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    單晶材料熔體法生長晶體

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    單晶材料熔體法生長晶體

    發布日期:2016-01-27 00:00 來源:http://www.dairect.com 點擊:

    單晶材料是從結晶物質的熔體中生長晶體。適用于光學半導體,激光技術上需要的單晶材料。

    (一)晶體生長的必要條件。

    根據晶體生長時體系中存在的——由熔體(m)向晶體(C)自發轉變時——兩相間自由焓的關系:Gm(T)>Gc(T),即△G=Gc(T)-Gm(T)≈△He-Te△Se-△T△Se=△T△Se<0。結晶時, △Se>0,只有△T<0 。熔體單晶體生長的必要條件是:體系溫度低于平衡溫度。體系溫度低于平衡溫度的狀態稱為過冷?!鱐的絕對值稱為過冷度。過冷度作為熔體晶體生長的驅動力。一般情況:該值越大,晶體生長越快。當值為零時,晶體生長停止。

    (二)晶體生長的充分條件

    晶體生長是發生在固-液(或晶-液)界面上。通常為保證晶體粒生長只需使固-液界面附近很小區域熔體處于過冷態,絕大部分熔體處于過熱態(溫度高于Te )。已生長出的晶體溫度又需低于Te。就是說整個體系由熔體到晶體的溫度由過熱向過冷變化。過熱與過冷區的界面為等溫區。此面與晶體生長界面間的熔體為過冷熔體。且過冷度沿晶體生長反方向逐漸增大。晶體的溫度低。這種由晶體到熔體方向存在的溫度梯度是熱量輸運的必要條件。熱量由熔體經生長面傳向晶體,并由其轉出。

    晶體生長的充分條件:(dT/dz)c一定、(dT/dz)m為零時,整個區域熔體處于過冷態,晶體生長速率大。對于一定結晶物質,過冷度一定時,決定晶體生長速率的主要因素是晶體與熔體溫度梯度(dT/dz)c與(dT/dz)m的相對大小。只有晶體溫度梯度增大,熔體溫度梯度減少,才能提高晶體生長速度。需指出:晶體生長速度并非越大越好,太大會出現不完全生長,影響質量。

    (三)晶體生長方法

    1 提拉法:提拉法適于半導體單晶Si、Ge及大多數激光晶體。

    工藝流程:

    1)同成分的結晶物質熔化,但不分解,不與周圍反應。

    2)預熱籽晶,旋轉著下降后,與熔體液面接觸,待熔后,緩慢向上提拉。

    3)降低坩堝溫度或熔體溫度梯度,不斷提拉籽晶,使其籽晶變大。

    4)等徑生長:保持合適的溫度梯度與提拉速度,使晶體等徑生長。

    5)收晶:晶體生長所需長度后,拉速不變,升高熔體溫度或熔體溫度不變,加快拉速,使晶體脫離熔體液面。

    6)退火處理晶體。

    2 坩堝下降法:

    在下降坩堝的過程,能精密測溫,控溫的設備中進行。過熱處理的熔體降到稍高于凝固溫度后,下降至低溫區,實現單晶生長,并能繼續保持。

    3 泡生法:

    過熱熔體降溫至稍高于熔點,降低爐溫或冷卻籽晶桿,使籽晶周圍熔體過冷,生長晶體??刂坪脺囟?,就能保持晶體不斷生長。

    4 水平區熔法:

    盛有結晶物質的坩堝,在帶有溫度梯度的加熱器,從高溫區向低溫區移動,完成熔化到結晶過程。

    以上四種晶體生長使用的坩堝,應具備:熔點高于工作溫度200℃,不與熔體互熔起化學反應,良好的加工性及抗熱震性,熱膨脹系數與結晶物質相近,常用鉑、銥、鋼、石墨、石英及其它高熔點氧化物。


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