THERMODYNAMICS OF EQUILIBRIUM AND NON-EQUILIBRIUM CRYSTALLIZATION OF Ge AND Si

Résumé
A la pression d'une atmosphère, l'état cristallin, c-sc, de Ge ou Si se liquéfie thermodynamiquement à la température T_cl et donne un liquide métallique (lm). Un état amorphe semiconducteur, a-sc, est formé par diverses techniques de déposition, bombardement ionique du cristal ou de Si, en trempant ultra-rapidement lm. Les résultats obtenus pour les chaleurs de cristallisation des états a-sc de Ge et Si seront présentés et comparés à ceux obtenus pour lm → c-sc. A l'aide de ces chaleurs, et en utilisant le peu de données connues pour les chaleurs capacitives et un modèle de l'entropie à 0°K de a-sc, l'énergie libre de a-sc a été calculée relativement à c-sc. L'analyse indique qu'une transformation dans le régime métastable est admise comme étant de premier ordre pour a-sc → lm à T_al ~ 0,8 T_cl pour Ge et 0,9 T_cl pour Si. La compatibilité de ces calculs avec les connaissances de cinétique de recristallisation de c-sc qui conduit à couvrir c-sc de couches endommagées et à former a-sc à partir de lm par trempe ultra-rapide est discutée.

Abstract
At one atmosphere pressure the crystalline state, c-sc, of Ge or Si melts thermodynamically at temperature T_cl to a metallic liquid (lm). An amorphous semiconducting state, a-sc, is formed in various deposition processes, by ion bombardment of the crystal or, of Si, by ultra-rapid quenching of lm. Measurements of the heats of crystallization of the a-sc States of Ge and Si will be reviewed and compared with those of lm → c-sc. Using these heats, in conjunction with limited heat capacity data and a mode1 calculation of the 0°K entropy of a-sc the free energy of a-sc relative to the c-sc state has been computed. The analysis indicates a transformation in the metastable regime-assumed, but not proven, to be first order of a-sc → lm at T_al ~ 0.8 T_cl for Ge and ~ 0.9 T_cl for Si. The consistency of these calculations with experience on the kinetics of regrowth of c-sc into damaged overlays on c-sc and on the formation of a-sc from lm in ultra-rapid quenching is discussed.