高 笑，劉俊成，翟慎秋

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

移動(dòng)加熱器法晶體生長工藝的研究進(jìn)展

高 笑，劉俊成，翟慎秋

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

移動(dòng)加熱器法被認(rèn)為是一種切實(shí)可行的生長大尺寸、高質(zhì)量單晶體的方法，它結(jié)合了液相外延和區(qū)熔提純的優(yōu)點(diǎn).本文闡述了移動(dòng)加熱器法晶體生長的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)，綜述了相關(guān)加熱方式、晶體生長過程中的質(zhì)量輸運(yùn)和熱交換，并探討了工藝條件(如重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、強(qiáng)迫對(duì)流等和晶體生長速率)對(duì)移動(dòng)加熱器法生長晶體過程與晶體質(zhì)量的影響，最后對(duì)移動(dòng)加熱器法的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.關(guān)鍵詞: 晶體生長工藝；移動(dòng)加熱器法；基本原理；加熱方式；工藝條件；生長速率

移動(dòng)加熱器法(THM)是近年來備受關(guān)注的晶體生長方法.它可以在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下生長高質(zhì)量的塊狀化合物或合金半導(dǎo)體晶體，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.20世紀(jì)70年代移動(dòng)加熱法生長晶體的概念被提出以來[1]，美國、日本等國家已對(duì)其進(jìn)行了大量的研究[2-4].在使用移動(dòng)加熱器法進(jìn)行晶體生長的過程中，控制生長界面的形狀是非常重要的.通常來說，生長界面最好是平界面或略微突出的界面，這樣可以避免出現(xiàn)溶劑夾雜和多晶生長.然而，在生長過程中控制生長界面的形狀很難，因?yàn)樯L界面不僅受到溶液中對(duì)流作用的影響，還受到生長界面和溶解界面附近熱量和質(zhì)量傳遞的影響[5].

本文簡要介紹了THM晶體生長的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及加熱方式，闡述了晶體生長過程中的質(zhì)量輸運(yùn)和熱交換，探討了晶體生長過程中重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、強(qiáng)迫對(duì)流和晶體生長速率等工藝參數(shù)對(duì)THM晶體生長過程以及晶體質(zhì)量的影響.

1 THM晶體生長的基本原理

1.1 THM晶體生長的基本原理

THM晶體生長的基本原理是，坩堝的底部放入籽晶，籽晶的上方裝入適量的溶劑，溶劑區(qū)上方放入預(yù)先合成的多晶料，如圖1所示.溶劑區(qū)的物料要壓實(shí)，防止上方溶解的多晶料直接落到籽晶表面.抽掉坩堝中的空氣并進(jìn)行密封.將坩堝放入晶體生長爐時(shí)，溶劑區(qū)要位于爐膛溫度最高的位置.隨著加熱器的向上移動(dòng)，多晶原料溶解并進(jìn)入溶劑區(qū)形成溶液，而在下方低溫區(qū)溶液過飽和，其中溶解的溶質(zhì)又重新析出，沉積在溶液下方的生長界面上.加熱器的連續(xù)移動(dòng)確保生長過程穩(wěn)定進(jìn)行.在整個(gè)生長過程中，生長速率是由溶質(zhì)運(yùn)輸速度和生長界面的穩(wěn)定性及形狀決定.溶劑區(qū)和生長界面處要有較大的溫度梯度，以保證溶質(zhì)運(yùn)輸?shù)挠行?，防止溶質(zhì)直接落到生長界面上.最終得到的生長界面應(yīng)該是平坦的或中間略凸的，防止在生長過程中出現(xiàn)雜質(zhì)和缺陷的積累[6].

1.2 THM晶體生長的優(yōu)缺點(diǎn)[7-9]

一般的熔體法晶體生長技術(shù)，如提拉法和垂直梯度法，是在高于熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行晶體生長，物料中的某種組分會(huì)產(chǎn)生反位取代，最終得到的晶體成分會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離原有的化學(xué)計(jì)量比.而在較低的溫度下用移動(dòng)加熱器法生長晶體，會(huì)減少反位取代缺陷的發(fā)生，得到的晶體組分更加均勻，電阻率也較高.較低的溫度也會(huì)減小坩堝壁的污染，降低反應(yīng)物的蒸汽壓.用移動(dòng)加熱器法生長得到的三元化合物晶體的組分非常均勻.但是，移動(dòng)加熱器法生長晶體的過程中也有2個(gè)不足之處.第1個(gè)是晶體生長需要有籽晶的加入，籽晶必須是通過其他技術(shù)如布里奇曼法或氣相生長法獲得的.這極大地增加了移動(dòng)加熱器法商業(yè)化生產(chǎn)的成本.第2個(gè)不足之處是移動(dòng)加熱器法的生長速率很低，每天只生長幾個(gè)毫米.這2個(gè)缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了移動(dòng)加熱器法在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用.由于上述幾方面原因，在過去的三十多年間，很多專家學(xué)者對(duì)移動(dòng)加熱器法晶體生長進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究.

在大多數(shù)晶體生長過程中，坩堝的傳熱特性決定了生長界面的形狀.來自安瓿底部中心的熱量會(huì)使生長界面產(chǎn)生一定的曲率，所以，在使用移動(dòng)加熱器法生長晶體時(shí)，坩堝的選擇就顯得尤為重要.一般選擇底部為錐形的坩堝，它可以有效地分散底部籽晶的熱量，減少生長界面處的溶劑包覆現(xiàn)象.

2 THM晶體生長的加熱方式

2.1 電阻加熱(Electrical Resistance Heating)

電阻加熱法是移動(dòng)加熱器法生長晶體時(shí)使用最多的加熱方法.利用電能作用于電阻性發(fā)熱元件產(chǎn)生的焦耳熱作為熱源對(duì)物料進(jìn)行加熱.它不需要復(fù)雜的設(shè)備和電器線路，簡單易操作.使用電阻加熱法一般能獲得較大并且穩(wěn)定的加熱功率，爐膛內(nèi)的熱場(chǎng)容易調(diào)節(jié)，成本低，但隨著生產(chǎn)水平的不斷提高，對(duì)于爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)控制的精度提出了更高的要求.

盛麗娜等[10]設(shè)計(jì)了一種化合物半導(dǎo)體材料生長裝置，如圖2所示，包括爐架、爐體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，由于電阻絲的分布密度不同，爐膛內(nèi)產(chǎn)生了特定的溫度梯度場(chǎng).

圖2 一種化合物半導(dǎo)體材料生長裝置

閔嘉華等[11]利用電阻式加熱爐，以碲為溶劑生長了CdZnTe晶體，如圖3所示.溫度梯度區(qū)的溫度設(shè)置為800～900 ℃，通過精密的傳動(dòng)裝置，調(diào)整爐體以0.04～2 mm/h的移動(dòng)速度上升.

圖3 電阻式加熱爐

2.2 射頻加熱(Radio Frequency Heating)

生長某些晶體材料時(shí)，需要用到電導(dǎo)率較高的溶劑，這樣的晶體適合用射頻加熱的方法進(jìn)行生長.但是，這種加熱方法在實(shí)際使用的過程中溫度的波動(dòng)較大，不易控制，所以，射頻加熱法一般適用于生長溫度梯度較大的晶體.例如，使用銥(Ir)坩堝在氮?dú)鈿夥障律LYAG單晶體[12]，還有使用氧化鋁坩堝生長YBa2Cu3Ox晶體[13].

2.3 光加熱(Optical Heating)

由多面橢圓反射面構(gòu)成橢圓鏡面反射爐中，紅外線發(fā)射元件產(chǎn)生的紅外線通過橢圓反射面反射，聚焦到熔區(qū)附近，對(duì)溶劑相進(jìn)行加熱.這種加熱方法主要適用于太空中的晶體生長.光加熱方法能夠有效地減少晶體中的缺陷，如氣孔和夾雜相，而且尺寸小，質(zhì)量輕，能量消耗少，產(chǎn)生的熱量、氣體或者輻射對(duì)環(huán)境無太大影響，靈活性強(qiáng)[14].Eyer等[15]設(shè)計(jì)了含有2個(gè)或多個(gè)橢圓鏡面的多橢圓鏡面反射爐，這樣的設(shè)計(jì)提高了溫度對(duì)稱性.從模擬計(jì)算的結(jié)果來看，雙橢圓鏡面反射爐的加熱效果最好，如圖4所示.

圖4 雙橢圓鏡面反射生長爐

表1為使用移動(dòng)加熱器法進(jìn)行晶體生長的實(shí)例.

表1 使用移動(dòng)加熱器法晶體生長實(shí)例

Notes:RH, resistance heating; RF, radio frequency; Opt, optical heating.

3 THM晶體生長過程的控制

單晶材料在工業(yè)應(yīng)用方面，如電學(xué)、光學(xué)和電光裝置研發(fā)等領(lǐng)域，具有特殊的意義.在使用移動(dòng)加熱器法進(jìn)行晶體生長時(shí)，液相區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流.然而在生長過程中溶質(zhì)輸運(yùn)機(jī)制主要靠對(duì)流來實(shí)現(xiàn)，對(duì)流可以促進(jìn)熱量的傳遞和溶質(zhì)的運(yùn)輸.但溫度起伏過大或?qū)α鲝?qiáng)度過大會(huì)影響晶體的質(zhì)量，流體的不均勻性和生長界面的不穩(wěn)定性也會(huì)改變晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu).因此在晶體生長過程中，要抑制液相中的自然對(duì)流，盡量用可控的強(qiáng)制對(duì)流取代自然對(duì)流[29].

3.1 THM晶體生長過程中的質(zhì)量輸運(yùn)和熱交換

晶體生長對(duì)技術(shù)要求很高，人們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，尋找晶體生長的最佳條件.現(xiàn)在已經(jīng)有許多專家學(xué)者通過數(shù)值模擬計(jì)算來探究晶體生長的最佳條件，將得到的模型應(yīng)用到晶體生長過程中，提高了晶體生長的成功率.

早期對(duì)于移動(dòng)加熱器法晶體生長過程中的質(zhì)量輸運(yùn)研究，只涉及到擴(kuò)散，到后來發(fā)現(xiàn)液相區(qū)的溶質(zhì)輸運(yùn)不只有擴(kuò)散.在實(shí)際的晶體生長系統(tǒng)中，由于不存在等溫系統(tǒng)或者等濃度系統(tǒng)，液相區(qū)內(nèi)存在的溫度差和濃度差會(huì)產(chǎn)生對(duì)流，進(jìn)而產(chǎn)生熱量和溶質(zhì)的對(duì)流輸運(yùn).所以在實(shí)際生長體系中，熱量和質(zhì)量傳輸交互作用造成混合傳輸[30].Schwenkenbecher等[31]研究了移動(dòng)加熱器法生長CdTe晶體過程中液相區(qū)軸心處的溫度分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃度引起的對(duì)流在所有對(duì)流中占主要地位，而且實(shí)際測(cè)得的瑞利數(shù)要大于臨界瑞利數(shù).Wald等[32]根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了當(dāng)液相區(qū)產(chǎn)生自由對(duì)流時(shí)的溫度分布曲線，經(jīng)過與實(shí)際測(cè)得的溫度分布曲線相比，他認(rèn)為物質(zhì)輸運(yùn)的主要形式是自然對(duì)流.Ye等[33]利用熱質(zhì)對(duì)流模型，研究了自然對(duì)流對(duì)晶體生長速率和生長均勻性的影響，對(duì)傳熱和傳質(zhì)過程中熱對(duì)流和溶質(zhì)對(duì)流的影響做出了解釋.結(jié)果表明，液相中的傳熱主要是由熱對(duì)流而不是流體流動(dòng)造成的.

3.2 微重力對(duì)THM晶體生長過程的影響

與正常重力條件相比，在微重力條件下用移動(dòng)加熱器法得到的晶體，其位錯(cuò)密度顯著降低，孿晶與晶界的數(shù)量減少，晶體的質(zhì)量有顯著改善[34].Nobeoka等[35]模擬了微重力條件下InGaSb晶體的生長，結(jié)果表明，在微重力條件下擴(kuò)散占據(jù)晶體生長過程中的主導(dǎo)地位，而且此時(shí)，溫度對(duì)于組分的均勻性影響較大.Stelian等[36]通過模擬CdTe晶體的生長發(fā)現(xiàn)，微重力場(chǎng)可以提高生長界面的穩(wěn)定性.Kinoshita等[37]發(fā)現(xiàn)，在微重力場(chǎng)下生長得到的Si0.50Ge0.50晶體，整個(gè)晶體中Ge的組分含量為(48.5±1.5)%，說明微重力場(chǎng)可以很好地保證原有的化學(xué)計(jì)量比.劉錦峰等[38]研究了多組分晶體在微重力場(chǎng)下的生長過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微重力場(chǎng)的存在可以削弱多組分晶體在生長過程中產(chǎn)生的組分分凝現(xiàn)象，生長方向上的成分和性能分布變得均勻.

重力的存在對(duì)溶液中的組分分布和固液界面的形狀產(chǎn)生不利影響，而在微重力條件下組分分布和界面形狀得到顯著改善，液相中復(fù)雜的熱對(duì)流和質(zhì)量輸運(yùn)得到不同程度的抑制，對(duì)晶體生長有促進(jìn)作用.但是目前來說，在地面條件下建立微重力環(huán)境比較困難，設(shè)備復(fù)雜，專家學(xué)者盡量通過模擬實(shí)驗(yàn)、計(jì)算，分析微重力條件對(duì)THM晶體生長過程的影響.

3.3 靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)THM晶體生長過程的影響

在晶體生長過程中引入磁場(chǎng)，當(dāng)流體的流動(dòng)方向與磁力線方向不平行時(shí)流體會(huì)受到洛倫茲力的作用，而當(dāng)磁場(chǎng)方向與溫度梯度平行時(shí)，洛倫茲力將會(huì)阻礙在水平方向因垂直溫差引起的自然對(duì)流，或在垂直方向因水平溫差引起的自然對(duì)流[39].這是因?yàn)?，磁?chǎng)的加入增加了對(duì)流的磁粘滯性[40]，即哈特曼數(shù)的大?。?/p>

式中：B0為磁通量密度；L為熔體的特征長度；σ為熔體的電導(dǎo)率；η為熔體的動(dòng)力粘度系數(shù).隨著哈特曼數(shù)(Ha)的增加，磁場(chǎng)對(duì)熔體對(duì)流的抑制作用增強(qiáng)[41].

目前，關(guān)于靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)移動(dòng)加熱器法晶體生長的影響的研究主要是數(shù)值模擬.Takagi等[42]研究了靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)移動(dòng)加熱器法生長SiGe晶體的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)坩堝的旋轉(zhuǎn)速率較低時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度極大地影響了Si的濃度分布，并且隨著哈特曼數(shù)的增加，生長界面中心附近Si的濃度也在增加.另一方面，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率增大后，此時(shí)的作用力以離心力為主，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)濃度的影響減小.而且坩堝旋轉(zhuǎn)的同時(shí)施加靜態(tài)磁場(chǎng)，可以抑制熔體中的非穩(wěn)定對(duì)流，易于得到徑向組分均勻的晶體.Sadrhosseini等[43]用三維瞬態(tài)數(shù)值模擬研究了垂直磁場(chǎng)和水平磁場(chǎng)對(duì)Si1-xGex晶體徑向面摻雜的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著哈特曼數(shù)的增加，熔體內(nèi)部的擾動(dòng)幅度減小，流體結(jié)構(gòu)趨于對(duì)稱.與水平磁場(chǎng)相比，當(dāng)施加垂直磁場(chǎng)時(shí)，界面處Si濃度分布的均勻性得到改善，等濃度線基本為同心圓.Bouabdallah等[44]研究了在凝固過程中靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)熔體流動(dòng)和傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)較大的哈特曼數(shù)(Ha=100)可以有效的抑制液相中的對(duì)流，生長界面因此變得平坦、穩(wěn)定.

3.4 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)THM晶體生長過程的影響

磁感應(yīng)矢量以固定的頻率在空間中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(Rotating Magnetic Field, RMF).晶體在生長的過程中，輸運(yùn)機(jī)制不單單只有擴(kuò)散.即使在微重力環(huán)境下，也會(huì)有極小的殘余重力影響結(jié)晶界面的穩(wěn)定性.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的施加可以激發(fā)熔體內(nèi)部的輸運(yùn)行為，使之產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流，改善晶體內(nèi)部組分的均勻性[45].Roszmann等[46]先在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.8 mT，頻率為75 Hz的條件下以5 mm/d的生長速度制得GaSb多晶料，然后在磁場(chǎng)強(qiáng)度1.94 mT和頻率為50 Hz的條件下生長得到GaSb晶體，發(fā)現(xiàn)晶體與坩堝壁接觸的地方有少量的大晶粒.他們還發(fā)現(xiàn)選擇適當(dāng)強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以加快移動(dòng)加熱器法生長晶體的速率.Stelian等[47]研究了移動(dòng)加熱器法生長Cd0.96Zn0.04Te晶體過程中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)界面穩(wěn)定性和溶質(zhì)分布的影響，并對(duì)此過程進(jìn)行了模擬.經(jīng)模擬之后發(fā)現(xiàn)在不施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，Te溶劑從溶解界面輸運(yùn)到生長界面時(shí)產(chǎn)生的浮力對(duì)流會(huì)影響生長界面的穩(wěn)定性.當(dāng)施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 mT時(shí)，流體流動(dòng)模式和物料分布不受影響.直到磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到50 mT，強(qiáng)迫對(duì)流的作用才得以體現(xiàn)，生長界面趨于穩(wěn)定.但溶解界面處的對(duì)流開始變得不穩(wěn)定，溫度有波動(dòng)，對(duì)晶體的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響.施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)確實(shí)可以改善組分分布的均勻性，但是不能簡單地施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，需要通過數(shù)值模擬得到特定晶體生長裝置的最優(yōu)磁場(chǎng)長度.

3.5 加速坩堝旋轉(zhuǎn)技術(shù)對(duì)THM晶體生長過程的影響

一般來說，加速坩堝旋轉(zhuǎn)技術(shù)(Accelerated Crucible Rotation Technique, ACRT)用于在熔體中產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流，促進(jìn)熔體的混合.主要是通過改變坩堝的旋轉(zhuǎn)速率來改變坩堝壁向熔體傳輸?shù)膭?dòng)量.隨著旋轉(zhuǎn)速率的改變，產(chǎn)生Ekman流，驅(qū)動(dòng)熔體自旋向上或自旋向下流動(dòng).Ekman流的循環(huán)進(jìn)行，加快了熔體內(nèi)部的質(zhì)量輸運(yùn).晶體生長過程中產(chǎn)生的組分過冷現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致生長界面的不穩(wěn)定，然而ACRT可以抑制組分過冷，抑制生長界面前沿的液相中成核.Takagi等[48]指出，較大的坩堝旋轉(zhuǎn)速率會(huì)顯著的減小溫度的波動(dòng).Noghabi等[49]研究發(fā)現(xiàn)，坩堝的旋轉(zhuǎn)速率會(huì)影響熔體流動(dòng)模式、溫度場(chǎng)和生長界面形狀，而且可以削弱浮力帶來的不利影響.因此，由于浮力的削弱，在較高的坩堝旋轉(zhuǎn)速率下，熔體內(nèi)部的溫度梯度變大，有利于晶體生長.Lin等[50]和Ganesh等[51]都指出，ACRT技術(shù)確實(shí)可以使晶體的品質(zhì)更加優(yōu)異，其內(nèi)部組分更加均勻.

在晶體生長過程中施加加速坩堝旋轉(zhuǎn)技術(shù)，一定程度上可以改善晶錠軸向和徑向的組分分布，使其更加均勻，而且坩堝內(nèi)壁附近的熔體內(nèi)部在坩堝旋轉(zhuǎn)速率較大時(shí)出現(xiàn)Couette流，加速熔體的混合，更加有利于生長組分均勻的單晶體.

3.6 生長速率對(duì)THM晶體生長過程的影響

前文中提到，移動(dòng)加熱器法的晶體生長速率較低，嚴(yán)重制約了移動(dòng)加熱器法在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用.表2給出了目前常用的移動(dòng)加熱器法生長晶體的速率.

表2 幾種常用的移動(dòng)加熱器法晶體生長速率

目前，關(guān)于生長速率受到限制的解釋還不是很完善，Roy等[7]提出一種可能的解釋：組分過冷.在定向凝固過程中組分過冷的傳統(tǒng)定義是：固液界面前沿處溶質(zhì)的再分配，或積聚或消散，引起液相凝固溫度的改變，產(chǎn)生濃度梯度.隨著生長速率的增加，濃度梯度增大，界面前沿處液相的局部溫度低于實(shí)際液相線溫度，因此產(chǎn)生過冷液體和組分過冷現(xiàn)象.能夠穩(wěn)定生長的最大生長速度可以由下式計(jì)算：

式中：D為物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；m為液相線的斜率；C為界面處液相的濃度；K為分配系數(shù)；dT/dz為界面處液相的溫度梯度.Wang等[18]研究了不同生長速率對(duì)移動(dòng)加熱器法生長CdZnTe晶體的影響，發(fā)現(xiàn)生長速率為4 mm/d的CdZnTe晶體中，孿晶和Te夾雜的數(shù)量低于生長速率為10 mm/d的CdZnTe晶體，較小的生長速率可以改善晶體的質(zhì)量.Roszman等[46]研究了不同生長速率條件下生長的GaSb晶體，發(fā)現(xiàn)生長速率為5 mm/d的GaSb晶體中含有較多的多晶結(jié)構(gòu).

在移動(dòng)加熱器法生長晶體的過程中，增大溶劑區(qū)的溫度梯度，加快溶解界面處多晶料的溶解速度，溶質(zhì)能夠快速的進(jìn)入溶劑區(qū)，而且需要減小溶質(zhì)在液相區(qū)傳輸時(shí)受到的阻力，縮短溶質(zhì)從溶解界面到生長界面的時(shí)間，在保證晶體質(zhì)量的前提下加快晶體生長速率.

4 展 望

經(jīng)過近些年的發(fā)展，移動(dòng)加熱器法晶體生長技術(shù)有了重大進(jìn)步.國外已有專家學(xué)者使用移動(dòng)加熱器法生長CdZnTe晶體用于制作探測(cè)器元件.國內(nèi)對(duì)于移動(dòng)加熱器法晶體生長技術(shù)的開發(fā)較晚，雖然近幾年也取得了不小的進(jìn)步，但與國際上相比還有差距.用溶劑法移動(dòng)加熱器法生長得到的晶體，組分均勻、偏析較少，而且生長溫度低于晶體熔點(diǎn)，降低了安瓿內(nèi)部的蒸汽壓，但是生長速度緩慢阻礙了移動(dòng)加熱器法的進(jìn)一步推廣.另外還需要尋找更多影響移動(dòng)加熱器法晶體生長的因素，通過模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，找出晶體生長的最佳條件.

[1] WOLF G A, MLAVSKY A I.Crystal growth, theory and technique[M]. London: Plenum Press, 1974: 193-232

[2] TAGUCHI T, FUJITA S, INUISHI Y. Growth of high-purity ZnTe single crystals by the sublimation travelling heater method[J]. Journal of Crystal Growth, 1978, 45(1): 204-213

[3] MIYAKE H, SUGIYAMA K. Growth of CuGaS2single crystals by traveling heater method[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1990, 29(10): 1859-1861

[4] GILLE P, KIESSLING F M, BURKERT M. A new approach to crystal growth of Hg1-xCdxTe by the travelling heater method (THM)[J]. Journal of Crystal Growth, 1991, 114(1/2): 77-86

[5] DOST S, LIU Y C. Controlling the growth interface shape in the growth of CdTe single crystals by the traveling heater method[J]. Comptes Rendus Mecanique, 2007, 335(5): 323-329

[6] ROY U N, BURGER A, JAMES R B. Growth of CdZnTe crystals by the traveling heater method[J]. Journal of Crystal Growth, 2013, 379(10): 57-62

[7] ROY U N, WEILER S, STEIN J. Growth and interface study of 2 in diameter CdZnTe by THM technique[J]. Journal of Crystal Growth, 2010, 312(19): 2840-2845

[8] ROY U N, GUEORGUIEV A, WEILLER S, et al. Growth of spectroscopic grade Cd0.9Zn0.1Te: In by THM technique[J]. Journal of Crystal Growth, 2009, 312(1): 33-36

[9] SHIRAKI H, FUNAKI M, ANDO Y, et al. THM growth and characterization of 100 mm diameter CdTe single crystals[J]. Nuclear Science IEEE Transactions on, 2008, 56(4): 1717-1723

[10]盛麗娜, 程翠然, 李陽. 一種化合物半導(dǎo)體材料生長裝置: CN201420247283.5[P]. 2014-09-17

[11]閔嘉華, 王東, 梁小燕, 等. 碲溶劑溶液法生長碲鋅鎘晶體的方法: CN201110150914.2[P]. 2011-11-02

[12]YANAGIDA T, KAMADA K, FUJIMOTO Y, et al. Scintillation properties of transparent ceramic and single crystalline Nd: YAG scintillators[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2011, 631(1): 54-57

[13]LEE J H, KIM D J, KIM Y C, et al. Fabrication of YBa2Cu3Oxin a radio-frequency heating furnace[J]. Journal of the Korean Physical Society, 2006, 49(6): 2376-2379

[14]SOUPTEL D, L?SER W, BEHR G. Vertical optical floating zone furnace: Principles of irradiation profile formation[J]. Journal of Crystal Growth, 2007, 300(2): 538-550

[15]EYER A, NITSCHE R, ZIMMERMANN H. A double-ellipsoid mirror furnace for zone crystallization experiments in spacelab[J]. Journal of Crystal Growth, 1979, 47(2): 219-229

[16]SHIRAKI H, FUNAKI M, ANDO Y, et al. Improvement of the productivity in the THM growth of CdTe single crystal as nuclear radiation detector[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2009, 57(1): 395-399

[17]LENT B, DOST S, REDDEN R F, et al. Mathematical simulation of the traveling heater method growth of ternary semiconductor materials under suppressed gravity conditions[J]. Journal of Crystal Growth, 2002, 237-239(1): 1876-1880

[18]WANG Y, KUDO K, INATOMI Y, et al. Growth interface of CdZnTe grown from Te solution with THM technique under static magnetic field[J]. Journal of Crystal Growth, 2005, 284(3/4): 406-411

[19]CHEN H, AWADALLA S A, INIEWSKI K, et al. Characterization of large cadmium zinc telluride crystals grown by traveling heater method[J]. Journal of Applied Physics, 2008, 103(1): 014903-014903-5

[20]ROY U N, BOLOTNIKOV A E, CAMARDA G S, et al. Growth of CdTexSe1-xfrom a Te-rich solution for applications in radiation detection[J]. Journal of Crystal Growth, 2014, 386(2): 43-46

[21]SHIRAKATA S, MIYAKE H. Photoreflectance of CuInS2single crystal prepared by traveling heater method[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2003, 64(9/10): 2021-2024

[22]NAGAOKA A, YOSHINO K, TANIGUCHI H, et al. Growth of Cu2ZnSnS4single crystal by traveling heater method[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2011, 50(50): 128001-128001- 2

[23]GAMAL G A, ABDALRAHMAN M M, ASHRAF M I, et al. Ferroelectric phase transition in Ga2Te3single crystals[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2005, 66(1): 1-4

[24]KINOSHITA K, ARAI Y, INATOMI Y, et al. Homogeneous SiGe crystal growth in microgravity by the travelling liquidus-zone method[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2011, 327: 012017

[26]LAI J, ZHANG J, WANG L, et al. Comparison of cadmium manganese telluride crystals grown by traveling heater method and vertical bridgman method[J]. Crystal Research & Technology, 2015, 50(11): 817-822

[27]SHEN P, ZHANG J J, WANG L J, et al. Te inclusions in CdMnTe crystal grown by the traveling heater method and their effects on the electrical properties[J]. Advanced Materials Research, 2014, 936(936): 613-617

[28]WEI G, WANG L, ZHANG J, et al. Growth and characterization of indium-doped Cd1-xZnxTe crystal by traveling heater method[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2013, 704(4): 127-130

[29]YIP V, CHANG C E, WILCOX W R. Heat and mass transfer in the travelling heater method of crystal growth[J]. Journal of Crystal Growth, 1975, 29(29): 69-74

[30]滕冉.大直徑硅單晶生長過程中固液界面形狀的數(shù)值分析[D]. 北京: 北京有色金屬研究總院, 2012

[31]SCHWENKENBECHER D, RUDOLPH P. Investigation of convection in the solution zone at the growth of CdTe by THM[J]. Crystal Research & Technology, 1985, 20(12): 1609-1613

[32]WALD F V, BELL R O. Natural and forced convection during solution growth of CdTe by the traveling heater method (THM)[J]. Journal of Crystal Growth, 1975, 30(1): 29-36

[33]YE X, TABARROK B, WALSH D. The influence of thermosolutal convection on CdTe growth by the traveling heater method[J]. Journal of Crystal Growth, 1996, 169(4): 704-714

[34]陳萬春, 宋友庭. 空間微重力環(huán)境中的晶體生長研究進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2012, 30(2): 46-57. CHEN Wanchun, SONG Youting. Progress in crystal growth under microgravity in space[J]. Science & Technology Review, 2012, 30(2): 46-57

[35]NOBEOKA M, TAKAGI Y, OKANO Y, et al. Numerical simulation of InGaSb crystal growth by temperature gradient method under normal- and micro-gravity fields[J]. Journal of Crystal Growth, 2014, 385(2): 66-71

[36]STELIAN C, DUFFAR T. Numerical modeling of CdTe crystallization from Te solution under terrestrial and microgravity conditions[J]. Journal of Crystal Growth, 2014, 400(400): 67-75

[37]KINOSHITA K, ARAI Y, INATOMI Y, et al. Growth of a Si0.50Ge0.50crystal by the traveling liquidus-zone (TLZ) method in microgravity[J]. Journal of Crystal Growth, 2014, 388(4): 12-16

[38]劉錦峰, 許桂生, 朱秀, 等. CsI(Eu)晶體空間生長地面實(shí)驗(yàn)[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 36(4): 428-431. LIN Jinfeng, XU Guisheng, ZHU Xiu, et al. Ground experiment of CsI(Eu) single crystal space growth[J]. Chinese Journal of Space Science, 2016, 36(4): 428-431. [39]狄晨瑩, 左然, 蘇文佳. 磁場(chǎng)在晶體生長中的應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2014, 28(7): 72-77. DI Chenying, ZUO Ran, SU Wenjia. Review on magnetic field applied in crystal growth[J]. Materials Review, 2014, 28(7): 72-77

[40]閔乃本. 晶體生長的物理基礎(chǔ)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1982: 192

[41]MORTON J, MA N, BLISS D, et al. Magnetic field effects during liquid-encapsulated czochralski growth of doped photonic semiconductor crystals[J]. Journal of Crystal Growth, 2003, 250(1/2): 174-182

[42]TAKAGI Y, ISHIDA A, OKANO Y,et al. A numerical simulation study on the effects of crucible rotation and magnetic fields in growth of SiGe by the traveling heater method[J]. Journal of Heat Transfer, 2010, 134(1): 927-933

[43]SADRHOSSEINI H. SEZAI I. Effect of magnetic field on radial dopant segregation in crystal growth by traveling heater method[J]. Numerical Heat Transfer Applications, 2010, 57(12): 954-974

[45]張發(fā)云, 羅玉峰, 李云明, 等. 磁場(chǎng)應(yīng)用在硅晶體生長過程中的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2013, 27(7): 15-19. ZHANG Fayun, LUO Yufeng, LI Yunming, et al. Research and development on magnetic field application in the process of silicon crystal growth[J]. Materials Review, 2013, 27(7): 15-19

[46]ROSZMANN J, DOST S, LENT B. Crystal growth by the travelling heater method using tapered crucibles and applied rotating magnetic field[J]. Crystal Research and Technology, 2010, 45(8): 785-790

[47]STELIAN C，DUFFAR T. Influence of rotating magnetic fields on THM growth of CdZnTe crystals under microgravity and ground conditions[J]. Journal of Crystal Growth, 2015, 429:19-26

[48]TAKAGI Y, OKANO Y, MINAKUCHI H,et al. Combined effect of crucible rotation and magnetic field on hydrothermal wave[J]. Journal of Crystal Growth, 2014, 385(1): 72-76

[49]NOGHABI O A, M'HAMDI M, JOMA M. Effect of crystal and crucible rotations on the interface shape of czochralski grown silicon single crystals[J]. Journal of Crystal Growth, 2011, 318(1): 173-177

[50]LIN G，BAO J，XU Z. A three-dimensional phase field model coupled with a lattice kinetics solver for modeling crystal growth in furnaces with accelerated crucible rotation and traveling magnetic field[J]. Computers & Fluids, 2014, 103: 204-214

[51]GANESH R B, MATSUO H, KANGAWA Y, et al. Directional solidification of multicrystalline silicon using the accelerated crucible rotation technique[J]. Crystal Growth & Design, 2008, 8(7): 2525-2527

[52]WU W, ZHANG J, WANG L, et al. Traveling heater method growth and characterization of CdMnTe crystals for radiation detectors[J]. Physica Status Solidi, 2016, 158(4): 412-420

[53]NAGAOKA A，NOSE Y，MIYAKE H, et al. Solution growth of chalcopyrite compounds single crystal[J]. Renewable Energy, 2014, 79: 127-130

[54]LIANG W, QIN K, ZHANG J, et al. THM growth of (Cd, Mn)Te single crystal with the source ingot synthesized by VB method[J]. Journal of Crystal Growth, 2015, 419: 123-127.

(編輯 程利冬)

Review on research progress of crystal growth technique with travelling heater

GAO Xiao, LIU Juncheng, ZHAI Shenqiu

(School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Travelling heater method is known as the most effectiveviable technique to grow single crystals with large size and high quality single crystals. It combines the advantages of both liquid phase epitaxy and zone melting purification techniques. This article reviews Tthe fundamentalsbasic principles, advantages and disadvantages of crystal growth techniquecs with travelling heater were reviewed. The heating method, as well as the mass and heat transport duringin the process of crystal growth has been also, was described. The effectinfluences of the processing parameters, including gravitational field, magnetic field and forced convection together withas well as growth rate, on the crystal growth processdure and the crystal ingot quality has beenwere discussed. Finally And the development trend of this technics iswas prospected. Keywords: crystal growth process; travelling heater method; fundamental; heating method; process conditions; growth rate

2016-10-03. 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2017-03-20.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50972085).

高 笑(1992—)，男，碩士研究生.

劉俊成，E-mail：jchliu@sdut.edu.cn.

10.11951/j.issn.1005-0299.20160330

O782

A

1005-0299(2017)04-0050-07