面能效應類似，它構成了二維晶核的熱力學勢壘。因此，只有當二維晶核尺寸達到臨界大小時才能自發(fā)地生長。當二維晶核臺階形成之后，在生長驅動力的作用下，臺階沿面運動，掃過整個晶面。設一個二維臨界晶核的臺階掃過整個晶面所需要的時間是ts，光滑面連續(xù)兩次成核的周期tn,當tn>>ts時，表明二維晶核形成后，在新的二維晶核再次形成以前，連續(xù)兩次在二維晶核形成之后，有足夠的時間讓該晶核的臺階掃過整個晶面，于是下一次二維晶核將在新的晶面上形成，這時每隔時間tn，晶面就生長一層原子或分子層。這種生長方式稱為單二維晶核生長。當tn<<ts時，表明單二維晶核生長的臺階掃過整個生長界面所需的時間遠遠超過連續(xù)兩次成核的時間間隔，因而晶面每增長一個原子層，需要兩個以上的二維晶核，這樣的生長方式，成為多二維晶核生長。在二維晶核形成之后，所出現(xiàn)地臺階在生長驅動力作用下，沿面運動，當臺階掃過整個晶面時，則晶體生長一層原子或分子厚度。因此，只有當二維晶核尺寸達到臨界大小時才能自發(fā)地生長。在一層鋪完以后，在新地完整晶面上需要再形成二維晶核，再出現(xiàn)臺階，原子又相繼地堆砌起來。晶體以一層一層的原子厚度生長。八、為什么晶體常表現(xiàn)為具有一定的對稱的形狀？理想的晶體中，全同的結構基元在空間上無限的周期地重復排列著，結構基元可以是一個原子，分子，離子，也可以是一個原子集團，晶體各種粒子的空間關系及其相互作用力決定晶體的空間對稱性、晶體的結構及其物理性質，晶體性質的主要特點是均勻、不連續(xù)和九、何為熱量和質量運輸？比較熔體、液體和氣相生長中運輸?shù)姆N類和工程的不同，闡述其在晶體生長過程中的重要性，。晶體生長是空間不連續(xù)與非均勻化的過程，需要外界的驅動才能完成。晶體往往從濃度或相不同的界面外生長，結晶潛熱必須及時地從界面外輸運出去，然后才能凝固。晶體從稀薄環(huán)境相中生長，生長基元首先從生長體系的其它部位輸運到界面，然后再進行界面反應，輸運過程是晶體生長的一個重要階段，輸運效應對晶體生長速率起限制作用，并支配著生長界面的穩(wěn)定性。晶體生長的輸運過程主要包括熱量，質量和動量等，各種不同的輸運效應是相互聯(lián)系的。從熔體中生長單晶，需要靠熱量輸運來實現(xiàn)，熱量輸運過程還起到了限制生長速率的作用。結晶作用靠體系中的溫度梯度所造成局部過程來驅動的，只要體系中存在溫度梯度就會產(chǎn)生熱量輸運。控制熱量的輸運過程能提供一個合適而穩(wěn)定的溫場，是生長高質量單晶的一個關鍵因素。汽相生長單晶，氣體的對流擴散是晶體生長的一個重要階段，這里的擴散是質量輸運過程，擴散速率會起到限制生長速率的作用，汽相生長的必要條件，就是結晶物質必須有足夠高的蒸汽壓，在開管裝置中一般用惰性氣體作為運載氣體，以改善質量的輸運效應，在閉管中，晶體生長的質量輸運全靠氣體擴散來進行。水溶液中晶體生長時，可以分為兩個主要階段，第一階段