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单晶材料熔体法生长晶体

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单晶材料熔体法生长晶体

发布日期:2016-01-27 00:00 来源:http://www.ddxdf.com 点击:

单晶材料是从结晶物质的熔体中生长晶体。适用于光学半导体,激光技术上需要的单晶材料。

(一)晶体生长的必要条件。

根据晶体生长时体系中存在的——由熔体(m)向晶体(C)自发转变时——两相间自由焓的关系:Gm(T)>Gc(T),即△G=Gc(T)-Gm(T)≈△He-Te△Se-△T△Se=△T△Se<0。结晶时, △Se>0,只有△T<0 。熔体单晶体生长的必要条件是:体系温度低于平衡温度。体系温度低于平衡温度的状态称为过冷。△T的绝对值称为过冷度。过冷度作为熔体晶体生长的驱动力。一般情况:该值越大,晶体生长越快。当值为零时,晶体生长停止。

(二)晶体生长的充分条件

晶体生长是发生在固-液(或晶-液)界面上。通常为保证晶体粒生长只需使固-液界面附近很小区域熔体处于过冷态,绝大部分熔体处于过热态(温度高于Te )。已生长出的晶体温度又需低于Te。就是说整个体系由熔体到晶体的温度由过热向过冷变化。过热与过冷区的界面为等温区。此面与晶体生长界面间的熔体为过冷熔体。且过冷度沿晶体生长反方向逐渐增大。晶体的温度低。这种由晶体到熔体方向存在的温度梯度是热量输运的必要条件。热量由熔体经生长面传向晶体,并由其转出。

晶体生长的充分条件:(dT/dz)c一定、(dT/dz)m为零时,整个区域熔体处于过冷态,晶体生长速率大。对于一定结晶物质,过冷度一定时,决定晶体生长速率的主要因素是晶体与熔体温度梯度(dT/dz)c与(dT/dz)m的相对大小。只有晶体温度梯度增大,熔体温度梯度减少,才能提高晶体生长速度。需指出:晶体生长速度并非越大越好,太大会出现不完全生长,影响质量。

(三)晶体生长方法

1 提拉法:提拉法适于半导体单晶Si、Ge及大多数激光晶体

工艺流程:

1)同成分的结晶物质熔化,但不分解,不与周围反应。

2)预热籽晶,旋转着下降后,与熔体液面接触,待熔后,缓慢向上提拉。

3)降低坩埚温度或熔体温度梯度,不断提拉籽晶,使其籽晶变大。

4)等径生长:保持合适的温度梯度与提拉速度,使晶体等径生长。

5)收晶:晶体生长所需长度后,拉速不变,升高熔体温度或熔体温度不变,加快拉速,使晶体脱离熔体液面。

6)退火处理晶体。

2 坩埚下降法:

在下降坩埚的过程,能精密测温,控温的设备中进行。过热处理的熔体降到稍高于凝固温度后,下降至低温区,实现单晶生长,并能继续保持。

3 泡生法:

过热熔体降温至稍高于熔点,降低炉温或冷却籽晶杆,使籽晶周围熔体过冷,生长晶体。控制好温度,就能保持晶体不断生长。

4 水平区熔法:

盛有结晶物质的坩埚,在带有温度梯度的加热器,从高温区向低温区移动,完成熔化到结晶过程。

以上四种晶体生长使用的坩埚,应具备:熔点高于工作温度200℃,不与熔体互熔起化学反应,良好的加工性及抗热震性,热膨胀系数与结晶物质相近,常用铂、铱、钢、石墨、石英及其它高熔点氧化物。


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