蓝宝石晶体生长方法汇整

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1、蓝宝石衬底各种蓝宝石长晶方法介绍为何使用蓝宝石当LED衬底材料可用于LED衬底的材料主要有硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓等。由于硅单晶和氮化镓晶格匹配太差无无法商业化应用；碳化硅单晶成本价格较高，目前市价约是蓝宝石晶体的5倍以上，且只有美国科瑞公司掌握成熟技术，目前占市场应用不到10%；氮化镓单晶制备更是困难，虽然同质外延质量最好，但价格是蓝宝石晶体的数百倍。综上所述，预计在未来10到30年范围，蓝宝石单晶是LED衬底材料的理想选择单晶蓝宝石长晶方法蓝宝石单晶的制备工艺路线较多，其中比较典型有以下几种提拉法(CZ)坩埚下降法热交换法

2、(HEM)泡生法(KY)除了以上几项主流的方法外，还有温度梯度法(TGT)、焰熔法、导模法(EFG)、水平结晶法(HDC)…等提拉法(CZ)柴氏拉晶法(Czochralskimethod),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭.坩埚上方有一根可以旋转和升降

3、的提拉杆，杆的下端有一个夹头，其上装有一根籽晶。降低提拉杆，使籽晶插入熔体中，只要熔体的温度适中，籽晶既不熔解，也不长大，然后缓慢向上提拉和转动籽晶杆，同时缓慢降低加热功率，籽晶逐渐长粗。小心地调节加热功率，就能得到所需直径的晶体。整个生长装置安放在一个外罩里，以保证生长环境有所需要的气体和压力。提拉法生长方式示意图射频线圈熔体坩埚炉内保温系统剖面图有关工艺参数控制1)加热方式提拉法生长晶体的加热方法一般采用电阻加热和高频感应加热，在无坩埚生长时可采用激光加热、电子束加热、等离子体加热和弧光成像加热等加热方式电阻加热的优点是成本

4、低，可使用大电流、低电压的电源，并可以制成各种形状的加热器；高频加热可以提供较干净的环境，时间响应快，但成本高2)晶体直径的控制提拉法生长的晶体直径的控制方法很多，有人工直接用眼睛观察进行控制，也有自动控制。自动控制的方法目前一般有利用弯月面的光反射、晶体外形成像法、称重等法提拉法生长晶体的优点1)在生长过程中，可以直接观察晶体的生长状况，这为控制晶体外形提供了有利条件2)晶体在熔体的自内表面处生长，而不与坩埚相接触，能够显著减小晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核3)可以方便地使用定向籽晶的和“缩颈”工艺，得到不同取向的单晶体，

5、降低晶体中的位错密度，减少镶嵌结构，提高晶体的完整性提拉法的最大优点在于能够以较快的速率生长较高质量的晶体。例如，提拉法生长的红宝石与焰熔法生长的红宝石相比，具有效低的位错密度，较高的光学均匀性，也没有镶嵌结构。提拉法生长晶体的缺点1)一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染2)当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难3)适用范围有一定的限制。例如，它不适于生长冷却过程中存在固态相变的材料，也不适用于生长反应性较强或熔点极高的材料，因为难以找到合适的坩埚来盛装它们总之，提拉法生长的晶体完整性很高，面其生长速率和晶体尺寸也

6、是令人满意的。设计合理的生长系统、精确面稳定的温度控制、熟练的操作技术是获得高质量晶体的重要前提条件坩埚下降法该方法的创始人是P.W.Bridgman，论文发表于1925年。D.C.Stockbarger曾对这种方法的发展作出了重要的推动，因此这种方法也可以叫做布里奇曼－斯托克巴杰方法,简称B-S方法。该方法的特点是使熔体在坩埚中冷却而凝固。坩埚可以垂直放置，也可以水平放置(使用“舟”形坩埚)，如下图所示。生长时，将原料放入具有特殊形状的坩埚里，加热使之熔化。通过下降装置使坩埚在具有一定温度梯度的结晶炉内缓缓下降，经过温度梯度最

7、大的区域时，熔体便会在坩埚内自下由上地结晶为整块晶体。坩埚下降法示意图坩埚下降法原理下降法一般采用自发成核生长晶体，其获得单晶体的依据就是晶体生长中的几何淘汰规律，原理如下图所示。在一根管状容器底部有三个方位不同的晶核A、B、C，其生长速度因方位不同而不同。假设晶核B的最大生长速度方向与管壁平行，晶核A和C则与管壁斜交。由图中可以看到，在生长过程中，A核和C核的成长空间因受到B核的排挤而不断缩小，在成长一段时间以后终于完全被B核所湮没，最终只剩下取向良好的B核占据整个熔体而发展成单晶体，这一现象即为几何淘汰规律为了充分利用几何淘

8、汰规律，提高成品率，人们设计了各种各样的坩埚。如左图所示。其目的是让坩埚底部通过温度梯度最大的区域时，在底部形成尽可能少的几个晶核，而这几个晶核再经过几何淘汰，剩下只有取向优异的单核发展成晶体。经验表明，坩埚底部的形状也因晶体类型不同而有所差异。坩埚下降法的优点