单晶合成和制备技术Ⅱ

KTP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
GaAs 能带图
GaAs Eg band
GaAs比Si优越点
1 GaAs传导电子迁移率是Si的5倍 ，且电子 峰值漂移速度比Si大1倍。因此， GaAs器 件工作频率比Si高。 2 GaAs本征电阻（>107Ω cm)比Si大。便于 细微加工，也便于器件集成。 3 GaAs器件噪声低、效率高、使用方便。
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。
电子迁移速率（Drift velocity）
VGaAs>5VSi
GaAs主要应用
1 高速电子器件 2 微波场效应管FET 3 发光二极管LED 4 太阳能电池
Ⅲ-Ⅴ族闪锌矿晶型化合物GaAs及 InP的半导体特性(300K)
化合物 GaAs InP In0.53Ga0.47As a Eg μe 电子跃迁形式 0.5653 1.428 8500 直接 0.5869 1.351 6060 直接 0.75 11000 直接
常用衬底/基体
• AlN: 晶格常数a=0.3080nm,c=0.5175, 热膨胀系 数α=5.60×10-6/K • α-Al2O3：a=0.4758,c=0.1249, α=7.50×10-6/K • Si: a=0.54301, α=3.59×10-6/K • SiC: a=0.436 • MgO: a=0.4216, α=10.50×10-6/K • ZnO:a=0.3552, c=0.5213, α=2.80×10-6/K • GaN(属于六方ZnS结构): a=0.3189,c=0.5185, α=5.39×10-6/K • GaN(属于立方ZnS结构)：a=0.452nm
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。
a=晶格常数(nm); Eg=禁带宽度(ev); μe=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：1220-1240℃
单晶合成和制备技术Ⅱ
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
硅单晶制备工艺
Cz法单晶炉
石英坩埚
GaAs单晶
• 结构 • 性质 • 制备
晶体结构
• GaAs 是立方系晶体结构，晶格常数 0.5653nm.解理面主要是（011）和（111）
Ga和As
• • • • 离子半径：Ga3+=0.062nm, As3-=0.068nm 电负性：Ga=1.6, As=2.0 (F=4.0, Li=1.0) 电子亲合能：Ga=0.41ev, As=0.81ev 晶型：Ga-正方（a=0.451nm)，As-三方 (a=0.413nm) • 熔点：Ga=303K, As=1090K
Sapphire
大硅单晶（2009-12）
多晶硅原料
• 纯度：可达9N • N型P含量：<1.5x1013个原子/cm3(相当于 电阻率>=300欧姆厘米 • P型B含量：<4.5x1012个原子/cm3(相当于 电阻率>=3000欧姆厘米） • 金属杂质总量<=1x10-8 (=10ppb) • 碳含量=1015-1016个原子/cm3 • 氧含量=1016-1017个原子/cm3
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wk.baidu.com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 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； ·方便和安全的控制工艺循环； ·从10E-5到1800 mbar间的宽压力范围； ·熔炼和浇铸过程的自动化控制（自动浇铸训练系统）； ·可用空间0.1-60升（1－500 Kg）； • 优越性 ·由于低功率损失和系统功能结构导致的高效率； ·较短的抽真空时间和生产循环周期，通过自动浇铸控制增加的工艺完整性和产 品质量； ·可靠性，耐用性，易维修性；
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=GaN+HCl+H2 • MOVPE法(1000℃）： Ga(CH3)3+NH3=GaN
• 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
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 再熔炼和合金化；脱气和精炼；均质化熔炼；回收再生； • 浇铸 精密铸造；定向结晶；单晶生长； • 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；
Ga-As 相图
GaAs
GaAs化学性质
1 在氧气中加热生成β- Ga2O3 2 常温下不与HCl、H2SO4、HF反应，但与浓硝酸 反应、与H2SO4+H2O2反应。易溶于王水，也溶 于HF+HNO3。所以GaAS的室温腐蚀液是： H2SO4:H2O2:H2O=3:1:1或5:1:1 HNO3:HF:H2O=3:1:4 GaAs的抛光液是H2O:H2O2:SiO2=1L:0.1L:125g。 其中SiO2起研磨作用。
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
水热法KTP
• • • • • • 高压釜：Pt或Au衬里 原料：KTP或TiO2+K2HPO4 矿化剂：KF+H2O2 压力：137MPa 温度：溶解区380~450C,生长区370-425C 籽晶：（011）或（001）取向KTP
Pb1-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。