根據晶體生長的三種主要形式，半導體晶體材料的制備技術也主要分為三大類，即液相生長晶體技術、氣相生長晶體技術以及固相生長晶體技術。其中，液相生長晶體技術又可分為熔體生長和溶液生長兩種情況。

1. 液相生長晶體技術——熔體生長

熔體生長晶體技術的原理十分簡單，即先將原材料熔化為熔體，之後再在熔體中生長出晶體。這種工藝的優點是生長速度快，可以達到數厘米每小時。其生長速度主要依靠熱輸運，而非物質輸運。

但是這種工藝對材料有一定的要求。首先，材料必須是同質熔化，即其在熔化過程中的成分不會發生變化。因此，釔鋁石榴石就不能使用這種方法制備；其次，要保證材料在熔化前不會分解。基於此，SiC這種材料不能使用該方法制備；最後，材料在室溫和熔點之間不會發生相變。也就是說，在從室溫將材料加熱至其熔點的過程中，材料的相屬性保持不變，SiO2無法滿足這一要求，因此也不能使用這種方法制備。

這種方法的另一優勢是能制備體積較大的體單晶（塊狀單晶）。根據具體工藝的不同，其又可大致細分為直拉法(Czochralski)、液封提拉法(LEC)、佈裡滋曼法(Bridgman)和區熔法(Floating zone)等。

1-1 直拉法(Czochralski)

首先來看直拉法(Czochralski)，這是制備半導體單晶最常用的技術。其大概流程為：將經過提純後的原料置於坩堝中，而坩堝則置於適當的熱場中。在加熱過程中，原料在坩堝中逐漸熔化。此後，提拉預先放置的籽晶，並以一定的速度旋轉，進而生長出符合條件的單晶。具體過程如下圖所示。

直拉法

總的來說，這種工藝的優點包括：(1) 可以較快速度獲得大直徑的單晶；(2) 可采用“回熔”和“縮頸”工藝來控制成本和效率；(3) 可觀察到晶體的生長情況，進而有效地控制晶體的生長。而其缺點主要為：該工藝采用坩堝作為容器，在晶體生長過程中，高溫可能導致坩堝中的原子擴散至熔體中，進而導致不同程度的污染。

1-2 液封提拉法(LEC)

如下圖所示，該方法中會使用透明、惰性的液體層(一般是B2O3)浮於熔體表面進而起到密封作用。這一液體層的存在保證使用熔體生長技術可以生長具有較高蒸汽壓的材料，此外，液體層還能阻止熔體與坩堝和保護氣等發生反應。不過，B2O3存在被污染的風險，而且其在溫度低於1000℃時太過粘稠，會影響熔體的流動。

液封提拉法(LEC)

1-3 佈裡滋曼法(Bridgman)

在佈裡滋曼法(Bridgman)中，籽晶保持靜止不動，通過移動加熱線圈或坩堝來實現原料的逐步熔化。如下圖所示，當裝有原料的坩堝在具有一定的溫度梯度的結晶爐中緩慢下降時，熔體便會在坩堝內自下而上結晶為晶體。

佈裡滋曼法(Bridgman)

佈裡滋曼法的優點是：(1) 操作簡單，晶體的形狀可由容器的形狀而定；(2) 原料密封在坩堝內，減少瞭揮發造成的影響，可以較好地控制晶體的成分；(3) 可同時放入若幹個坩堝進行生長，提高效率。但其也存在晶體與坩堝接觸，易引入較大內應力和較多雜質以及很難觀察到晶體生長過程等缺點。這種工藝比較適於應用於制備熔體中含有揮發性成分的物質的晶體 (III-V化合物，GaAs、InP、GaSb和II-VI化合物，CdTe) 以及三元化合物晶體 (如GaxIn1-xAs, GaxIn1-xSb)。

1-4 區熔法(Floating zone)

區熔法，如下圖所示，主要采用感應線圈加熱，熔區自下而上移動或晶體向下移動，逐漸完成整個結晶過程。

區熔法(Floating zone)

這種工藝的優點在於：(1) 特別適宜那些在熔點溫度時具有非常強的溶解能力（或反應活性）的材料；(2)可生長熔點極高的材料，如高熔點的氧化物單晶、碳化物單晶以及難熔金屬單晶等。但這種工藝也存在熔體混合不良、晶體徑向均勻性差以及對設備要求較嚴格等缺點。

2. 液相生長晶體技術——溶液生長晶體技術

這種技術的特點是將物質溶化在其他溶劑中，之後再生長成晶體。可以用來制備納米晶體、體晶體以及薄膜晶體等。這種技術要求：(1) 溶劑高純，且不溶於晶體；(2) 原材料可以溶解再溶液中。根據實現該技術的手段的差異，主要發展出瞭降溫法、恒溫蒸發法、溫差水熱法以及其他溶劑生長等方法。

2-1 降溫法

首先，在一定溫度下配置飽和溶液。之後，在封閉狀態下，保持溶劑總量不變而逐漸降低溫度，使溶液處於過飽和狀態。當達到過飽和狀態，溶質將逐漸從溶液中析出，並不斷在籽晶上結晶，進而實現晶體的生長，

2-2 恒溫蒸發法

這種方法主要是在一定的溫度和壓力條件下，靠溶劑的不斷蒸發使得溶液處於過飽和狀態，從而促進晶體的析出和長大。其優點在於由於溫度保持恒定，因此晶體的應力較小。但是也存在由於難以精確控制蒸發量而很難長出大塊晶體的問題。

2-3 溫差水熱法

這種方法使利用溶劑在高溫或高壓下會增加對溶質的溶解度和反應速度的特性，來生長常溫常壓下不易溶解的晶體。其優勢在於可以生長存在相變(如SiO2)、形成玻璃體以及在熔點時不穩定等特征的晶體。但是由於高溫、高壓的工作條件，一般需要配備高壓釜以及相應的安全保護措施。

2-4 其他溶劑生長

這種方法主要是將制備半導體的原材料溶解於熔鹽或金屬等其他溶劑中，進而實現晶體的生長。例如，利用PbO、PbF2、B2O3、KF等熔鹽作為溶劑可以制備熔點非常高的氧化物，如釔鋁石榴石；還可在金屬Ga溶劑中生長所需的GaAs晶體（要求Ga含量占比超過50%）。

2-5 液相外延法

這種方法是將擬生長的單晶組成物質直接熔化或溶化在適當的溶劑中保持液體狀態，將襯底浸漬在其中。隨後緩慢降溫使溶質過飽和，進而在襯底上析出單晶薄膜。在此過程中，可通過控制浸漬時間以及溶質的過飽和度等來控制所生成的薄膜的厚度。這種方法的優點是可在較低的溫度下進行反應，但是缺點是單晶薄膜的生長非常緩慢。

3. 氣相生長晶體技術

氣相生長晶體技術的基本原理是通過蒸發、化學反應等手段，將原材料轉變為氣體物質。之後，再通過冷凝沉積得到新的晶體。利用這種技術可以生長薄膜晶體、納米晶體和體晶體，最適宜用來生長薄膜單晶。相關的工藝方法包括升華法、真空蒸發鍍膜法、化學氣相沉積等。

3-1 升華法

首先，將原材料在高溫區加熱升華為氣相，然後將氣體物質輸運到溫度較低的區域，使其成為過飽和狀態。之後，氣體物質通過冷凝成核生長為晶體。

3-2 真空蒸發法

首先，將待鍍膜的襯底置於高真空室內。之後，通過加熱使原材料氣化（升華）。升華後的氣體物質擴散到保持一定溫度的襯底之上後逐漸沉淀，最終形成一層晶體薄膜。與之類似的，還有電子束蒸發、磁控濺射、脈沖激光沉積等方法。

真空蒸發法

3-3 分子束外延法

其工藝流程為：首先，將需要生長的單晶物質按照元素的不同分別放在噴射爐中；其次，將各個元素的物質加熱到相應溫度形成可噴射而出的分子流；最後，各元素分子流噴射至襯底表面，進而生長出極薄的（可薄至單原子層水平）單晶體和幾種物質交替的超晶格結構。

分子束外延法

3-4 化學氣相沉積

在該工藝中，首先將金屬的氫化物、鹵化物或金屬有機物蒸發成氣相；之後將氣體物質輸送至能夠使其凝聚的具有較低溫度的區域內；最後，這些氣體物質經過化學反應在一定的襯底上沉積，進而形成所需要的晶體薄膜。目前，已經發展出等離子增強、金屬有機、低壓、高真空、熱絲等多種化學氣相沉積方法。

化學氣相沉積

利用這種工藝可以在較低的溫度下制備難熔物質，而且所制備的晶體材料一般純度很高，具有很好的致密性。不過其缺點是需要在高溫下發生反應，襯底溫度高，沉積速度較慢。另外，反應的源氣和餘氣一般都有毒。

4. 固體生長晶體技術

固體生長晶體技術主要依靠固體材料中的擴散機制促使固體發生再結晶，主要包括退火消除應變、燒結、退玻璃化等再結晶行為。相應的，發展出瞭常規熱處理、激光熱處理和快速熱處理等工藝方法。這種技術的優點是晶體的形狀可事先固定。由於是固相到固相的轉變，晶體形狀在相變前後一般不會發生明顯變化，故而可以事先將原材料加工成絲、箔等所需的外觀形狀。但是利用這種技術生長晶體時，晶內成核密度較高，而固體中原子/分子的擴散速率非常小，因此難以制備體積較大的單晶。

以上就是半導體晶體主要的制備技術。在實際生產中，人們往往基於半導體晶體的尺寸、純度等相關要求，綜合考量人力、物力以及時間等成本，選擇最佳的晶體生長技術來制備所需的半導體晶體。