单晶合成和制备技术Ⅱ

1、单晶合成和制备技术2012-11-12单晶薄膜生长 基体选择：可形成大单晶，与外延膜晶格失配小，生长温度下不分解，不受反应气氛腐蚀，热膨胀系数与外延膜相近，抗热冲击，有与外延膜平行的解离面。 生长过程：临界晶核形成，原子岛形成，岛岛接合 结构缺陷：点缺陷、位错，层错 界面特点：与衬底的晶格匹配，相互原子扩散 表面特点：表面态、悬挂键、外来原子吸附几种重要的晶体 LiNbO3单晶体 蓝宝石及GaN单晶体 GaAs单晶体 PZT晶体薄膜及PLT晶体薄膜 KTP单晶体（KTiOPO4, KTiOAsxP1-xO4)LiNbO3单晶相图LiNbO3晶体结构GaN薄膜 GaCl气相外延：GaCl+NH3

2、=GaN+HCl+H2 MOVPE法(1000）：Ga(CH3)3+NH3=GaN常用衬底/基体 AlN: 晶格常数a=0.3080nm,c=0.5175, 热膨胀系数=5.6010-6/K -Al2O3：a=0.4758,c=0.1249, =7.5010-6/K Si: a=0.54301, =3.5910-6/K SiC: a=0.436 MgO: a=0.4216, =10.5010-6/K ZnO:a=0.3552, c=0.5213, =2.8010-6/K GaN(属于六方ZnS结构): a=0.3189,c=0.5185, =5.3910-6/K GaN(属于立方ZnS结构)：

3、a=0.452nmSapphire大硅单晶（2009-12）多晶硅原料 纯度：可达9N N型P含量：=300欧姆厘米 P型B含量：=3000欧姆厘米） 金属杂质总量107 cm)比Si大。便于细微加工，也便于器件集成。2GaAs器件噪声低、效率高、使用方便。电子迁移速率（电子迁移速率（Drift velocity）VGaAs5VSiGaAs主要应用1 高速电子器件2 微波场效应管FET3 发光二极管LED4 太阳能电池-族闪锌矿晶型化合物GaAs及InP的半导体特性(300K)化合物 a Eg e 电子跃迁形式 GaAs 0.5653 1.428 8500 直接InP 0.5869 1.351

4、 6060 直接In0.53Ga0.47As 0.75 11000 直接 a=晶格常数(nm); Eg=禁带宽度(ev); e=电子迁移率(cm2/V.s) Bridgman法GaAs制备技术3 助熔剂法制备掺Nd钇铝石榴石 成分：Nd:Y3Al5O12 助熔剂：PbO+ PbF2+B2O3 配方(质量百分比）：5.75%Y2O3 +5.53%Al2O3 + 1.16%Nd2O3 + 38.3%PbO + 46.7%PbF2 + 2.53%B2O3 结晶温度：1220-1240KTP型晶体 性能：大的非线性光学系数和电光系数，宽透光波段，可实现相位匹配，高的激光损伤阀值，高的能量转换效率，高热

5、稳定性 应用：激光倍频（掺Nd激光器腔内外倍频，以获得绿光、红光输出）；掺Nd激光和频以获得蓝色输出；电光调制；Q开关；光波导 制备：助溶剂法，水热法，助溶剂法KTP 1971年Masse-Grenier：K2CO3+ 2NH4H2PO4 +2TiO2=2KTiOPO4+CO2+3H2O+2NH3 1976年Zumsteg报道KxRb1-xTiOPO4具有非线性光学性能 1980年Gier: K2O-TiO2-P2O5 1986年Bell实验室的Ballman: 4K2HPO4 + 2TiO2 + 3WO3=2KTiOPO4 +3K2WO4.P2O5 + 2H2O水热法KTP 高压釜：Pt或A

6、u衬里 原料：KTP或TiO2+K2HPO4 矿化剂：KF+H2O2 压力：137MPa 温度：溶解区380450C,生长区370-425C 籽晶：（011）或（001）取向KTPPb1-xLaxTiO3薄膜 Sol-gel法：醋酸铅、醋酸镧和钛酸丁酯，甲醇为溶剂，乙醇为稳定剂。将溶胶滴涂到基片上，先以900r/min低速均胶30s，再以3000r/min高速均胶30s。烘干。重复几次，直到所需厚度。最后一定温度下退火。晶体生长系统有限责任公司（CGS） 在德国阿斯拉的晶体生长系统有限责任公司（CGS）是PVA TePla集团公司一个生产晶体生长设备的分部。其于1999年8月在德国哈瑙成立，是

7、从莱宝系统有限责任公司的晶体生长部独立而来。数十年来，CGS一直致力于设计和生产用于生产硅晶体的晶体生长设备，由于其技术的领先性，CGS公司是该领域中最重要的公司之一。在丹麦Frederikssund的PVA TePla丹麦公司是从2004年五月开始PVA TePla集团公司的另一个晶体生长系统分部。是从Haldor Topsoe A/S的原floatzone分部独立而来。PVA TePla丹麦公司的Floatzone技术发展几十年来，使用特别方法生长应用于功率电子学的超纯无氧硅水晶。 系统特点 1系统模块化结构无需多大变动即可应用于半导体硅，太阳能硅或锗的拉晶2 为下一代晶片开发发展基本工艺

8、过程3 高合金化的不锈钢双层壁炉和抛光的镜面表面使清洁简易4 简单的系统结构便于清洗和程序的设定5 炉与接收室之间有隔离阀，可在保持工艺温度的熔融状态下取出晶体6 高精度调节融池温度7 晶体驱动单元采用轴或电缆，使用无需维护马达和高精度速度控制单元直接驱动8 整个流程由可编程的逻辑控制器（PLC）和软件控制用于采集与分析流程数据，包括流程数据的图形在线显示和与先前流程比较的选件9 可添加任意元件，如用于稳定融池的磁铁，加料单元或控制融池高度的设备 真空加压烧结炉（真空加压烧结炉（COD） COD热等静压烧结炉结合了脱蜡，真空烧结和后续的高压均匀致密化工艺，可在真空、反应气体和高至100巴的压力

9、下对金属、合金和陶瓷进行处理。 加热体用石墨制造，由于采用了加热区分别控制，进气预热，隔热筒高效设计和非常精确的测量和控制系统，可以在炉子可用空间里获得最佳的温度均匀性。隔热筒的特殊设计使得其与传统设计相比，具有相当长的使用寿命和低的热损失。 微处理器控制的程序顺序可确保工艺的全自动化和可再现性，以及稳定的产品质量。操作和相关数据的电脑处理可以满足高可靠质量的要求。 真空感应加热熔炼和浇铸系统真空感应加热熔炼和浇铸系统（VSG） VSG系统通用于金属、合金或特殊材料，在高真空、中真空或不同的气氛下，于陶瓷或石墨坩锅里的熔化，然后浇铸到模具里，进行实验成型或生产成型。 熔化熔化 再熔炼和合金化；

10、脱气和精炼；均质化熔炼；回收再生； 浇铸浇铸 精密铸造；定向结晶；单晶生长； 材料材料 贵金属； 高纯度，高合金钢；铁、镍、钴基耐高温材料；有色金属；太阳能硅晶体和特殊材料； 特殊或超级合金； VSG介绍 VSG系统是耐腐蚀不锈钢双层水冷结构的冷壁炉。其熔炼和浇铸装置由带有同轴电源和冷却电极的可倾斜的线圈和模具台组成。 使用的坩锅的材料应与要熔炼的材料相匹配。 如果要熔炼的材料是与碳不发生反应的，则可以使用石墨坩锅或粘土石墨坩锅。只要熔炼的材料与坩锅材料不发生反应，也可以使用高熔点金属制成的坩锅，这种情况下，坩锅可以作为感应电源的次级线圈。电源是通过静态中频变换系统供应的。 VSG系列组成 两部分：真空感应加热熔炼和浇铸系统 炉体，真空泵组，电源和控制系统，熔炼和浇铸设备，以及进行熔炼操作的真空锁。这些模块可以根据不同的组合版本提供，并可提供大量可选的附加装置。 特点和优点特点特点具有高应用灵活性、适于模块化扩充或以后的补充变化的模块化结构系统； 合金化，取样或其它在真空中的熔炼操作可以通过真空锁系统进行； 适用于锭铁，模具和精密铸造； 可以满功率倾斜坩锅；