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硅酸镓镧晶体技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

世界上很多国家的大学、研究所和国际知名企业(如三菱公司、三洋公司和富士通公司等)先后开展了LGS晶体的生长、性能及应用研究,多家公司报道已经有直径760mm(3inches)的产品。我国山东大学晶体材料研究所也正从事这类材料的生长和性能研究,并在国内处于领先水平。但是,昂贵的Ga2O3原料成为制约LGS晶体工业化应用的“瓶颈”。降低晶体成本的主要途径有:

1、用其他元素替换LGS分子中的Ga

2、改进现有生长工艺或寻找其他更有效的生长方法

由于LGS晶体提拉法生长工艺已经比较成熟,而离子置换的空间比较大,所以人们把新压电晶体工业应用的希望寄托在异质同构的低成本压电晶体上,并证明这种努力是有效的。

 

第二节 产品工艺特点或流程

LGS晶体在1470℃一致熔融,在生长温度至室温没有相变点。与α-石英和磷酸铝相比,LGS晶体在生长特性方面具有一定优势,可以采用提拉法在较短的周期内生长大尺寸适于压电应用的单晶。

晶体生长采用射频加热提拉炉,借助于提拉法进行。所用的坩埚材料可为铂,也可为铱。采用铱坩埚时,要注意用惰性气体保护。由于N2可能与Ga生成氮化镓,最好采用Ar气作为保护气体。采用铂坩埚时,可以调节生长炉内O2的含量,来控制晶体的颜色和质量。尽管铂坩埚不需要保护气氛,但是实验表明,在高温下LGS熔体和氧气共同作用会使Pt溶于熔体而在LGS晶体中产生Pt包裹体,故通常采用Ar+(1%~2%)O2混合气体,也有N2+3%O2混合气体作保护气氛的。

关于LGS晶体生长的参数大同小异。一般而言,采用较大的温度梯度,一般不使用后热器,提拉速度一般在1.0~2.0mm/h之间,转速约为10r/min,前期研究工作中有报道采用更高转速的。所用籽晶一般都是Z方向,籽晶方向的准确定向对生长晶体质量有较大影响。平放肩的晶体较易开裂。晶体等径控制不好,易引入缺陷乃至开裂。为了提高晶体利用率,也有采用a方向籽晶生长晶体的,还有采用(1120)方向籽晶生长LGS晶体的,生长难度较Z方向大。

 

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

LGS单晶为一种性能优良的压电晶体。近来,由于光通信及相关行业的发展,对于这一晶体的研究又成为新的热点。当前的研究工作,大致集中在几个方面。

首先仍是关于LGS晶体的生长和加工,包括对于实际应用有影响的加工质量的研究等;

第二方面为LGS晶体的测试及各种切型和各种可能器件应用的研究

第三方面是有一批研究者尝试采用元素取代或添加的方法生长LGS的同构晶体,如用Ca、Sr和其它稀土元素取代La,以Al、Nb、Ta或Ge来取代Ga和Si,甚至将La、Ga和Si全面取代,而制备LGS晶体的同构体Na2CaGe6O14(NCG),并对其压电性和其它性能进行测试。

近年,作为压电材料的LGS晶体的研究也着眼于生长大尺寸适于压电应用的单晶及扩展晶体方面。




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