蓝宝石长晶方法介绍

自1902 年用焰熔法得到第一颗人工宝石至今，各种人工生长蓝宝石晶体的工艺不断发展，诞生了焰熔法、提拉法、泡生法等十余种晶体生长方法。这些方法各有利弊，应用领域各不相同。目前工业化应用的主要工艺有热交换法、泡生法、提拉法、导模法以及 VHGF 法等。

1、提拉法(CZ法)
先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再使晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭。

2、泡生法（KY法)
其原理与提拉法一样，先将原料熔化，再以晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶锭。

3、导模法(EFG)
导模法是将原料置于铱坩埚中，由射频感应加热线圈加热原料使之熔化，于坩埚中间放置一铱制模具，利用毛细作用让熔汤摊平于铱制模具的上方表面，形成一薄膜，放下晶种使之碰触到薄膜，于是薄膜在晶种的端面上结晶成与晶种相同结构的单晶。晶种再缓慢往上拉升，逐渐生长单晶。同时由坩埚中供应熔汤补充薄膜，由于此薄膜之边缘受到铱模所限定，并扮演持续喂料以供晶体生长之用，所以称为限定边缘膜喂法，简称导膜法。

4、热交换法(HEM)
热交换法的基本原理是利用热交换器带走热量，使生长炉内形成一个下冷上热的纵向温度梯度，通过控制热交换器内气体流量及加热功率的大小来控制温场，从而实现晶体的生长，其实质是熔体在坩埚内的直接凝固。        
将装有原料的坩埚放在热交换器中心，籽晶置于坩埚底部中心，加热坩埚内的原料至完全熔化，由于氦气流过热交换器冷却，籽晶并不熔化。待温场稳定后，逐渐加大氦气流量，从熔体中带走的热量随之加剧，使熔体沿籽晶逐渐凝固并长大，直至整个坩埚内的熔体全部凝固。

其他
一、GaN外延层的衬底材料1、SiC与GaN晶格失配度小，只有3.4%，但其热膨胀系数与GaN差别较大，易导致GaN外延层断裂，并制造成本高，为蓝宝石的10倍2、Si成本低，与GaN晶格失配度大，达到17%，生长GaN比较难，与蓝宝石比较发光效率太低。3、蓝宝石晶体结构相同（六方对称的纤锌矿晶体结构），与GaN晶格失配度大，达到13%，易导致GaN外延层高位错密度（108—109/cm2）。为此，在蓝宝石衬底上AlN或低温GaN外延层或SiO2层等，先进方法可使GaN外延层位错密度达到106/cm2水平。一般来说，蓝宝石单晶的位错密度达到104/cm2数量级，就对GaN外延层位错密度（108—109/cm2）影响不大。