蓝宝石单晶生长技术的现代趋势和应用进展

蓝宝石单晶生长技术的现代趋势和应用
进展
摘要：蓝宝石晶体已成为当今最重要的晶体材料之一，综合性能优良，广泛
应用于各种领域。

本文综述了蓝宝石的新用途，并简要介绍了蓝宝石生长的主要
方法以及不同制备方法的应用条件。

介绍了我国蓝宝石晶体的主要制造商和生长
方法，最后提出了优化蓝宝石晶体工业增长的措施。

关键词：蓝宝石单晶；生长方法；应用分析
前言
蓝宝石，又称刚玉，是一种氧化铝晶体。

这些晶体具有稳定的机械、光学和
化学稳定性，可在接近2 000 c的温度下使用，由于蓝宝石独特的晶体结构，具
有优良的机械和血液特性。

近年来，蓝宝石市场继续扩大，涉及国防、科学技术
和民用工业等许多新领域，特别是作为理想的基本材料，已被用于半导体二极管
的生产，成为一种重要的高技术晶体。

目前中国种植蓝宝石晶体的企业很多最大
的蓝宝石可能重130公斤，直径超过400毫米，但这些技术都不太成熟。

随着技
术的发展，蓝宝石市场对结晶材料的重量和形状要求越来越高。

此外，由于成长
和加工过程困难，设备和人员要求也很高，蓝宝石晶体工件的要求也越来越高。

因此，生产低成本高质量蓝宝石晶体的能力成为蓝宝石上游企业的主要发展方向。

如果技术成熟，可以满足目前对大型蓝宝石晶体的需求。

一、蓝宝石生长技术的比较
1.泡生法
泡生法被称为KY法，是从俄罗斯引进的一种高技术蓝宝石晶体生长技术。

首次应用于氢氧化物、碳酸盐晶体的制备和研究，并在20世纪60年代经过改进
后才用于蓝宝石的生长。

泡生法生长的蓝宝石晶体通常是梨形的。

目前国内已广
泛生产45kg晶体，85kg和100kg晶体也已成功开发。

但设备要求高，生产指标
太低，从来没有大规模生产。

运气好法是1926年发明的，经过几十年的研究人
员的不断改造和完善，现在是解决提拉法不能生产大晶体的好方法之一。

晶体生
长原理和技术特点:将晶体原料放入高温坩埚中加热熔化，调节炉内温度场，使
熔体顶部略高于熔点；将籽晶上籽晶向熔液表面提起，表面轻微熔化后，将表面
温度降至熔点，提起并转动籽晶，使熔体顶部处于过冷状态，在籽晶上结晶，在
不断上升过程中生长柱状晶体。

2.焰熔法
焰熔法是法国化学家·韦尔内于1902年改进后引入工业生产的。

焰熔法是
利用氢气和氧气在燃烧过程中产生高温，使粉末原料用氢气火焰加热，然后滴加
在冷却后的结晶棒上形成单晶。

焰熔法是19世纪发展迅速的第一种生产红宝石
和蓝宝石的商业方式。

适用于珠宝和手表用小直径晶体的生产。

由于成本低，这
种方法在发明130多年后仍然有很大的市场，现在它的主要市场是为其他蓝宝石
生长技术提供籽料。

3.提拉法
1916年，JanCzochralski直接发明了提拉法，从熔炼的坩埚物质中提取晶体。

提拉法已成为所有半导体材料和大多数氧化物晶体生长的最重要的工业增长
方法。

通常，坩埚由铱、钼或钨等折射金属材料制成，内部含有晶粒材料，坩埚
外部由电磁感应或电阻加热，以确保坩埚壁的高温。

坩埚上方的旋转晶棒接触熔
化的物质表面并缓慢上升。

重量传感器测量晶体的重量来调节坩埚壁的热量输入，最终可以控制晶体的直径。

60年代和70年代，提拉法成功地生产出了用于制造
第一个固体激光器的优质红宝石。

然而，在蓝宝石行业，提拉法仍然有限，对于
直径大于10-50厘米的晶体和c取向的晶体来说，这不是最佳生长方法。

4.热交换法
热交换方法(HEM)主要在美国使用和开发。

该工艺是美国公司的专利技术GT
近年来在中国引进，很快得到市场和同行的认可，因为这是一种晶体生长技术，
是为生产成年蓝宝石而发明的，代表着当今最重要的需求和发展趋势。

原理是用
换热器去除炉内的热量由于换热器位于房间底部，因此房间内部形成纵向温度梯度，以便从上到下逐渐降低温度。

此外，可通过控制热交换器中的he流量或更
改加热单元的功率以获得最佳结果来调节此较高的冷热温度场，从而使熔体从底
部缓慢地膨胀成晶体。

由于晶体从上到下、从中间到周围，因此热交换器驱动的
晶体通常是圆柱形的。

晶体生长过程中，各部分不能移动，消除了机械振动对晶
体生长界面的影响，晶体均匀性好，内部缺陷小。

此外，在晶体生长过程结束时，能够控制he通量，逐步降低温度场温度，实现原位退火目标，从而减少晶体中
的热应力和位置缺陷。

但是，这种方法对设备要求很高的精度，总体增长周期很长，过程也很复杂。

设备冷却也需要大量的He，使用一次性熔炉的生产成本非常高。

目前，许多国内企业使用这种方法生产蓝宝石晶体，随着技术的改进，其重
量和尺寸都在增加，从而在一定程度上降低了生产成本，增加了对蓝宝石市场的
影响。

二、蓝宝石晶体的新应用
1.蓝宝石基片和衬底
蓝宝石晶体最常用作为红外光学材料、电子元件和高温超导薄膜的基板和基板，特别是近年来在LED领域。

LED具有寿命长、高效、简单支持电路等优点。

它的应用涉及许多行业，如通信照明、装饰和景观。

目前蓝宝石主要用作GaN型
蓝光LED和激光二极管的基本材料。

但是，国内使用的大多数LED蓝宝石衬底仍
需从美国、日本等国进口，因为高亮度LED要求玻璃表面均匀，使得高亮度LED
材料成本高昂。

蓝宝石晶体可以作为固体激光器的发光材料，此外还有众所周知
的基板材料。

与铬混合的红宝石铝是用于制造第一代固体激光器的材料。

掺钛蓝
宝石已成为制造飞秒激光和流行基准放大器的中间商。

2.蓝宝石光纤传感器
蓝宝石单晶光纤传感器通常用于艰苦的环境中，其表面复盖着一层多晶铝，
保证了光纤的表面完整性，提高了光纤传输性能。

蓝宝石纤维耐高温，可用于生
物医学领域的高温探测和近红外激光传输测量，以及电炉压力、应力和化学浓度
及高温热通量等参数的测量。

3.光存储介质
随着氧化铝材料的发展，从传感器到存储介质，氧化铝晶体被用作光学存储
介质。

在存储介质中使用高度非线性的激光和双光子吸收过程进行光学定位。

以
新型氧化铝单晶为载体，CD-ROM的储存量以兆字节为单位有所增加。

三、蓝宝石的发展趋势
蓝宝石单晶应按以下方向发展:(1)改善蓝宝石单晶生长的设备和环境条件；
严格控制制备工艺，避免引入杂质、机械约束和热约束，提高蓝宝石单晶生长综
合性能。

(2)进一步研究和改进近距离成型技术，以大幅降低制备和加工成本；
增加其增长大小，以满足红外光学窗和整流罩的特殊要求和重要应用。

(3)改进
切割、研磨、抛光等处理技术。

从单晶蓝宝石生产出更好的蓝宝石产品；改进蓝
宝石晶体超光滑处理理论和技术系统是扩大其应用的重要途径。

(4)努力制备合
成性能与蓝宝石晶体相似的低加工成本替代材料，以进一步提高和提高其整体性能。

(5)改进生长技术、扩大应用范围和大规模生产是降低蓝宝石晶体及其消费
品生产成本的最佳途径。

(6)透明和廉价的多晶铝陶瓷在军事和民用领域，特别
是在军事领域，也给昂贵的蓝宝石晶体带来了相当大的问题和困难。

结束语
蓝宝石生长方法多种多样，既有优缺点，也有应用潜力。

在应用、技术成熟、成本、效率和应用方面提供了更多的机会，虽然业界可以通过不同的方式了解蓝
宝石增长的范围，合理投资，加强产业链关键环节的人才培养，提高蓝宝石增长
技术的原创性，发展与增长技术相适应的生产设备。

参考文献：
[1]黄存新,李建保,雷牧云,等.中波红外光学材料的研究现状和发展趋势[J].人工晶体学报,2003,32(3):277–281.
[2]杨培志,刘黎明,张小文,等.长波红外光学材料的研究进展[J].无机材料
学报,2008,23(4):641–646.
[3]李真,陈振强,陈宝东.泡生法高质量蓝宝石晶体的研究[J].人工晶体学报,2008,37(4):877–880.
[4]许承海,孟松鹤,韩杰才,等.环境参数对GOI法蓝宝石晶体生长影响分析[J].人工晶体学报,2006,38(7):1020–1024.
[5]韩杰才,孟松鹤,左洪波,等.大尺寸蓝宝石单晶的冷心放肩微量提拉制备法[P].CNPatent,200510010116.4.2006–01–25.
[6]韩杰才,左洪波,孟松鹤,等.泡生法制备大尺寸蓝宝石单晶体[J].人工晶体学报,2005,34(1):101–102.。