熔融法制备蓝宝石

收稿日期:2010 09 01

作者简介:王 铎(1978-),男,汉族,吉林长春人,福建江夏学院助教,硕士,主要从事光电晶体方向研究,E m ail:qglpw d@sina.

com.

第31卷第6期 长春工业大学学报(自然科学版) Vo l 31N o.62010年12月 Jour nal of Chang chun U niver sity o f T echnolog y(N atur al Science Edition) D ec 2010

熔融法制备蓝宝石

王 铎1, 龚子洲2

(1.福建江夏学院工商系,福建福州 350007; 2.中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026)

摘 要:分别在不同工艺参数下(晶体生长速度:12,18,25mm/h;气体流速:1.25,0.8,1.5m 3/h),生长出了3根 45m m 160mm 蓝宝石晶体棒。对3种蓝宝石样品进行了不熔物、铁含量、微观气泡、宏观气泡测试。结果表明,当晶体生长速度为12mm/h,氧气流速为1.25m 3

/h,所生长的蓝宝石晶体质量最佳。最后分析了不熔物、气泡、铁杂质的引入机制及

减少杂质的措施。

关键词:蓝宝石;焰熔法;测试;铁杂质;气泡

中图分类号:O782 文献标志码:A 文章编号:1674 1374(2010)06 0651 05

A melt method for synthesizing sapphire

WANG Duo 1

, GONG Zi zhou

2

(1.T he Departmen t of Busin ess Adm inistration,Fujian In stitute Jiangxia,Fuz hou 350007,China;2.School of Phy sical Sciences,U niver sity of S cien ce and T echnology of China,Hefei 230026,Chin a)

Abstract:Under different technical conditions such as crystal gro w ing speed and oxy gen flow ing speed,three hig h quality sapphire rods w ith diameter 45mm 160m m are prepared successfully.Tests of the no melted,iron co ntent,m icro bubble and macr o bubble are carried fo r the three samples.T he results show that the optimal quality o f the sapphire is obtained w hen the grow ing speed is 12m m/h and the ox ygen flow ing rate is 1.25m 3

/h.T he metho d to decrease the iron impur ity,bubbles and no melted are discussed at last.

Key words:sapphir e;flam e fusio n technolo gy;test;ir on impurities;bubble.

0 引 言

蓝宝石晶体( Al 2O 3)是一种简单配位型氧化物晶体,属六方晶系[1],具有优良的光学、电学和机械性能,其硬度仅次于钻石。它具有高温化学稳定、导热性好等特点,广泛应用于半导体器

件、光电子器件、激光器等。特别是含Ti 3+蓝宝石,是最优异的固体宽带调谐激光材料,可制作超强的飞秒量级可调谐激光器

[2 3]

。氧化铝是地壳

内仅次于二氧化硅存在最多的氧化物,其原料供

给可以得到充分保障,工业上有广泛用途。 作为继Si,GaAs 之后的第三代半导体材料

的GaN,其在器件上的应用被视为20世纪90年代半导体最重大的事件,它使半导体发光二极管和激光器上了一个新的台阶。因此,近年来成为国内外半导体材料及光电子器件的研究热点。但由于GaN体材料很难制备,所以必须在其它衬底材料上外延生长薄膜[4 7]。

作为GaN的衬底材料有多种,包括蓝宝石、碳化硅、硅、氧化镁、氧化锌等,其中,蓝宝石以其独特的性能和高的可利用率成为最主要的衬底材料。蓝宝石单晶又称白宝石,与天然宝石具有相同的光学特性和力学性能[8 10],有着很好的热特性、极好的电气特性和介电特性,被广泛应用于工业、国防等领域,越来越多地用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料,如地对地、地对空导弹的红外窗口、高温压敏传感器的窗口等[11 14]。

随着对蓝宝石材料需求的不断增加,蓝宝石市场竞争日趋激烈,要在蓝宝石市场上占据重要地位,应在以下两个方面实现突破:一是不断降低成本,为此,必须扩大晶体直径,加大投料量并缩短生长周期;二是提高产品质量,为此,要在晶体生长工艺上搞突破,减少晶体中的杂质含量和成品率。因此,对蓝宝石的生长和研究提出了新的要求。了解蓝宝石的生长条件、生长缺陷和它们对器件性能的影响之间的关系,对提高晶体质量尤为重要。

文中采用籽晶定向的焰熔法生长技术,以 Al2O3粉料为原料,设计合理的工艺参数,生长出光学质量较好的 45m m蓝宝石刚玉晶体棒。并对其杂质含量、不熔物及气泡产生进行分析,获得了最佳的生长工艺参数,分析了杂质引入机制和气泡形成机理及减少上述情况的措施。

1 焰熔法生长蓝宝石基本原理

当前制备蓝宝石晶体主要有两种技术,根据晶体生长方式不同,可以分为导膜法(EFG)和焰熔法(Flam e Fusion)。这两种方法制备的晶体具有不同的特性和不同的应用领域,导膜法晶体主要用于蓝宝石衬底方面,而焰熔法主要用于光电子器件、激光器等。

基本原理:焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法,其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化,熔滴在下落过程中冷却并在籽晶上固结逐渐生长形成晶体。因此,过冷度作为熔体晶体生长的驱动力,加热方式为氢氧焰混合气体燃烧加热。焰熔法晶体生长原理如图1

所示。

1.粉料;

2.氧气;

3.氢气;

4.结晶炉;

5.晶体;

6.托柱

图1 焰熔法晶体生长原理示意图

2 实 验

2.1 焰熔法蓝宝石生长设备

采用焰熔法生长炉及相关配套系统生长蓝宝石晶体。整个生长系统主要包括下粉系统、燃烧系统、结晶炉、升降系统、氧气的稳压与自动增压装置等。焰熔法生长晶体设备实物如图2

所示。

图2 焰熔法生长晶体设备实物图

在炉体下方有一耐火钢制托(可以上下移动),上面放置籽晶杆托柱(用以支撑晶体)、刚玉晶体、燃烧系统、保温罩及炉壁等。所用保温材料都为高纯材料,以防止对晶体的污染。采用籽晶熔晶法,晶体生长速度与下降系统下降速度必须能够维持高度同步,这样才能保持生长面在同一位置,精确控制晶体的生长速度。

2.2 焰熔法蓝宝石生长工艺

焰熔法生长蓝宝石的制备步骤一般包括:装

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