磁场拉晶技术简介

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1、磁场拉晶技术简介韩玉杰孙同年摘要本文回顾T磁场拉晶的历史，并对磁拉Si、GaAs~InP的原理、装置、生长技术以夏发展水平作7简要的描述，评价了磁社单晶的电学、光学性能和结晶学特性，概括性地对磁拉单晶与檄重力下生长的晶体作7比较。一、前根曾对磁拉GaAs单晶作过详细介绍”，本文言则综合简介siGaAs及InP的磁拉单晶技术。大规模集成电路和光电器件需要洼能均匀，缺陷少、质量高的Si和GaAs单晶。激光二极管和探测器以及光纤通信系统FET也需要完美的InP晶体。GaAsInP还是高速和超高速电路以及微波器件和毫米波器件有潜力的基础材料，同时随着晶体尺寸的不断增大，对晶体的机械强度等参数也提出了一

2、定的要求。因此利用直拉技术可重复地制备符台上述需要f侍单晶体，业已成为材料科学工作者亟待解决的问题。由于Si，GaAs和InP的熔体都导电，因此通过磁场的作用，并调节生长参数，可以有效地抑制热对流1965年麻省理工学院在InSb生长中第一次采用磁拉技术，但直到1980年日本索尼公司星金冶等人才首次用于si直拉生长，并在当年电化学学会年会上以及1981年国际半导体Si会议上发表“”“。日本NTT改善了水平磁拉存在的固有热不对称性，从而大大提高了晶体的性能和均匀性。由于高压和液封等技术同题柏存在，直到1982~日本光电共同研究实验室K·Teraski—I11~,等首次研究了磁场对GaAsLEC生长

3、过程和晶体生长特性的影响””。1986年日车光电共同研究实验室H·Miyairi等以及T·Satoh等率先作了InP的磁拉单品生长”””。莫培二、磁场拉晶的原理从电磁学的观点来看，导电的流体在磁场中运动，流体的电流微元穿过磁力线，产生作用于其上的安培力⋯dF：I(dL×dB)(1)该力的方向正好同电流微元的运动方向相反，因此可以阻滞流体的热对流。另一方面，根据流体力学的分析，用直拉法生长单晶时，在熔体中同l时存在着两种类型的液流，即由温度梯度造成的自然对流和晶体和／或坩埚旋转造成的强追对流。自然对流是由浮力作甩造成的，强迫对流班Ⅱ是由晶体旋转和／或坩埚旋转以及熔休牯滞度造成的。这两种对流都会对

4、热量输运和质量输运产生重大的影响，并决定着生长界面的形状、杂质在晶体横截面的分布和晶体完整性。自然对流的状况可用流体力学的无量纲数一瑞利数R．来描述．等㈣式中Bt为熔体的热膨胀系数，G为重力加速度，l为容器的几何参数，通常取为坩埚中熔体的深度h，也有取生长过程中熔体高度与直径比h／d的，为熔体的粘滞系数，k为熔体的热导率，dT／dZ为熔体的纵向温度梯度。R．是代表具有不稳定倾向的浮力和25维普资讯http://www.cqvip.com具有稳定倾向的牯滞力之比。当R．增大时，自然对流将加强，熔体中的浮力和牯滞力效应相抵消时，熔休的稳定眭处于被破坏的临界状态，此时R。=R．。称为临界瑞利数。由于

5、导出式(2)所依赖均理论模型比较粗糙，所以无法精确地『上计瑞利数的临界值，对于不同的熔体和熔体系统，R．。是不同的。当R．>R。。时，浮力大于陆滞力，必恪产生自然对流

6、当R。远走于R。时，熔奉会产生不稳定时流(湍流)并引起熔体的温室振荡，这种振荡能够影响杂质在界面的微分凝，产生生民条纹，使晶体横截面l的电学性质，光学性质不均匀。为了抑制这种现象，目前可采用方法有：(a)减小熔体的温度梯度，使R。变小(b)正确选择容器的形状和尺寸，特别是纵横比，有人曾在熔体中放置挡板，来减小对流的有效体积，增加熔体曲稳定l生，但f的许低是受到拉品条件限制的。另外，f的减小使自由表面层络洋的径向流动速度增大，那么

7、增大u值便是关键措施了。(c)使坩埚下部的熔沐玲却凝固，仪使上部材料熔化，从上部的熔体中拉晶。(d)在失重的条件下进行生民(如在宇宙实验室)。从式(2)可知u的增大和G的减小是等价的，因此强磁场下生长的晶庠和微重力下生长的晶体相类似。微重力下，由于重力驱动的对流受到抑制，固液界面处温度波动变小，化学配比偏离较小，从而消除了密排杂质条纹。杂质分凝同磁拉嗥晶规律类似，深中心种类和浓度减小，本征缺陷和位请较少，改善了晶体的完整性和均匀性，因此晶体的光学和电学性能和磁拉晶体类似。但微重力下拉晶受各方面技术条件限制，难以在产业界应用，因此，应大力开展磁拉晶体的研究。(e)双坩埚法，即熔体流入一个小坩埚中

8、，在较小的坩埚中拉晶。(1)用强迫对流米控蹦自然流，陈旋转晶体外，还可以用电磁力来搅拌熔率。(g)对于导电的熔体，使一个一定大小的恒磁场构磁力线与主要热流方向一致，可以2暑有效地抑制热对流。熔体不导电，但电导率随温度而变化，可用一恒电场使其稳定。若它的介电常数随温爱而变化，可用一交变电叻使其趋于稳定。直拉法中强迫对流是通过晶体和坩埚的旋转来实现内，描述强迫对流的无量纲数叫雷诺数(R．)。对于熔体R