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提拉法生长晶体及应用

在晶体生长过程中,人们经常会提到一种晶体的生长方法,叫做提拉法。提拉法是同组成的熔体中生长单晶的一种主要方法。

设备示意图如下图所示,将多晶原料装在坩埚中,并被加热到原料的熔点以上,此时,坩埚内的原料就熔化成熔体。在坩埚的上方有一根可以旋转和升降的提拉杆,杆的下端带有一个夹头,其上装有籽晶。降低提拉杆,使晶插入熔体中, 只要温度合适,晶既不熔掉也不长大,然后缓慢地向上提拉和转动晶杆, 熔体在籽晶表面凝固,得到与原籽晶结晶学取向相同的棒状晶体。在提拉过程中,缓慢地降低加热功率,籽晶就逐渐长粗,小心地调节加热功率,就能得到所需直径的晶体。整个生长装置安放在一个可以封闭的外罩里,以便使生长环境中有所需要的气氛和压强.。通过外罩的窗口,可以观察到生长情况。

提拉法的主要优点:

(1)在晶体的生长过程中,可以方便地观察晶体的生长状况;(2)晶体在熔体的自由表面处生长,而不与坩埚相接触,可以减少晶体的应力并防止坩埚壁上的寄生成核;(3)可以方便地使用定向籽晶得到完整的具有所需取向的晶体。(4)能够以较快的速度生长质量较高的晶体。

提拉法的应用:

(1)提拉法广泛用于生长 Si、Ge、 GaAs等半导体单晶材料,(2)为防止物料中 As、 P等的损失,反应经常在高压惰性气氛中进行, 或使用液相封盖技术。(3)目前提拉法已用于生产激光发生器件,例如Nd-YAG等激光材料。下图是采用提拉法生长的晶锭,它经切割后成为我们半导体行业常接触的晶圆。

晶锭经切割后,成为晶圆,晶圆外观如下图:

上面讲解了一种晶体生长的方法,下面大致讲解一些晶体的应用。根据行业应用不同,晶体应用主要分如下几类:

(1)压电晶体:

在外力作用下发生变形时,其表面产生电荷效应的晶体;

应用:

可制成换能器、振子以及传感器。

主要晶体:

人工水晶等。

(2)电光晶体:

在外加电场作用下折射率发生变化,从而使通过晶体的一束激光分解为两束偏振方向相互垂直的偏振光,并产生一根位差效应的晶体。

应用:

适用于激光的调制和偏振。

常用晶体:

铌酸锂、钽酸锂以及磷酸二氢钾(KDP)

(3)非线性光学晶体:

组成晶体的原子因外层电子在光作用下偏离其平衡位置而发生极化

常用晶体:

磷酸二氢钾、铌酸锂、铌酸钾以及偏硼酸钡、三硼酸锂

(4)光折变晶体:

在光作用下可引起折射率变化的晶体。

晶体:

钛酸钡、硅酸铋、铌酸锂、铌酸钡钠等。

(5)闪烁晶体:

具有闪烁效应的晶体.

应用:

测量核辐射能量

主要晶体:

锗酸铋,掺铊的碘化钠等

(6)激光晶体:

吸收足够的能量之后能发出一种特殊的强光——"激光"!

主要晶体:

红宝石、钇铝石榴石

(7)半导体晶体 :

电阻率介于典型的金属和绝缘体之间的一类物质,其电阻率在10-2107 欧姆/厘米之间。

常见的晶体:

周期表上第IV主族的硅(Si)和锗(Ge),此外还有III~V族的砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)和II~VI族的硒化锌(ZnSe)等。