磁场拉晶技术简介

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1、磁场拉晶技术简介韩玉杰孙同年摘要本文回顾T磁场拉晶的历史，并对磁拉Si、GaAs~InP的原理、装置、生长技术以夏发展水平作7简要的描述，评价了磁社单晶的电学、光学性能和结晶学特性，概括性地对磁拉单晶与檄重力下生长的晶体作7比较。一、前根曾对磁拉GaAs单晶作过详细介绍”，本文言则综合简介siGaAs及InP的磁拉单晶技术。大规模集成电路和光电器件需要洼能均匀，缺陷少、质量高的Si和GaAs单晶。激光二极管和探测器以及光纤通信系统FET也需要完美的InP晶体。GaAsInP还是高速和超高速电路以及微波器件和毫米波器件有潜力的

2、基础材料，同时随着晶体尺寸的不断增大，对晶体的机械强度等参数也提出了一定的要求。因此利用直拉技术可重复地制备符台上述需要f侍单晶体，业已成为材料科学工作者亟待解决的问题。由于Si，GaAs和InP的熔体都导电，因此通过磁场的作用，并调节生长参数，可以有效地抑制热对流1965年麻省理工学院在InSb生长中第一次采用磁拉技术，但直到1980年日本索尼公司星金冶等人才首次用于si直拉生长，并在当年电化学学会年会上以及1981年国际半导体Si会议上发表“”“。日本NTT改善了水平磁拉存在的固有热不对称性，从而大大提高了晶体的性能和均

3、匀性。由于高压和液封等技术同题柏存在，直到1982~日本光电共同研究实验室K·Teraski—I11~,等首次研究了磁场对GaAsLEC生长过程和晶体生长特性的影响””。1986年日车光电共同研究实验室H·Miyairi等以及T·Satoh等率先作了InP的磁拉单品生长”””。莫培二、磁场拉晶的原理从电磁学的观点来看，导电的流体在磁场中运动，流体的电流微元穿过磁力线，产生作用于其上的安培力⋯dF：I(dL×dB)(1)该力的方向正好同电流微元的运动方向相反，因此可以阻滞流体的热对流。另一方面，根据流体力学的分析，用直拉法生长

4、单晶时，在熔体中同l时存在着两种类型的液流，即由温度梯度造成的自然对流和晶体和／或坩埚旋转造成的强追对流。自然对流是由浮力作甩造成的，强迫对流班Ⅱ是由晶体旋转和／或坩埚旋转以及熔休牯滞度造成的。这两种对流都会对热量输运和质量输运产生重大的影响，并决定着生长界面的形状、杂质在晶体横截面的分布和晶体完整性。自然对流的状况可用流体力学的无量纲数一瑞利数R．来描述．等㈣式中Bt为熔体的热膨胀系数，G为重力加速度，l为容器的几何参数，通常取为坩埚中熔体的深度h，也有取生长过程中熔体高度与直径比h／d的，为熔体的粘滞系数，k为熔体的热导

5、率，dT／dZ为熔体的纵向温度梯度。R．是代表具有不稳定倾向的浮力和25维普资讯http://www.cqvip.com具有稳定倾向的牯滞力之比。当R．增大时，自然对流将加强，熔体中的浮力和牯滞力效应相抵消时，熔休的稳定眭处于被破坏的临界状态，此时R。=R．。称为临界瑞利数。由于导出式(2)所依赖均理论模型比较粗糙，所以无法精确地『上计瑞利数的临界值，对于不同的熔体和熔体系统，R．。是不同的。当R．>R。。时，浮力大于陆滞力，必恪产生自然对流

6、当R。远走于R。时，熔奉会产生不稳定时流(湍流)并引起熔体的温室振荡，这种振荡能够

7、影响杂质在界面的微分凝，产生生民条纹，使晶体横截面l的电学性质，光学性质不均匀。为了抑制这种现象，目前可采用方法有：(a)减小熔体的温度梯度，使R。变小(b)正确选择容器的形状和尺寸，特别是纵横比，有人曾在熔体中放置挡板，来减小对流的有效体积，增加熔体曲稳定l生，但f的许低是受到拉品条件限制的。另外，f的减小使自由表面层络洋的径向流动速度增大，那么增大u值便是关键措施了。(c)使坩埚下部的熔沐玲却凝固，仪使上部材料熔化，从上部的熔体中拉晶。(d)在失重的条件下进行生民(如在宇宙实验室)。从式(2)可知u的增大和G的减小是等价

8、的，因此强磁场下生长的晶庠和微重力下生长的晶体相类似。微重力下，由于重力驱动的对流受到抑制，固液界面处温度波动变小，化学配比偏离较小，从而消除了密排杂质条纹。杂质分凝同磁拉嗥晶规律类似，深中心种类和浓度减小，本征缺陷和位请较少，改善了晶体的完整性和均匀性，因此晶体的光学和电学性能和磁拉晶体类似。但微重力下拉晶受各方面技术条件限制，难以在产业界应用，因此，应大力开展磁拉晶体的研究。(e)双坩埚法，即熔体流入一个小坩埚中，在较小的坩埚中拉晶。(1)用强迫对流米控蹦自然流，陈旋转晶体外，还可以用电磁力来搅拌熔率。(g)对于导电的熔

9、体，使一个一定大小的恒磁场构磁力线与主要热流方向一致，可以2暑有效地抑制热对流。熔体不导电，但电导率随温度而变化，可用一恒电场使其稳定。若它的介电常数随温爱而变化，可用一交变电叻使其趋于稳定。直拉法中强迫对流是通过晶体和坩埚的旋转来实现内，描述强迫对流的无量纲数叫雷诺数(R．)。对于熔体R