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  晶体生长方法:
 

——水溶液中生长晶体


从溶液中生长晶体过程的最关键因素是控制溶液的过饱和度.使溶液达到过饱和状态,在晶体生长过程中维持其过饱和度的途径有:
(1)据溶解度曲线,改变温度。
(2)采取各种方式(如蒸发、电解)移去溶剂,改变溶液成分。
(3)通过化学反应来控制过饱和度.由于化学反应速度和晶体生长速度差别很大,做到这一点是很困难的,需要采取一些特殊的方式,如通过凝胶扩散使反应缓慢进行等。
(4)用亚稳相来控制过饱和度,即利用某些物质的稳定相和亚稳相的溶解度差别,控制一定的温度,使亚稳相不断溶解,稳定相不断生长。
根据晶体的溶解度与温度系数,从溶液和生长晶体的具体方法有下述几种:降温法,流动法(温差法),蒸发法,电解溶剂法等。

——高温溶液法生长晶体

高温溶液法又称为助熔剂法,是生长晶体的一种重要方法,也是最早的炼丹术之一,从古至今已有100多年的历史了,也可算是一种古老的经典方法.60午代以后,助熔剂法己广泛用于新材料的探索,培育小晶体样品.后来,由于生产和科学技术的突飞猛进的发展,不单对材抖的性能,而且对晶体的尺寸都提出了更高的要求.在这种要求推动下,高温溶液法已有了很多突破性发展,得到许多新技术,特别是后来出现的顶部籽品技术,ACRT等技术,生长出了大块优质的YIG,KTP,BBO,KN,BaTiO3等等一系列重要的技术晶体,克服了过去被人们认为助镕剂法不能生长大晶体的所谓缺点,从而使这种方法更加令人注日而倍受青眯.
高温溶液法和其它方法相比具有如下优点:首先是这种方法运用性根强,对某种材料,只要能找到一种适当的助熔剂或助熔剂组合,就能用此法将这种材料的单晶生长出来,而几乎对于所有的材料,都能找到一些相应的助熔剂或助熔剂组合.这对于研究开发工作特别有利;第二是许多难熔化合物和在熔点极易挥发或由于在高温时变价或有相变的材料,以及非同成分熔融化合物,都不可能直接从其熔体中生长或不可能生长出完整的优质单晶,而助熔剂法由于生长温度低,对这些材料的单晶生长却显示出独特的能力.这些材料包括如下几个方面:
(1) 非同成分熔融化合物,也就是在溶化之前会分解的材料.
(2) 那些在生长后的降温过程中会发生固态相交,而这些相变又会导致严重应变或开裂的晶体材料(因而生长应在这相变点以下进行).
(3) 在熔点时,蒸汽压很高的材料.
(4) 由于可挥发组分的损失而会变成非化学计量的材料.

(5) 由于柑涡或炉子的问题而在技术上难于用熔体法生长的难溶材料.

——熔体中生长晶体

通常,当一个结晶固体的温度高于熔点时,固体就熔化为熔体;当熔体的温度低于凝固点时,熔体就凝固成固体(往往是多晶).因此,熔体生长过程只涉及固-液相交过程,这是熔体在受控制的条件下的定向凝固过程.在该过程中,原子(或分子)随机堆积的阵列直接转变为有序阵列,这种从无对称性结构到有对称性结构的转变不是一个整体效应,而是通过固-液界面的移动而逐渐完成的.
熔体生长的目的是为了得到高质量的单晶体,为此,首先要在熔体中形成一个单晶核(引入籽晶,或自发成核),然后,在晶体和熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列而形成单晶体.只有当晶核附近熔体的温度低于凝固点时,晶核才能继续发展.因此,生长着的界面必须处于过冷状态,然而,为了避免出现新的晶核和避免生长界面的不稳定性(这种不稳定性将会导致晶体得的结构无序和化学无序),过冷区必须集中于界面附近狭小的范为围之内,而熔体的其余部分则处于过热状态.在这种情况厂,结晶过程中释放出来的潜热不可能通过熔体而导走,而必须通过生长着的晶体导走.通常,使生长着的晶体处于较冷的环境之中,由晶体的传导和表而辐射导走热量.随着界面向熔体发展,界面附近的过冷度将逐析趋近于零,为了保持一定的过冷度,生长界面必须向着低温方句不断离开凝固点等温面,只有这样,生长过程才能继续进行下去.另一方面,熔体的温度通常远高于室温,为了使熔体保持适当的温度,必须由加热器不断供应热量。

——其它

全固态激光器及激光频率变换技术:
 

微型全固态激光器(DPL):小型化和微型化是工业产品发展的趋势。航空航天技术和微光机电系统(MOEMS)的飞速发展,光机电的进一步综合,对激光光源的质量、体积、重量提出了更高的要求。微型全固体激光器与半导体激光器相比,不仅保持了微小的体积,还具有峰值功率高、光束质量好、可靠性高、稳定性好等独特的优点,在工业打标、微型加工、科学研究、医疗手术、激光成象上具有广泛的应用背景。以上优点在雷达通讯特别是军事领域具有特别的吸引力。
微晶片固体激光器:为了克服被动调Q器件存在的输出激光脉冲不稳定和脉冲不可控的缺点,提出了增益预抽运技术。增益预抽运通过稳定Q开关打开之前的粒子翻转数,不仅屏蔽了外界随机变化因素对激光器输出的影响,同时也把脉冲之间的互相干扰隔离开,使激光脉冲序列的稳定性得到根本改善,并且使激光脉冲的频率得到有效控制。利用国产2W的LD,采用预泵浦技术,实现了脉宽12ns,重复频率3-8kHz可控,脉冲峰值稳定性2%,重复频率稳定性0.5%输出。
微型蓝光激光器:全固态蓝绿光激光器具有抽运效率高、体积小、重量轻、寿命长等优点而倍受使用者的青睐,也逐渐成为研究开发的热点之一,在光存储、目标显示、信息处理、水下通讯、娱乐等领域中已经显示出广泛的应用前景。到目前为止,LD抽运的全固态蓝绿激光技术成为发展最快和获得高功率最有效的手段。采用国产5W LD泵浦Nd:YAG晶体,使其在三能级条件下运转,输出946nm激光,利用LBO腔内倍频,在泵浦功率4.5W条件下,获得40mW的473nm蓝光输出,利用单管2W LD泵浦,实现3mW蓝光输出以及微型蓝光激光器的系统集成。
微型绿光激光器:采用LD光纤耦合端面泵浦Nd:YVO4晶体,KTP腔内倍频方式,连续运转绿光输出阈值为25mW,在抽运功率3.5W时,连续运转获得最大输出500mW,相应的光光转换效率为14%,利用Cr4+:YAG晶体作为可饱和吸收体,实现了被动调Q运转,当连续抽运的功率变化时,获得了532nm绿光脉宽14.7-24.6ns,重复频率9.6-22kHz的输出。连续抽运功率2.4W时,获得的最高调Q绿光输出峰值功率为250W,是连续绿光输出功率(250mW)的1000倍。
激光二极管 (LD) 泵浦连续蓝光激光器在激光生物医学、高密度光存储、超短脉冲、数字视频技术、激光光谱学、激光打印等领域有着广泛、重要的应用价值,其中高功率的蓝光激光器因其在激光大屏幕电视、激光彩色显示、激光娱乐表演、海洋应用及水下资源探测等领域具有的重要应用前景,已成为当前国际上研究的热点。
在激光大屏幕应用方面,一般为实现高质量的激光大屏幕显示,红、蓝、绿三色激光光源的功率一般要求 在1瓦以上,二极管泵浦高功率蓝光激光器可以和二极管泵浦全固化红光及绿光激光器构成三元色激光源,使这一系统具有功耗低、寿命长、效率高、光束质量好的特点,其色度更接近于自然光,从而有效的实现了三元色的平衡,使得图像的色彩更加逼真、更加自然

  0LED及衬底材料:
   

发光二极管(light emitting diode,LED)形成的半导体固态照明光源的出现,正在引发世界范围内照明光源的一场革命。相对于传统的白炽灯和荧光灯照明光源,LED照明光源具有如下突出的特点:
(1)高度节能:采取直流驱动,功耗小(单管0.03-0.06瓦),电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。
(2)有利环保:环保效益更佳,由于光谱中没有紫外线和红外线,既没有辐射,也没有热量,眩光小,而且废弃物可回收,不含汞元素,没有污染。
(3)安全性高:使用低压电源,供电电压在6-24V之间,根据产品不同而异,是一个比使用高压电源更安全的电源,特别适合公共场所,且由于发热量极小,相当于冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。
(4)长寿命:LED光源亦称为长寿灯,由于是固体冷光源,且采用环氧树脂封装,灯内无松动部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点,使用寿命可达6万至10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。
(5)响应时间快:白炽灯的响应时间为毫秒级,而LED的响应时间为纳秒级。
(6)多色彩:改变驱动电流可以变色,LED方便地通过化学修饰方法,调整能带的结构和带隙,实现红橙黄绿蓝多色发光。
正是由于半导体照明具有节能、长寿命、免维护、利环保等特性,如同晶体管替代电子管一样,半导体固态照明光源替代传统的白炽灯和荧光灯,也是大势所趋[1]。
发光二极管主要由二元、三元或四元Ⅲ-Ⅴ族化合物,如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)、磷砷化镓(GaAsP)、铟镓氮(InGaN)、铝铟镓磷(AlInGaP)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般PN结的伏安特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。当正向偏压加于PN结两端时,载流子注入穿越PN结,使得载流子浓度超过热平衡值,形成过量载流子。过量载流子复合,能量以热(声子)或光(光子)的形式释放。在光子发射过程中,从偏压的电能转换成光能,此过程为电致发光。
目前,照明消耗约占整个电力消耗的20%,大大降低照明用电是节省能源的重要途径,为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具,并达到了一定的成效。但是,距离“绿色照明”的要求还远远不够,开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。鉴于半导体照明产业令人鼓舞的发展前景,日本、美国、欧盟、韩国等近年来相继推出国家半导体照明计划,投入巨资进行研发,大力发展发光二极管产业,一场抢占半导体照明产业制高点的争夺战,已经在全球打响。
日本提出了“Light for the 21st Century” 计划,即“21世纪照明”计划,整个计划的财政预算为60亿日元,目标是在2006年用白光LED替代50%的传统照明。日本现已完成了“21世纪照明”计划的第一期目标,正在组织实施第二期计划,预期到2010年,LED的发光效率达到120 lm/W(流明/瓦)。
2001年7月在“半导体照明技术蓝图”的基础上,美国的两位参议员向参议院递交了一项议案,呼吁由美国能源部启动一项名为“Next-Generation Lighting Initiative”(NGLI)的计划,即“下一代照明计划”(NGLI)。这项计划提案的目标是要联合产业界、大学和国家重点实验室的力量,加速半导体照明技术的发展和应用。这项议案希望从2003-2011年财年,每年提供5000万美元支持NGLI计划的实施。
欧盟的“彩虹计划”,已在2000年7月启动,通过欧共体的资助,推广应用白光LED。
韩国的“固态照明计划”经政府审议批准,2004-2008年国家投入1亿美元,企业提供30%的配套资金,近期开始实施,预期2008年达到80 1m/W。
台湾地区也在推动“新世纪照明光源开发计划”,投资约6-10亿新台币,2005年目标是40 1m/W的LED投入生产,而实验室目标为100 1m/W。
为了把握好这个历史性的新产业机遇,我国政府充分发挥导向作用,2003年6月19日,由科技部、信息产业部、建设部等相关政府部门跨部门、跨地区成立了“国家半导体照明工程”协调领导小组,这标志着我国正式从战略角度启动了“国家半导体照明工程”。
由于体单晶生长相当困难,而且体积小,缺陷密度高[10],很难达到器件制作要求。目前,GaN主要通过外延生长以薄膜的形式存在于器件中。GaN薄膜的外延生长方法很多,主要金属有机物化学气相沉积、氢化物气相外延、分子束外延等。
选择衬底时应从材料的物化性能、加工性能、制备成本等方面综合考虑,一般说来,主要应考虑以下几个因素:
(1)晶格匹配情况:衬底与外延膜的晶格失配率越小越好。晶格匹配包含两方面内容。一是面内的匹配情况,即在生长界面所在平面的某一方向上衬底与膜的匹配情况。二是沿衬底表面法线方向上的匹配情况,如果在这个方向上失配度太大,则衬底表面任何的不平或微小的起伏都可能引入缺陷,并扩展到外延膜中。
(2)热膨胀系数是否一致。衬底和外延膜的热膨胀系数越接近越好。如果二者相差过大,不仅可能使外延膜在生长过程中产生热应力和热位错,导致外延膜的开裂、起皱或剥落;还会使器件在运行过程中由于热膨胀失配产生热应力而损坏。
(3)衬底材料的化学稳定性和机械力学性能。衬底材料需要有足够好的化学稳定性,不能与外延膜发生化学反应或往外延膜扩散杂质离子,使外延膜质量下降。还要具有适中的硬度,便于加工成光滑平整的表面;要易于解理来获得激光腔面。
(4)材料制备的难易程度及成本。考虑到产业化发展的需要,衬底材料的制备要简便易行,且成本不能太高。
(5)外延生长技术的发展。这里主要指当时的外延生长技术是否能实现在该种衬底上的外延生长。外延生长技术的不断进步使人们选择衬底的范围逐渐增大。

 
 
 
 
   
 
 
 
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