第四章-熔体中的晶体生长技术(提拉法).pptVIP

低维半导体材料及量子器件 4.3提拉法生长工艺 2 提拉法生长工艺 a生长过程。 b直径自动控制。（ADC技术） c材料挥发的控制。 d 温场的选择与控制。 e 生长速率的控制。 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石（GGG） b 直径自动控制（ADC） c材料挥发的控制 高温下材料的挥发，改变了熔体的化学配比，造成熔体某成分的过剩，组分过冷的改变等一系列影响。因此，人们发展了液相覆盖技术和高压单晶炉。 覆盖物质应具有以下性质：密度小于熔体的密度，透明，对熔体、坩埚和气氛是化学惰性的，能够浸润晶体、熔体和坩埚，并具有较大的粘度。目前，最好的覆盖物质是熔融的B2O3 d 温场的选择与控制 为克服组分过冷，需要有大的温度梯度；为防止开裂、应力和降低位错密度，需要小的温度梯度。因此，所谓合适的温场没有一个严格的判据。 一般来说，对于掺质的需要大的温度梯度（特别是界面处）；而不掺质的或者容易开裂的，采用小的温度梯度。因此，合适的温场的选择和控制，只能根据材料特性作出初步判断，通过实验加以解决。 加大温度梯度方法：缩小熔体和熔体上方空间的距离（轴向距离） 减小温度梯度的方法：采用适当的后热器 e 生长速率的控制 提拉速度不能超过临界值，该临界值决定于材料的性质和生长参数。例如：晶体热导率Ks较高的材料比Ks较低的材料（氧化物或者是有机物）可有较大的生长率 。 生长参数：界面翻转、晶体内所允许的最大热应力 fp宏观生长率fo大于晶体的提拉速率fo≈(R2/R2-r2)fp R和r分别为甘埚和晶体的半径。 3 提拉法生长晶体实例－稀土镓石榴石（GGG） 石榴石主要包括的六种矿物： （1）镁铝榴石（Pyrope） ，也叫红榴石 （2）铁铝榴石（Almandine） ，也叫贵榴石 （3）锰铝榴石（Spessartite） （4）钙铝榴石（Grossular）， 水钙铝榴石 （5）钙铁榴石（Andradite），含Cr叫翠榴石 （6）钙铬榴石（Uvarovite） ，也叫绿榴石 天然形成的石榴石主要是金属的硅酸盐 例如：Ca3Fe2[SiO4] ，Mn3Al2[SiO4]3． 人工研制的石榴石，如钇铁石榴石(YIG)、钇铝石榴石(YAG)和钆镓石榴石(GGG)等. 以上三大类人工石榴石，即由稀士(Yt,Nd）和铁、铝、镓（Ga）分别完全取代天然石榴石中的金属元素和硅，所形成的稀土铁石榴石、稀土铝石榴石和稀土镓石榴石． 在这三类稀土石榴石中，稀土铁石榴石(YIG)不透明，难以用作装饰品； 稀土铝石榴石(YAG)存在折射率不够高，不易掺质． 稀土镓石榴石(GGG)由于其本身的结构特点，不但能进行多种形式的掺质，而且通过辐照还可以形成稳定的色心，使其单晶体呈现绚丽多彩的漂亮颤色，最适宜作为装饰宝石材料。常用的掺质元素为：Cr,Co,Ni等过渡族元素氧化物和稀土Nd,Er的氧化物。 石榴石生长的主要方法在于原料的区别和是否考虑掺杂问题，一般生长过程包括以下几个方面： a 原料准备 b 保护气氛 c 生长条件 d 掺杂生长 e 晶体的透过率与颜色 a 原料准备:Ga2O3（氧化镓）Gd2O3（氧化钆）经过焙烧，脱水，按照比例配料，混合后经压机压紧后在1250℃进行固相反应，充分反应后的原料可供晶体生长使用。 b保护气氛：GGG的熔点为1750摄氏度，一般采用铱坩埚，但铱坩埚存在氧化的问题。因此加入高纯氮气和2%的氩气。 c生长条件：提拉速度一般在5-10mm/h范围内。若掺质或生长大直径的晶体，要放慢生长速度。生长最合适的方向为＜111＞ d 掺杂生长：掺质生长存在一个分凝问题。分凝系数有的大于1有的小于1，因此掺质的浓度也不同。 e 晶体的透过率与颜色： 4提拉法生长晶体实例 －蓝宝石提拉晶体的放肩控制 蓝宝石单晶的应用非常广泛。以蓝宝石单晶片作绝缘村底的集成芯片，航天工业作红外透光材料用得最多；工业中作宝石轴承、仪表等；人们生活中作宝石表面、装饰等。提拉法生长的蓝宝石单晶适用于红外、半导体发光及集成电路的大量需要。 原料： 白色合成蓝宝石碎块＋TiO2+Fe2O3，