从熔体中生长单晶体

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1、晶体生长方法59．9单晶体生长方法生晶体有各种不同的方法，至于采用哪一种方法更合适些，可根据结晶物质的物理化学性质来选择．下面我们仅就利用熔体、溶液、汽拥和高温高压等方法生长单晶体作简要的介绍．o．9．1从熔体中生长单晶体从熔体中生长单晶体是最早研究方法之一．也是研究得最为广泛的一种技艺，它对现代科学技术的发展起着关键性的作用．光学、半导体、激光技术、非线性光学等所需要的单晶材料，大多数是从熔体中生长出来的．诸如：碱卤化物晶体、硅(Si)、锗(Ge)、砷化稼(GaAs)、掺钕亿铝石榴石(Nd3：YAG)、铌酸锂

2、(LN)、钽酸锂(LT)晶体等．当结晶物质的温度高于熔点时，它就熔化为熔体．当熔休的温度低于凝固点时．熔体就转变为结晶固体．因此，晶体从熔体中生长，只涉及到固—液相变过程．熔体生长单晶首先要在熔体中引入籽晶，控制单晶成核，然后在籽晶与熔体相界面上进行相变，使其逐渐长大．为了促进晶体不断长大，在相界面处的熔体必须过冷，而熔体的其余部分则必须处于过热状态，使其不能自发结晶．从熔休中生长单晶体的最大优点在于：熔体生长速率大多是快于溶液生长．标准的熔体生长速度范围从l毫米/小时、时至若干毫米／分，而溶液生长速度范围则从

3、1微米/小时至几个毫米／天，两者数量的差别从10一1000倍．在熔体生长过程中，生长体系的温度分布与热量输运将起着支配作用．另外，杂质分凝效应、相界而的稳定性、流体动力学效应等问题对晶体生长质量均有重要的影响．从溶体中生长单晶体的典型方法，大致有下述几种．(1提拉法提拉法又称丘克拉斯基(cz)方法，这种方法是在熔体生长中应用最广泛的方法，研究的也比较深入和比较成熟．该方法如图9．25研示．提拉法技术操作要点如下：(i)晶体要同成分地熔化而不分解．结晶物质不得与周围环境气氛起反应．(ii)籽晶预热，然后将旋转着的

4、杆晶引入焙体，微熔，再缓慢地提拉．(iii)降低坩埚温度，不断提拉，使籽晶直径变大(即放肩阶段)．当坩埚温度达到恒定时，晶体直径不变(等径生长阶段)。要建立起满足提拉速度与生长体系的温度梯度及合理的组合条件．(iv)当晶体已经生长达到所需要的长度后，升高坩埚温度．使晶体直径减小，直到晶体与熔体拉脱为止，或者将晶体提出．脱离熔体界面．(v)晶体退火．近些年来，由于激光技术的发展，对晶体的质量要求越来越高，从而促进了对提拉法的改进．例如：晶体等径生长的自动控制技术、液封技术和导模等技术的应用．这些技术的应用对改善晶

5、体质量和提高晶体的有效利用率都是根有帮助的．(2)泡生法泡生法又称凯罗泡洛斯)法，如图9.26所示这种方法的技术操作要点如下：(i)将籽晶浸入盛放于合适坩埚内的熔体中，当籽晶微熔后，然后降低炉温，或者通过冷却籽晶杆的办法，使籽晶附近熔体过冷，晶体开始生长．(ii)熔休保持一定的温度．晶体继续生长，当晶体生长到一定大小后。熔体已将耗尽，将晶体提起液面，然后再缓慢降温，使晶体退火．一般常用这种方法生氏碱卤化合物等光学晶体．(3)坩埚下降法坩埚下降法又称布里奇曼—斯托克巴杰法，如图9-27所尔．用这种方法生长晶体的要

6、求如下：(i)要有与生长晶体、生长气氛和温度相适应的具有一定几何形状的坩埚容器．(ii)加热器能够满足所严格要求的温度梯度．(iii)要有符合要求的测温和控温以及坩埚下降设备．有时还需要温度程序化的设备．(iv)熔体要事先进行过热处理，然后将温度降低到稍高于熔化温度，使下降坩埚的尖端进入低温区。此刻晶体生长开始，经过多晶生长淘汰，使在坩埚尖端部分，变为单晶体．然后以维持单晶体的正常生长，随着坩埚通过挡板到低温度区，晶体长大。熔体逐渐减少，直到熔体耗尽，晶体生长结束．晶体在炉内退火后，即可从坩埚中取出．这种方法操

7、作简便，生长的晶体尺寸也可很大，生长的晶体品种也很多，同时也是培育晶体的一种常用的方法．(4)浮区熔化法这种方法的装置原理如图9．28所示．这种方法最大的优点是不需要坩埚，从而避免了坩埚对晶体造成的污染．由于该方法加热温度不受坩埚熔点的限制，因此可用来生长高熔点的晶体，如钨单晶(3400度)等．一般常用来生长硅单晶．这种方法的技术操作要点如下：(i)将多晶料棒靠紧籽晶．(ii)射频感应加热，使造成一个熔化区，开始使籽晶微熔．而后移动感应加热器．(iii)将熔化区缓慢地向下移动，单晶逐渐长大，稳定的熔区依靠其表面

8、张力与地心重力来维持．(5)焰熔法这种方法又称为维尔纳叶(vcmeuil)法，这种方法的示意图如图9．29所示．这种方法的设备以及技术上的安排如下：(i)火焰器的精密设计．(ii)粉末料的制备与输运．(iii)籽晶的制备和选择．(iv)晶体生长下降装置．这种方法不需要柑蜗，可广泛地用来生长宝石和一些其他高熔点氧化物晶体．晶体生长速度较快(10一20毫米/小时)，在较短时间内．即可生长出