单晶材料的制备课件.ppt

1、 u u u u u 生长半导体、电子学、光学晶体，生长半导体、电子学、光学晶体，如如Si, Ge, GaAs, GaP, LiNbO3, Nd: YAG, Cr:Al2O3 等。等。 ，、，熔体的，熔体的等等对晶体生长对晶体生长 。，即熔体生长即熔体生长, SL界面是受控条件下界面是受控条件下的定向凝固过程；的定向凝固过程；：单元系，单元系，Tm不变；生长速不变；生长速率较高；可生长高质量晶体；率较高；可生长高质量晶体；：二元或多元系，二元或多元系，Tm随成随成分变化；大多数形成有限固溶体，有沉淀物、共分变化；大多数形成有限固溶体，有沉淀物、共晶或胞晶等，生长质量较难控制；晶或胞晶等，生长质

2、量较难控制； ： 有有或或的的(例如例如GGG、GaAs等等)， 存在挥发，成分偏离，存在挥发，成分偏离，。如脱溶沉淀、如脱溶沉淀、 共析反应等。共析反应等。 l 埚坩移动法又称埚坩移动法又称，这这种方法首先是由种方法首先是由提出的，后又提出的，后又经经进一步改进和完善。进一步改进和完善。l 坩埚坩埚放置。放置。： 炉子不动，坩埚移动；炉子不动，坩埚移动； 坩埚不动，炉子移动；坩埚不动，炉子移动； 坩埚和炉子不动，改变坩埚和炉子不动，改变 温度。温度。l 将要结晶的材料放入特定形状的坩埚内，在结晶将要结晶的材料放入特定形状的坩埚内，在结晶炉内加热熔化，然后使坩埚缓慢下降，通过温度炉内加热熔化，

3、然后使坩埚缓慢下降，通过温度梯度较大区域，结晶从坩埚底端开始，逐渐向上梯度较大区域，结晶从坩埚底端开始，逐渐向上推移，进行晶体生长的一种方法。推移，进行晶体生长的一种方法。l 主要用于生长主要用于生长（如（如LiF，CaF2等）、等）、（NaI(Tl)，Csl(Tl)等）、等）、（Ni2+:MgF2，V2+:MgF2等）和多元化合物半等）和多元化合物半导体晶体（导体晶体（AgGaSe2 ，AgGaS2等）材料等。等）材料等。l 为了提供一个合适的为了提供一个合适的，坩埚下降法，坩埚下降法所使所使用的结晶炉通常采用上用的结晶炉通常采用上下两部分组成，上部为下两部分组成，上部为，原料在高温区，原料

4、在高温区中充分熔化；下部为中充分熔化；下部为，为了造成有较大，为了造成有较大的的，除了上下，除了上下部分采用分别的温度控部分采用分别的温度控制系统之外，还可以在制系统之外，还可以在上下区之间加一块上下区之间加一块如果炉体设计合理，如果炉体设计合理，就可以保证得到足够的就可以保证得到足够的温度梯度以满足晶体生温度梯度以满足晶体生长的需要。长的需要。图图6.5.3 6.5.3 下降法示意图下降法示意图l 结晶炉（如悬挂坩埚结晶炉（如悬挂坩埚式管式电阻加热结晶式管式电阻加热结晶炉）炉）l 下降装置等下降装置等图图6.5.4 6.5.4 悬挂坩埚式管式电阻悬挂坩埚式管式电阻加热结晶炉加热结晶炉l 在下

5、降法中成核是关键：自发成核在下降法中成核是关键：自发成核是依据晶体生长中的是依据晶体生长中的l 如图所示，在坩埚底部有三个取向如图所示，在坩埚底部有三个取向不同的晶核不同的晶核A、B、C。假定。假定B核的核的最大生长速度方向正好与坩埚壁平最大生长速度方向正好与坩埚壁平行，而晶核行，而晶核A和和C则与坩埚器斜交。则与坩埚器斜交。这样，在生长过程中，这样，在生长过程中，A核和核和C核由核由于受到于受到B核的不断挤压而缩小，最终核的不断挤压而缩小，最终只剩下只剩下。图图6.5.5 6.5.5 几何淘汰规律几何淘汰规律l合适的温场和温度梯度的选择合适的温场和温度梯度的选择l生长速率的设定和控制生长速率

6、的设定和控制l加籽晶的定向生长工艺加籽晶的定向生长工艺l把原料密封在坩埚里，可以防止熔体的挥发，把原料密封在坩埚里，可以防止熔体的挥发，避免有害物质的污染；避免有害物质的污染；l可以在一个结晶炉中同时放大多个坩埚，提可以在一个结晶炉中同时放大多个坩埚，提高生产效率；高生产效率；l生长过程中难于直接观察，生长周期较长；生长过程中难于直接观察，生长周期较长；l由于晶体与坩埚接触，往往会引入较大内应由于晶体与坩埚接触，往往会引入较大内应力和较多的杂质；力和较多的杂质；l AgGaSe2晶体是一种晶体是一种的的-族三元化合物半导体；族三元化合物半导体；, 42，常温下呈深灰色，红外透明范，常温下呈深灰

7、色，红外透明范围围；l 在透明范围内红外在透明范围内红外；l 可用于可用于，在，在3 18 m红外范围提供多种频率的光源，而红外范围提供多种频率的光源，而且在相当宽的范围内连续可调，在激光通讯、激光且在相当宽的范围内连续可调，在激光通讯、激光制导、激光化学和环境科学等方面有广泛用途。制导、激光化学和环境科学等方面有广泛用途。 图图6.5.9 AgGaSe2赝二元相图赝二元相图AgGaSe2晶体生长原理晶体生长原理 生长炉上、下两个温生长炉上、下两个温区分别用一组炉丝加热，区分别用一组炉丝加热，两区域中间的空隙宽度两区域中间的空隙宽度可调。可调。实验中通过调整上、实验中通过调整上、下两区域的温度

8、差以及下两区域的温度差以及中间空隙的高度，可控中间空隙的高度，可控制中间结晶区域的温度制中间结晶区域的温度梯度。梯度。采用精密数字控温仪，采用精密数字控温仪，可以进行控温程序设计。可以进行控温程序设计。 将将AgGaSe2多晶粉末装入经镀碳处理过的石多晶粉末装入经镀碳处理过的石英生长安瓿内，抽空封结后放入生长炉内，缓慢英生长安瓿内，抽空封结后放入生长炉内，缓慢升温至升温至9501050 C，开启旋转系统，保温后开，开启旋转系统，保温后开始下降，生长中保持固液界面附近温度梯度为始下降，生长中保持固液界面附近温度梯度为30 40 C/cm，下降速率为，下降速率为0.5 1.0mm/h。经过大。经过大约两周时间，便可生长出外观完整的约两周时间，便可生长出外观完整的AgGaSe2单单晶体。晶体。 四、小四、小 结结 这节课的内容是晶体生长方法中重这节课的内容是晶体生长方法中重要的一类要的一类，阐述了熔体，阐述了熔体生长法的基本概念、特点及分类，着重生长法的基本概念、特点及分类，着重讲述了讲述了生长技术、生长设备，最后介绍了生长技术、生长设备，最后介绍了一个一个B-S法生长晶体的实际应用例子法生长晶体的实际应用例子。 谢谢大家！