晶體完整性的控制

1、10.5 晶體完整性的控制晶體生長(zhǎng)方法很多，在不同的生長(zhǎng)方法中缺陷的形式又各有不同特點(diǎn)。下面只從提拉法生長(zhǎng)晶體的角度出發(fā)去分析生長(zhǎng)條件和晶體缺陷之間的關(guān)系，以及減少或消除晶體缺陷的方法。之所以選擇提拉法為例，是因?yàn)樵摲椒ㄗ罹咂毡樾?，所得結(jié)論也易于推廣至其他生長(zhǎng)方法中去。同時(shí)也需指明，下面對(duì)缺陷成因的敘述和分析方法，純粹是為了從生長(zhǎng)的角度去尋找解決缺陷形成的辦法，而不是對(duì)缺陷的成因進(jìn)行分類。由第四章4.8的內(nèi)容可以知道，晶體生長(zhǎng)速率的變化，必然會(huì)引起溶質(zhì)有效分凝系數(shù)的變化，于是晶體中就會(huì)出現(xiàn)溶質(zhì)濃度不均勻分布的生長(zhǎng)層或是雜質(zhì)，包裹物等。如果是生長(zhǎng)速率波動(dòng)太大，還有可能會(huì)產(chǎn)生間歇式的組分過冷。引起

2、晶體生長(zhǎng)速率波動(dòng)的因素很多。物質(zhì)條件對(duì)晶體完整性的影響（1）生長(zhǎng)設(shè)備的穩(wěn)定性提拉法生長(zhǎng)晶體需要有一個(gè)理想的傳動(dòng)系統(tǒng)，使晶體或坩堝能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直均勻地運(yùn)動(dòng)。生長(zhǎng)裝置的機(jī)械振動(dòng)、籽晶桿的蠕動(dòng)以及提升與下降速度的突變，都會(huì)給晶體以不穩(wěn)定的生長(zhǎng)速率。所以，生長(zhǎng)系統(tǒng)通常都是由無振動(dòng)的支架、精密的導(dǎo)軌和伺服電機(jī)所組成。可以提供大范圍內(nèi)的拉速和轉(zhuǎn)速。晶體的拉速一般為每小時(shí)零點(diǎn)幾毫米到幾十毫米，轉(zhuǎn)速為1200r/min.穩(wěn)定的傳動(dòng)系統(tǒng)是生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體的重要條件之一。在生長(zhǎng)層（亦稱生長(zhǎng)條紋）的缺陷中，有一種是旋轉(zhuǎn)性生長(zhǎng)條紋的缺陷，它是在提拉法生長(zhǎng)系統(tǒng)中，由于晶體的旋轉(zhuǎn)軸與溫場(chǎng)的對(duì)稱軸不一致所導(dǎo)致的生長(zhǎng)層，

3、因?yàn)榫w轉(zhuǎn)軸與溫場(chǎng)對(duì)稱軸不一致，當(dāng)晶體旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，界面上各點(diǎn)的溫度將出現(xiàn)一次波動(dòng)，當(dāng)然也就引起生長(zhǎng)速率的波動(dòng)，而且一般說來，轉(zhuǎn)軸與對(duì)稱軸之間的距離越大，生長(zhǎng)速率的波動(dòng)也就越大，對(duì)同一晶體而言，越接近晶體邊緣，生長(zhǎng)速率的波動(dòng)就越大，對(duì)同一晶體而言，越接近晶體邊緣，生長(zhǎng)速率的起伏也就越大。消除的辦法是嚴(yán)格保證晶體轉(zhuǎn)軸與加熱器的溫場(chǎng)對(duì)稱軸重合。這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)爐膛時(shí)，盡量使加熱器、保溫罩或保溫層具有對(duì)稱性，并使對(duì)稱軸與坩堝對(duì)稱軸、晶體旋轉(zhuǎn)軸一致。晶體生長(zhǎng)時(shí)需要保持界面溫度的穩(wěn)定，如果溫度控制系統(tǒng)的精度較差。那么由于加熱功率或散熱功率的波動(dòng)將使界面溫度產(chǎn)生波動(dòng)。同樣也會(huì)使晶體的生長(zhǎng)速率出現(xiàn)波動(dòng)，如用

4、提拉法生長(zhǎng)YAG:Nd3-晶體，對(duì)溫度穩(wěn)定性程度的要求就比較高。溫度波動(dòng)要控制在正負(fù)1C的范圍之內(nèi)才不至于產(chǎn)生宏觀缺陷。晶體生長(zhǎng)過程中，熱交換條件是在不斷變化的，如果溫度控制系統(tǒng)的精度不高，還會(huì)影響晶體的等徑控制。（2）有害雜質(zhì)的影響熔體中的雜質(zhì)通常來自不純的原料或配比不恰當(dāng)?shù)脑?。生長(zhǎng)環(huán)境（如發(fā)熱體、坩堝、絕緣材料、保護(hù)氣氛等）也可能造成污染。此外，原料的非同成分揮發(fā)，使熔體偏離恰當(dāng)?shù)脑吓浔?，過剩的組分也可以雜質(zhì)的形式存在。一般來說，雜質(zhì)的存在對(duì)晶體生長(zhǎng)而言都是不利的，他們進(jìn)入晶體中的速率取決于分凝系數(shù)、溫度梯度及生長(zhǎng)速率等因素。為了獲得高質(zhì)量的晶體，應(yīng)盡量采用高純度的原料，如生長(zhǎng)yag：

5、na晶體的原料，常用的Y2O3純度為4N5N，AL2O3粉末的純度為4N，用上述純度的原料生長(zhǎng)出的晶體基本上能滿足目前對(duì)激光晶體的要求。同時(shí)，對(duì)發(fā)熱體、坩堝等材料應(yīng)認(rèn)真選擇，將由此造成的污染降至最低限。例如，為了避免電阻加熱爐揮發(fā)造成的污染，生長(zhǎng)高純度的GE單晶時(shí)，大多采用射頻加熱，并使用經(jīng)過區(qū)域熔化制備的最純的原材料。對(duì)于半導(dǎo)體材料，鵬元素起電子受主的作用，屬特別有害的雜質(zhì)，因此在生長(zhǎng)時(shí)，一定要選用無硼石墨為坩堝材料。對(duì)于分凝系數(shù)小于1的雜質(zhì)，可以通過控制固-液界面的形狀，達(dá)到減少晶體中雜質(zhì)含量的目的。凹形固-液界面往往會(huì)將氣泡、雜質(zhì)、包裹物等長(zhǎng)入晶體內(nèi)部。而微凸型的固液界面不僅有利于減少錯(cuò)

6、位和應(yīng)力的產(chǎn)生，而且也易于將雜質(zhì)排向熔體。所以，在生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，總是要調(diào)整生長(zhǎng)工藝和溫場(chǎng)分布（如采用后繼加熱器等），盡量使固-液界面保持凸型或平型，應(yīng)避免凹型界面。有些雜質(zhì)可以原子或離子的形式長(zhǎng)入晶體，它們或進(jìn)入填隙位置，或取代正常格位上的原子或離子，它們的存在不僅會(huì)使晶格發(fā)生變化而產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，而且會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞晶體的光學(xué)性質(zhì)或電學(xué)性質(zhì)，如激光晶體中的鐵雜質(zhì)，半導(dǎo)體晶體中的銅、鎳等。同時(shí)，這些長(zhǎng)入晶體中的雜質(zhì)，也有可能會(huì)誘發(fā)其他類型的點(diǎn)缺陷。雜質(zhì)對(duì)晶體完整性的影響取決于雜質(zhì)的類型和濃度，降低晶體的生長(zhǎng)速率將有助于減少晶體中雜質(zhì)的含量。用離子交換技術(shù)或萃取技術(shù)提純后的原料，純度可有大幅度提高，如采

7、用稀土分離技術(shù)，就比較容易得到高純度的Y2O3，基本上可以消除雜質(zhì)離子dy3+和Sm3-對(duì)1.06um的吸收。除了原料可能引入有害雜志以外，生長(zhǎng)環(huán)境和材料的揮發(fā)對(duì)熔體造成的污染也必須重視，必要時(shí)可采用lec技術(shù)或無坩堝生長(zhǎng)技術(shù)。（3）籽晶提拉法優(yōu)于其他生長(zhǎng)技術(shù)的原因至少有兩點(diǎn)：可使用定向籽晶；可以采用特殊技術(shù)，以消除或部分消除籽晶中的缺陷，提高晶體的完整性和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。籽晶取向的選擇是很重要的。它對(duì)晶體的生長(zhǎng)速度、質(zhì)量、雜質(zhì)分布等均有影響，要保證選擇最佳取向。對(duì)具體晶體而言，何種取向?yàn)樽罴?，目前主要是靠?shí)踐憑經(jīng)驗(yàn)來選定。例如，生長(zhǎng)linbo3晶體，發(fā)現(xiàn)沿其c軸生長(zhǎng)的晶體，光學(xué)質(zhì)量要優(yōu)于沿a軸

8、生長(zhǎng)的晶體。還有像gaas這樣的極性材料，其（111）面或者將ga原子或者將as原子“暴露”于熔體之中，在這兩種情況下，生長(zhǎng)的晶體的完整性是不同的。用（111）方向作為生長(zhǎng)方向比用(-1-1-1)方向容易得到好的晶體。就是說，對(duì)于這一類材料，把籽晶調(diào)一個(gè)頭來使用效果可能會(huì)好些。據(jù)報(bào)導(dǎo)，采用lec技術(shù)已生長(zhǎng)出高質(zhì)量無錯(cuò)位的gap晶體，其中一個(gè)重要條件就是采用了（111）籽晶（即將ga原子面暴露于熔體中），而采用（-1-1-1）籽晶（即p原子面暴露于熔體中）是得不到無錯(cuò)位晶體的。另外，對(duì)于具有低對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的材料，其熱學(xué)性能往往具有較強(qiáng)的各向異性，用高次對(duì)稱軸作為生長(zhǎng)方向可能會(huì)有好處。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果

9、籽晶的質(zhì)量不好，那么籽晶中的繼承性缺陷（如位錯(cuò)、晶界等）會(huì)引申到晶體中去。要想獲得高質(zhì)量無位錯(cuò)晶體，籽晶的選擇和處理要格外嚴(yán)格。首先是盡量選取完整性好的晶體作為籽晶，但這并不是總能實(shí)現(xiàn)的。那么對(duì)所選用的籽晶，在使用之前必須注意，要確實(shí)把所有的加工損傷、污染物以及殘留應(yīng)力消除去?？刹捎们治g法除去加工損傷層，采用長(zhǎng)時(shí)間的退火消除應(yīng)力。當(dāng)籽晶固定于籽晶桿上后，應(yīng)當(dāng)緩慢地降向熔體，以避免因熱沖擊而產(chǎn)生應(yīng)力。提高晶體完整性有一項(xiàng)重要技術(shù)，就是“縮頸”。熔體充分加熱，使籽晶適當(dāng)?shù)鼗厝垡徊糠郑ㄈ缈赏ㄟ^提高熔體溫度來實(shí)現(xiàn)）。回熔使晶體的直徑盡可能縮?。ㄈQ于能負(fù)擔(dān)所要生長(zhǎng)晶體的重量）。當(dāng)晶體生長(zhǎng)出一段明顯變細(xì)

10、的長(zhǎng)度之后，可讓生長(zhǎng)的晶體增大直徑，直至欲生長(zhǎng)的晶體直徑。這一過程稱為放肩，放肩的快慢也隨不同的晶體而異。如有必要的話，縮頸工藝可重復(fù)幾次，以排除任何非軸向位錯(cuò)。圖10.21中，（a）表示縮頸可以減少傳播到正在生長(zhǎng)的晶體中去的微晶數(shù)目；（b）表示任何非軸向位錯(cuò)由于采用縮頸技術(shù)而將逐步被排除。晶體提拉法的理想籽晶是所生長(zhǎng)材料的無缺陷的定向單晶。當(dāng)這并不是總能得到的。特別是當(dāng)開始研究一種新材料的時(shí)候。因此，要采用其他類型的籽晶。這些可能是：1）同一材料的多晶體2）另一材料的單晶。3）金屬絲或金屬管。對(duì)采用同一材料的多晶作為籽晶時(shí)，如有可能最好將這類多晶材料做成管形籽晶，然后利用縮頸技術(shù)以獲得所需的

11、單晶。當(dāng)采用另外一種材料的單晶作為籽晶時(shí)，必須要滿足某些嚴(yán)格的要求：必須具有所生長(zhǎng)材料相同的晶體結(jié)構(gòu)；必須具有較高的熔點(diǎn)；必須具有相似的晶格常數(shù)。利用金屬絲或金屬管做籽晶，常常用在新材料上使之先生成多晶粒，然后通過縮頸再獲得所需單晶。對(duì)于絲或管的要求與對(duì)坩堝的要求相同，即不能與熔體起反應(yīng)或溶解于熔體。管型籽晶的內(nèi)徑要小，在小端接觸熔體時(shí)，少量的熔體能夠被吸到管里去，并在里邊固化，生長(zhǎng)時(shí)起到籽晶的作用，同時(shí)，管子的內(nèi)壁最好粗糙一些，使固化的材料與管壁結(jié)合得牢固些。管頂也不能封閉，否則管內(nèi)聚積的氣體將阻礙熔體進(jìn)入毛細(xì)管。難熔金屬和石墨是做管的合適材料，也有使用陶瓷材料的。（4）襯底的影響熱力學(xué)因素

12、的影響（1）平衡態(tài)熱缺陷晶體中由于晶格的熱振動(dòng)而產(chǎn)生的缺陷和復(fù)合是處于一種平衡的狀態(tài)，因此晶體中總是存在一定數(shù)目的熱缺陷。我們可以把熱缺陷的濃度與生成能及溫度的關(guān)系歸納為式（10.2）既適合于弗侖克爾缺陷也適合于肖特基缺陷，其區(qū)別取決于缺陷的生成能E。如果E是弗侖克爾缺陷的生成能，n/N即表示弗倫克爾缺陷的濃度。表10.2是根據(jù)式（10.2）計(jì)算的缺陷濃度：從表中可見缺陷的生成能對(duì)缺陷濃度的影響是很大的。到目前為止，還不能對(duì)缺陷生成能進(jìn)行精確的計(jì)算，但知道，它的大小是和晶體結(jié)構(gòu)、離子極化率等有關(guān)。同時(shí)，從表中也可以看到，隨著溫度的降低，缺陷濃度將迅速減少，在室溫下，缺陷的濃度是很小的。從熔體中

13、生成晶體，一般是在高溫下進(jìn)行的，這時(shí)晶體中會(huì)有較高的缺陷濃度。隨著晶體溫度的降低，允許存在的缺陷濃度要減小，此時(shí)，晶體中的缺陷數(shù)目將處于過飽和狀態(tài)，這些過飽和的缺陷可以向界面或表面擴(kuò)散，也可以通過位錯(cuò)的漂移而被吸收。如果降溫速度較快，缺陷不能通過擴(kuò)散而消失，它們將聚集在一起而形成宏觀缺陷，如空洞等。除非材料本身有相當(dāng)大的自擴(kuò)散系數(shù)，否則，緩慢的生長(zhǎng)、緩慢的降溫或退火處理對(duì)減少過飽和空位均無明顯效果。同時(shí)，過飽和空位還能促進(jìn)位錯(cuò)或其他微觀缺陷的形成，并能提高位錯(cuò)的增殖率?？瘴唬ɑ蚱渌c(diǎn)缺陷）屬于熱力學(xué)平衡狀態(tài)下的缺陷，因此，盡管現(xiàn)代先進(jìn)的生長(zhǎng)技術(shù)可以成功地生長(zhǎng)大直徑的無位錯(cuò)單晶，但是卻未能完全避

14、免空位帶來的影響。（2）應(yīng)力晶體中的應(yīng)力一般由三種情況產(chǎn)生：熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。晶體中存在的應(yīng)力將引起應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變超過了晶體材料本身塑性形變的屈服極限時(shí)，晶體將發(fā)生開裂，一般是沿解理面開裂。從熔態(tài)中生長(zhǎng)晶體，熱應(yīng)力是比較大的，這是由于晶體生長(zhǎng)溫度高，晶體本身又處于在一個(gè)具有較大溫度梯度的熱場(chǎng)中；當(dāng)晶體提出液面并冷卻至室溫的過程中，晶體中各部分的冷卻速度不一致，也會(huì)在晶體內(nèi)部形成溫度梯度，這種溫度梯度的存在同樣會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；在坩堝下降法中，由于晶體材料和坩堝材料的熱膨脹系數(shù)不同，晶體受到擠壓也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力等等。減小熱應(yīng)力的方法，除了采用后繼加熱器之外，還可以對(duì)晶體采用緩慢降溫退火的工藝，使

15、應(yīng)力得以釋放，特別是對(duì)熱導(dǎo)系數(shù)小，直徑大的晶體，降溫速度就要越慢。化學(xué)應(yīng)力主要是由于雜質(zhì)（包括摻雜）在晶體內(nèi)部分布不均勻引起的，解決的辦法就是嚴(yán)格生長(zhǎng)工藝，特別是要避免由于生長(zhǎng)速率的波動(dòng)在晶體中導(dǎo)致的各種缺陷，使生長(zhǎng)的晶體中化學(xué)成分盡量均勻。對(duì)于某些晶體，當(dāng)從熔點(diǎn)附近的高溫冷卻至室溫過程中會(huì)有相變發(fā)生，這時(shí)由于相變結(jié)構(gòu)的改變而產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力我們稱它為結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由這種應(yīng)力引起的應(yīng)變，將使晶體中出現(xiàn)孿晶或開裂。例如，鈮酸鋇鈉晶體在560C和260C左右有兩次相變過程，尤其是第二次是從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)檎较啵?dāng)降溫速度過快時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)致晶體破碎。此外，在鈮酸鍶鈉鋰、鋁酸鑭、鈦酸鋇等晶體中也存在

16、類似問題。一般的解決辦法是采用較小的溫度梯度和教慢的降溫速度。另外，沿適當(dāng)?shù)木лS對(duì)晶體施加機(jī)械應(yīng)力，可以防止某些晶體出現(xiàn)孿晶。（3）脫溶與共析反應(yīng)關(guān)于脫溶與共析的概念，我們?cè)诘谌轮薪榻B 二元系相圖時(shí)做過說明了。這類反應(yīng)也屬于固態(tài)相變的范疇。由于這一反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生第二相的沉淀物或分解物，故也有可能引起應(yīng)變、位錯(cuò)、孿晶和開裂。為了減少脫溶或共析反應(yīng)帶來的危害，一般的措施是采用較快的生長(zhǎng)速率和較大的溫度梯度（于界面附近）。在生長(zhǎng)過程中，整個(gè)晶體要保持在相變溫度以上，晶體生長(zhǎng)完畢后，采用較快的降溫速率。縮短在相變溫度附近停留的時(shí)間，可以抑制這種緩慢的相變，從而在室溫下得到該晶體的亞穩(wěn)定相。當(dāng)然，上述措施

17、也有它的副作用，因?yàn)檫^快的降溫速率和過高的提拉速度將導(dǎo)致晶體的開裂或出現(xiàn)孿晶。固態(tài)相變還有其他種類。對(duì)于固態(tài)相變，我們只能是盡量抑制或減少由此而產(chǎn)生的危害，使晶體具有可接受的光學(xué)質(zhì)量。如果做不到這一點(diǎn)，就應(yīng)考慮放棄熔體生長(zhǎng)法，而設(shè)法在相變溫度以下生長(zhǎng)該晶體。溫度場(chǎng)的選擇與控制生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體的一個(gè)重要條件，就是要有一個(gè)合適的溫度場(chǎng)。同其他生長(zhǎng)參數(shù)一樣，溫度場(chǎng)對(duì)生長(zhǎng)過程的影響也是多方面的。生長(zhǎng)系統(tǒng)中的溫度分布或者說晶體中、熔體中以及固液界面上的溫度分布（溫度場(chǎng)或溫度梯度），對(duì)生長(zhǎng)晶體的質(zhì)量有決定性影響。同時(shí)，也制約著提拉速度的大小。為了生長(zhǎng)出完整性良好的晶體。必須將溫度分布調(diào)節(jié)至最合適的狀態(tài)。然而

18、，不同類型的晶體有不同的特性，需要控制的主要缺陷也往往不同，它們對(duì)于溫度場(chǎng)的要求自然也各不相同。因此，所謂合適的溫度場(chǎng)并沒有一個(gè)嚴(yán)格的判據(jù)。一般來說，對(duì)于摻雜晶體需要有大的溫度梯度（特別是在界面附近），而對(duì)不摻雜的晶體或者容易開裂的晶體，采用較小的溫度梯度為宜；另外，一般采用平直或微凸型的界面來生長(zhǎng)晶體時(shí)，有助于晶體均勻性的改善，保持固液界面的平直，還可以降低生長(zhǎng)出來的晶體中的位錯(cuò)密度?？刂乒桃航缑娴男纬赏ǔＪ峭ㄟ^調(diào)節(jié)溫度場(chǎng)的溫度分布來是實(shí)現(xiàn)的。凹型的生長(zhǎng)界面，不僅會(huì)在晶體中形成較多的雜質(zhì)或包裹物，而且還會(huì)隨著生長(zhǎng)的不斷進(jìn)行，位錯(cuò)會(huì)不斷增多，以至形成小角晶界。平直的或微凸型的界面，有助于改善晶

19、體性質(zhì)的均勻性。在某些情況下，采用凸型界面生長(zhǎng)晶體也有它有利的一面，因?yàn)檫@樣生長(zhǎng)至少可以減少小面生長(zhǎng)的幾率。界面的形狀不僅取決于生長(zhǎng)條件，而且于材料的光吸收特性有關(guān)。對(duì)于高熔點(diǎn)的材料，輻射是熱交換的主要形式，如果晶體強(qiáng)烈地吸收熱輻射，那么晶體中將有較小的溫度梯度，而且常有近于平直的界面。如果晶體對(duì)熱輻射是透明的，熱輻射就會(huì)從界面處通過晶體透射出去，于是晶體往往會(huì)出現(xiàn)凸的生長(zhǎng)界面。改變固液界面的形狀，除了用調(diào)節(jié)溫場(chǎng)分布、改變晶體轉(zhuǎn)速之外，一個(gè)最常用的辦法，就是加上后繼加熱器。因?yàn)檫m當(dāng)?shù)暮罄^加熱器能夠有效地減小晶體中的軸向和徑向的溫度梯度，防止晶體開裂和減小位錯(cuò)密度。當(dāng)然，這種措施不利于導(dǎo)走結(jié)晶潛

20、熱，更不利于克服組分過冷。為了克服組分過冷，需要有大的溫度梯度（軸向分量）；為防止開裂、應(yīng)力和降低位錯(cuò)密度，要求小的溫度梯度。以上僅僅是一般地提到固液界面處軸向的溫度梯度，當(dāng)我們比較仔細(xì)地分析熱流對(duì)固液界面的影響時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮固液界面的徑向溫度梯度，也必須區(qū)分固液界面中心部位和邊緣部位軸向溫度梯度的不同作用，溫度梯度的大小在很大程度上取決于生長(zhǎng)裝置的結(jié)構(gòu)，包括加熱方式、加熱器、坩堝、后繼加熱器等的尺寸和形狀以及它們之間的相對(duì)位置。只要設(shè)法加大熔體和熔體上方空間中的溫度差，就能加大軸向溫度梯度；只要設(shè)法加大熔體中心部分和周圍部分散熱量的差別，就能加大徑向溫度梯度?？傊瑢?duì)于一種確定的材料，合適的

21、溫度條件只能根據(jù)材料的特性和對(duì)完整性的要求，作出初步判斷后，通過實(shí)驗(yàn)加以解決。10.5.4 溫度波動(dòng)與生長(zhǎng)層在晶體生長(zhǎng)過程中，由于生長(zhǎng)速率的起伏、對(duì)流狀態(tài)的變化等各種不同的原因，影響了生長(zhǎng)過程中溶質(zhì)的分凝，在晶體中便會(huì)留下溶質(zhì)濃度的不均勻?qū)樱@就是通常所說的生長(zhǎng)層（條紋）。生長(zhǎng)層是晶體生長(zhǎng)，特別是熔體生長(zhǎng)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的微觀缺陷之一。關(guān)于生長(zhǎng)層得形成機(jī)制，公認(rèn)的觀點(diǎn)是在非穩(wěn)態(tài)的生長(zhǎng)條件下，熔體中的溫度會(huì)出現(xiàn)起伏，這種起伏會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)速率的起伏。而在不同的生長(zhǎng)速率下，又會(huì)有不同的有效分凝系數(shù)，于是在晶體中就會(huì)出現(xiàn)溶質(zhì)濃度的起伏。熔體中的溫度起伏可以認(rèn)為有來自兩方面的原因：（1） 熔體本身的熱流不穩(wěn)

22、定性造成溫度的起伏或震蕩。圖10.22表示，在電阻爐內(nèi)被加熱的熔體中，把未加屏蔽的熱電偶插入坩堝中心熔體表面下1mm處所記錄的溫度曲線。這種溫度起伏，并不是溫度控制中的起伏引起的，而確實(shí)是由于熔體中，不規(guī)則的熱對(duì)流引起的。緊靠界面處熔體溫度的起伏引起生長(zhǎng)速度的起伏。故在這樣存在不規(guī)則對(duì)立的情況下，真實(shí)的生長(zhǎng)速率可以在提拉速度的幾分之一到幾倍之間變化。因此，若要改善晶體的均勻性，就必須抑制不穩(wěn)定對(duì)流產(chǎn)生的溫度起伏。若坩堝中存在溫度梯度和重力場(chǎng)方向一致的情況，如坩堝采用底部加熱的方式，垂直溫差將使坩堝中產(chǎn)生自然對(duì)流，描述這類無量綱數(shù)的是瑞利數(shù)（Rayleigh number）Ra, 數(shù)，x為熱擴(kuò)散

23、系數(shù)。這是由于垂直的溫度差引起的自然對(duì)流，如果將如果熔體的Ra數(shù)超過某一數(shù)值，就相當(dāng)于浮力克服了粘滯力，就要發(fā)生自然對(duì)流。若Ra數(shù)超過某一臨界值，熔體中就會(huì)出湍流，Ra數(shù)值越大，湍流越強(qiáng)烈。因此減少溫度起伏的辦法就是降低Ra，如采用減小T（可在坩堝上部放置后繼加熱器）或減小熔體深度h（可在坩堝中放置擋板，以減小熔體的有效h值）等技術(shù)手段。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)晶體中產(chǎn)生的強(qiáng)迫對(duì)流，正如第四章4.6節(jié)中所介紹的，它是由雷諾數(shù)Re來描述的。當(dāng)Re超過臨界值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)溫度的不穩(wěn)定性。減少晶體的轉(zhuǎn)速或晶體的直徑，可以減小Re值，從而減小由于強(qiáng)迫對(duì)流可能引起的溫度不穩(wěn)定性。另外，對(duì)于電子導(dǎo)電的熔體，可以通過施加磁場(chǎng)

24、，使溫度震蕩得到衰減。（2） 生長(zhǎng)條件的變化例如，無規(guī)則的氣體對(duì)流引起的晶體散熱量的起伏，加熱功率的起伏，循環(huán)冷卻水壓的波動(dòng)，機(jī)械生長(zhǎng)裝置的不穩(wěn)定性以及溫場(chǎng)的不對(duì)稱性等，都會(huì)引起熔體中的溫度起伏而在晶體中形成生長(zhǎng)層。這些內(nèi)容已在有關(guān)章節(jié)中作了介紹。生長(zhǎng)層得形狀和生長(zhǎng)界面的形狀是完全一致的。如果生長(zhǎng)層是平面，晶體中就只有軸向的成分不均勻性。如果生長(zhǎng)層是曲面，則既有軸向，也有徑向的成分不均勻性。這時(shí)，晶體中不同部位的物理性能是不同的。同時(shí)，溫度波動(dòng)造成的瞬時(shí)生長(zhǎng)速率的起伏，不僅能產(chǎn)生成分不均勻的生長(zhǎng)層，而且能使晶體中產(chǎn)生位錯(cuò)。總之，若要改善晶體的均勻性，制備品質(zhì)優(yōu)良的晶體，一方面是要改善生長(zhǎng)的物質(zhì)

25、條件（如設(shè)備的精密度、原料的純度、揮發(fā)和污染的控制等），另一方面就是要抑制不穩(wěn)定對(duì)流產(chǎn)生的溫度起伏。有著者將生長(zhǎng)層形成的原因總結(jié)于表10.3.如下表10.3 引起晶體生長(zhǎng)分層的幾種原因和機(jī)制小面生長(zhǎng)當(dāng)采用提拉法生長(zhǎng)晶體時(shí)，固液界面的形狀，除了會(huì)對(duì)晶體的質(zhì)量產(chǎn)生如上的影響之外，還有可能在晶體中引入一種稱為“花瓣”的缺陷-小面。例如，用高頻加熱提拉法生長(zhǎng)的YAG:Nd3+晶體，利用光學(xué)干涉儀檢查晶體質(zhì)量時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)沿（111）方向生長(zhǎng)的晶體，可看到三重對(duì)稱的應(yīng)力集中區(qū)。用電子探針做微區(qū)成分分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)中的:Nd3+離子的摻雜濃度要比晶體本身的濃度高出20%。:Nd3+離子濃度的集中，造成了

26、該區(qū)域化學(xué)應(yīng)力的形成，:Nd3+離子的濃度增高和應(yīng)力的形成，便使得該區(qū)域的折射率高于周圍區(qū)域，于是，便形成了可以觀察到得形狀似“花瓣”的缺陷。進(jìn)一步的分析證明，這些“花瓣”是由112小面形成的。同樣也會(huì)發(fā)現(xiàn)，若生長(zhǎng)軸為<110>、<100>方向時(shí)，會(huì)出現(xiàn)四重對(duì)稱的應(yīng)力集中區(qū)。生長(zhǎng)軸為<211>方向時(shí)，會(huì)出現(xiàn)五重對(duì)稱的應(yīng)力集中區(qū)。圖10.23（a）是有“花瓣”晶體的應(yīng)力干涉圖，（b）是沒有“花瓣”晶體的應(yīng)力干涉圖。實(shí)驗(yàn)指出，YAG:Nd3+晶體中的小面，多發(fā)生在112面和110面上。圖10.25是沿<111>方向提拉的石榴石晶體上出現(xiàn)小面得示意圖。其中只表示出顯露出來的三個(gè)與提拉軸夾角為18°25的112小面。若固液界面的曲率半徑較小，三個(gè)與提拉軸夾角為35°16的110小面也會(huì)顯露出來。關(guān)于小面形成的動(dòng)力學(xué)解釋，我們已經(jīng)在第八章8.5節(jié)中做過介紹。由于小面上更容易淀積雜質(zhì)，所以它在晶體中，會(huì)形成一個(gè)幾乎從籽晶抑制延伸到晶體底部的管狀缺陷。