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1、各種藍(lán)寶石長晶方法介紹為何使用藍(lán)寶石當(dāng)LED襯底材料可用于LED襯底的材料主要有硅、碳化硅、藍(lán)寶石、氮化鎵等。由于硅單晶和氮化鎵晶格匹配太差無無法商業(yè)化應(yīng)用；碳化硅單晶成本價格較高，目前市價約是藍(lán)寶石晶體的5倍以上，且只有美國科瑞公司掌握成熟技術(shù)，目前占市場應(yīng)用不到10%；氮化鎵單晶制備更是困難，雖然同質(zhì)外延質(zhì)量最好，但價格是藍(lán)寶石晶體的數(shù)百倍。綜上所述，預(yù)計在未來10到30年范圍，藍(lán)寶石單晶是LED襯底材料的理想選擇單晶藍(lán)寶石長晶方法藍(lán)寶石單晶的制備工藝路線較多，其中比較典型有以下幾種提拉法(CZ)
2、坩堝下降法熱交換法(HEM)泡生法(KY)除了以上幾項主流的方法外，還有溫度梯度法(TGT)、焰熔法、導(dǎo)模法(EFG)、水平結(jié)晶法(HDC)…等提拉法(CZ)柴氏拉晶法(Czochralskimethod),簡稱CZ法.先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一
3、軸對稱的單晶晶錠.坩堝上方有一根可以旋轉(zhuǎn)和升降的提拉桿，桿的下端有一個夾頭，其上裝有一根籽晶。降低提拉桿，使籽晶插入熔體中，只要熔體的溫度適中，籽晶既不熔解，也不長大，然后緩慢向上提拉和轉(zhuǎn)動籽晶桿，同時緩慢降低加熱功率，籽晶逐漸長粗。小心地調(diào)節(jié)加熱功率，就能得到所需直徑的晶體。整個生長裝置安放在一個外罩里，以保證生長環(huán)境有所需要的氣體和壓力。提拉法生長方式示意圖射頻線圈熔體坩堝爐內(nèi)保溫系統(tǒng)剖面圖有關(guān)工藝參數(shù)控制1)加熱方式提拉法生長晶體的加熱方法一般采用電阻加熱和高頻感應(yīng)加熱，在無坩堝生長時可采用激光
4、加熱、電子束加熱、等離子體加熱和弧光成像加熱等加熱方式電阻加熱的優(yōu)點(diǎn)是成本低，可使用大電流、低電壓的電源，并可以制成各種形狀的加熱器；高頻加熱可以提供較干凈的環(huán)境，時間響應(yīng)快，但成本高2)晶體直徑的控制提拉法生長的晶體直徑的控制方法很多，有人工直接用眼睛觀察進(jìn)行控制，也有自動控制。自動控制的方法目前一般有利用彎月面的光反射、晶體外形成像法、稱重等法提拉法生長晶體的優(yōu)點(diǎn)1)在生長過程中，可以直接觀察晶體的生長狀況，這為控制晶體外形提供了有利條件2)晶體在熔體的自內(nèi)表面處生長，而不與坩堝相接觸，能夠顯著減
5、小晶體的應(yīng)力并防止坩堝壁上的寄生成核3)可以方便地使用定向籽晶的和“縮頸”工藝，得到不同取向的單晶體，降低晶體中的位錯密度，減少鑲嵌結(jié)構(gòu)，提高晶體的完整性提拉法的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠以較快的速率生長較高質(zhì)量的晶體。例如，提拉法生長的紅寶石與焰熔法生長的紅寶石相比，具有效低的位錯密度，較高的光學(xué)均勻性，也沒有鑲嵌結(jié)構(gòu)。提拉法生長晶體的缺點(diǎn)1)一般要用坩堝作容器，導(dǎo)致熔體有不同程度的污染2)當(dāng)熔體中含有易揮發(fā)物時，則存在控制組分的困難3)適用范圍有一定的限制。例如，它不適于生長冷卻過程中存在固態(tài)相變的材料，也
6、不適用于生長反應(yīng)性較強(qiáng)或熔點(diǎn)極高的材料，因為難以找到合適的坩堝來盛裝它們總之，提拉法生長的晶體完整性很高，面其生長速率和晶體尺寸也是令人滿意的。設(shè)計合理的生長系統(tǒng)、精確面穩(wěn)定的溫度控制、熟練的操作技術(shù)是獲得高質(zhì)量晶體的重要前提條件坩堝下降法該方法的創(chuàng)始人是P.W.Bridgman，論文發(fā)表于1925年。D.C.Stockbarger曾對這種方法的發(fā)展作出了重要的推動，因此這種方法也可以叫做布里奇曼－斯托克巴杰方法,簡稱B-S方法。該方法的特點(diǎn)是使熔體在坩堝中冷卻而凝固。坩堝可以垂直放置，也可以水平放置
7、(使用“舟”形坩堝)，如下圖所示。生長時，將原料放入具有特殊形狀的坩堝里，加熱使之熔化。通過下降裝置使坩堝在具有一定溫度梯度的結(jié)晶爐內(nèi)緩緩下降，經(jīng)過溫度梯度最大的區(qū)域時，熔體便會在坩堝內(nèi)自下由上地結(jié)晶為整塊晶體。坩堝下降法示意圖坩堝下降法原理下降法一般采用自發(fā)成核生長晶體，其獲得單晶體的依據(jù)就是晶體生長中的幾何淘汰規(guī)律，原理如下圖所示。在一根管狀容器底部有三個方位不同的晶核A、B、C，其生長速度因方位不同而不同。假設(shè)晶核B的最大生長速度方向與管壁平行，晶核A和C則與管壁斜交。由圖中可以看到，在生長過程
8、中，A核和C核的成長空間因受到B核的排擠而不斷縮小，在成長一段時間以后終于完全被B核所湮沒，最終只剩下取向良好的B核占據(jù)整個熔體而發(fā)展成單晶體，這一現(xiàn)象即為幾何淘汰規(guī)律為了充分利用幾何淘汰規(guī)律，提高成品率，人們設(shè)計了各種各樣的坩堝。如左圖所示。其目的是讓坩堝底部通過溫度梯度最大的區(qū)域時，在底部形成盡可能少的幾個晶核，而這幾個晶核再經(jīng)過幾何淘汰，剩下只有取向優(yōu)異的單核發(fā)展成晶體。經(jīng)驗表明，坩堝底部的形狀也因晶體類型不同而有所差異。坩堝下降法的優(yōu)點(diǎn)1)由于可
