中山大學材料與光電系副教授周明奇 - 國科會物理研究推動中心
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新 穎 單 晶 生 長 核 心 設 施 計 畫<br />
周 明 奇 教 授 Mitch M.C. Chou<br />
國 立 中 山 大 學 材 料 與 光 電 科 學 學 系<br />
October 15, 2011
1. 計 畫 目 標 及 願 景 :<br />
單 晶 材 料 一 直 是 每 個 國 家 的 重 要 戰 略 物 資 , 同 時 也 是 發 掘 新<br />
穎 材 料 的 重 要 途 徑 。 由 於 單 晶 生 長 是 一 項 曠 日 費 時 的 研 究 工 作<br />
, 沒 有 turn-key solution, 且 不 易 發 表 論 文 。 因 此 過 去 台 灣 在 單<br />
晶 材 料 的 研 究 多 仰 賴 國 外 提 供 的 樣 品 , 國 內 並 無 專 門 生 長 單 晶<br />
的 研 究 機 構 。<br />
我 們 的 理 念 是 希 望 國 內 的 單 晶 生 長 自 主 化 , 不 需 仰 賴 國 外 研<br />
究 單 位 或 公 司 。<br />
我 們 的 願 景 是 希 望 成 為 國 際 上 最 著 名 的 單 晶 生 長 研 究 單 位 ,<br />
提 升 台 灣 在 各 式 新 穎 單 晶 研 究 領 域 的 知 名 度 。
2. 我 們 實 驗 室 的 優 勢 是 能 夠 生 長 不 同 用 途 的 晶 體 , 並 具 備 自 行 設 計 及 組 裝 單<br />
晶 爐 的 能 力 。 以 目 前 的 規 劃 , 我 們 能 夠 生 長 以 下 晶 體 :<br />
‣ III-V 族 (GaN、InN & AlN)、II-VI 族 (ZnO) 化 合 物 半 導 體 的 單 晶 基 板 。<br />
‣ 高 溫 超 導 及 磁 性 材 料 的 單 晶 基 板 。<br />
‣ 雷 射 晶 體 。<br />
‣ 非 線 性 光 學 晶 體 。<br />
‣ 壓 電 晶 體 。<br />
‣ 閃 爍 晶 體 : 高 物 理 及 生 醫 科 技 。<br />
‣ 非 極 性 (Nonpolar) InN、GaN GN 及 ZnO 單 晶 。
中 山 大 學 單 晶 新 材 料 與 分 析 核 心 設 施 的 組 織 規 畫 圖<br />
南 部 單 晶 生 長 核 心 設 施<br />
Scientific Advisory Board<br />
氧 化 物 / 氟 化 物<br />
III-V 族<br />
化 合 物 半 導 體<br />
II-VI 族<br />
化 合 物 半 導 體<br />
分 析<br />
壓<br />
電<br />
晶<br />
體<br />
Cz<br />
及<br />
TSSG 法<br />
法<br />
閃<br />
爍<br />
晶<br />
體<br />
Cz<br />
及<br />
microp pulling<br />
雷<br />
射<br />
物<br />
理<br />
Cz<br />
及<br />
Flux<br />
學 光<br />
學<br />
及<br />
非<br />
線<br />
性<br />
光<br />
Cz<br />
及<br />
Bridgm men<br />
超 單<br />
導 晶<br />
及<br />
基<br />
磁 板<br />
性<br />
薄<br />
膜 溫<br />
— 高<br />
Cz<br />
及<br />
RHFZ<br />
GaN<br />
AlN<br />
InN<br />
Cu:GaN<br />
HV VPE 及<br />
CV VD<br />
ZnO-based<br />
LED<br />
ZnMgO<br />
ZnCoO<br />
分<br />
子<br />
束<br />
磊<br />
晶<br />
MBE<br />
析 身<br />
量 特<br />
測<br />
性<br />
,<br />
Advan<br />
由<br />
合 性<br />
作<br />
研<br />
夥 究<br />
伴<br />
負<br />
責 晶<br />
分<br />
體<br />
本<br />
nced 物<br />
: 視<br />
研 基<br />
究 礎<br />
物<br />
性<br />
、<br />
微<br />
結<br />
構<br />
及<br />
缺<br />
陷<br />
的
3. 實 驗 室 現 況<br />
目 前 已 安 裝 七 台 多 功 能 性 柴 氏 提 拉 爐 (Multi-functional i l Czochralski pulling<br />
furnace)、 一 台 氫 化 物 汽 相 磊 晶 爐 及 數 台 磊 晶 生 長 爐 。<br />
(a)<br />
(b)<br />
(a) () 柴 式 提 拉 爐 (Czochralski, Cz), (b) 氫 化 物 汽 相 磊 晶 爐 (Hydride Vapor Phase<br />
Epitaxy, HVPE)
LaAlO 3<br />
Od Ordered dLa 3 Ga 5 SiO 14 structure t compounds<br />
(La 0.18 Sr 0.82 )(Al 0.59 Ta 0.41 )O 3<br />
such as Ca 3 NbGa 3 Si 2 O 14<br />
Cr:YVO 4
LiGaO 2 (LGO) single crystal substrate —applied at III-V compound<br />
semiconductors (GaN、InN & AlN) & nonpolar ZnO.<br />
Nonpolar m-plane [10-10]GaN // [100]LiGaO 2 ~1.9%<br />
a-plane [11-20]GaN // [010]LiGaO 2 ~ -0.19%<br />
Polar [0001]GaN // [001] LiGaO 2 ~ 0.7%<br />
(a)<br />
(b)<br />
LiG O l( )i l i l l b bbl i l h (b)<br />
LiGaO 2 crystal (a) inclusion、polycrystal、bubbles、spiral growth (b)<br />
transparent LiGaO 2 single crystal
LiAlO 2<br />
非 極 性 a-plane GaN [11-20] 單 晶<br />
非 極 性 m-plane GaN [10-10] 單 晶<br />
c-plane Sapphire
閃 爍 晶 體 (Scintillator): Ce:Lu 2 SiO 5 (LSO)<br />
高 能 物 理 實 驗 、 生 醫 科 技 , 正 子 斷 層 顯 影 術 (Positron Emission Tomography,<br />
PET), 用 以 偵 測 癌 細 胞 及 腦 瘤 病 變 。
Scintillator,<br />
LYSO: Ce 2x (Lu 1-y Y y ) 2(1-x) SiO 5
C-plane Sapphire free of multi-grains<br />
No vsible bubbles<br />
No multi-grains<br />
1. Diameter 4.1”, cylindrical lentgh : 200mm.<br />
2. Core-drilling process is not necessary.
(1). 高 溫 超 導 及 dilute magnetic semiconductors (DMS) 的 單 晶 基 板 , 包 含<br />
Pervoskite 及 Spinel 結 構 的 SrTiO 3 、 NdGaO 3 、Sr 2 AlTaO 6 及 Ga 2 O 3 … 等<br />
生 長 方 式 : 電 組 式 加 熱 浮 區 法 (Resistance Heating Floating Zone)<br />
Ar + O 2<br />
Ar + O 2<br />
晶 體<br />
第 二 加 熱 線 圈<br />
液 體<br />
第 一 加 熱 線 圈<br />
陶 瓷 (ceramic) 形 式 的 原 料
(2) 非 線 性 光 學 晶 體 : CsLiB 6 O 10 (CLBO)、YCa 4 O(BO 3 ) 3 (YCOB) 及<br />
GdCa 4 O(BO 3 ) 3 (GdCOB), Doped with Nd or Yb<br />
生 長 方 式 : 五 段 式 坩 堝 下 降 法 (Bridgmen method) 及 Cz 法<br />
CsLiB 6 O 10 (CLBO) 單 晶 是 近 年 來 新 發 展 的 一 種 非 線 性 光 學 晶 體 , 它 具 有 極<br />
佳 的 紫 外 光 非 線 性 特 性 , 特 别 是 能 够 將 Nd:YAG 的 1064nm 雷 射 進 行 四 倍 频 和<br />
五 倍 频 。CLBO 晶 體 很 適 合 在 紫 外 波 段 進 行 频 率 轉 换 , 尤 其 是 用 于 大 功 率 的 紫<br />
外 光 固 體 雷 射 。<br />
Nd:YCOB 及 Nd:GdCOB 是 自 倍 頻 單 晶 (self-frequency doubling, SFD), 它 同 時<br />
具 有 雷 射 與 倍 頻 轉 換 的 功 能 , 能 簡 化 雷 射 的 設 計 。 它 們 具 有 自 倍 頻 出 紅 綠 藍<br />
(RGB) 三 種 可 見 光 的 潛 力 , 其 中 以 綠 光 雷 射 的 效 率 最 好 , 可 達 6.2% 的 轉 換 效<br />
率 。<br />
由 於 上 述 晶 體 的 成 份 較 為 複 雜 , 不 易 控 制 其 晶 體 的 等 計 量 比 (Stoichiometric<br />
ratio), 因 此 我 們 將 採 用 五 段 式 坩 堝 下 降 法 生 長 非 線 性 光 學 晶 體 。
(1) Mo 加 熱 棒<br />
(2) 熱 耦<br />
(3) 隔 熱 材 料<br />
(4) 氧 化 鋁 隔 熱 磚<br />
(5) 氧 化 鋁 陶 瓷 管<br />
(6) 氧 化 鋯 隔 熱 磚<br />
(7) 不 鏽 鋼 蓋<br />
(8) 坩 堝<br />
(9) 籽 晶<br />
(10) 氧 化 鋁 套 筒<br />
(11) 氧 化 鋁 陶 瓷 顆 粒<br />
五 段 式 坩 堝 下 降 法 (Bridgmen<br />
五 段 式 坩 堝 下 降 法 (Bridgmen<br />
method with 5 heating zones)
(3) 雷 射 晶 體 : Nd:Gd x Y 1-x VO 4 、 Ho: YLiF4 (YLF) 及 Cr+Tm+Ho: Y 3 Al 5 O 12 (YAG)<br />
生 長 方 式 : 助 熔 劑 生 長 法 (Flux growth)<br />
Nd:Gd x Y 1-x VO 4 可 應 用 在 高 功 率 雷 射 , 以 808nm 的 Laser Diode (LD) 來 激 發 ,<br />
可 產 生 1064nm 的 雷 射 光 。 Cr+Tm+Ho: YAG 的 放 射 波 長 是 2080nm, 可 應 用 在 外<br />
科 手 術 及 大 氣 科 學 實 驗 , 我 們 將 用 PbO-PbF 2 -B 2 O 3 的 助 熔 劑 來 生 長 此 晶 體 。<br />
籽 晶 桿<br />
Al 2 O 3 及<br />
ZrO 2 隔 熱 材<br />
SiO 2 管<br />
熱 耦<br />
Al 2 O 3 陶 瓷 蓋<br />
鎢 加 熱 線 圈<br />
籽 晶<br />
坩 堝
(4) 閃 爍 晶 體 : Ce: Lu 2(1-x-y) Y 2x SiO 5 (LYSO)、Ce: Lu 2 SiO 5 (LSO)<br />
生 長 方 式 : 微 拉 法 (Micro-pulling method)<br />
我 們 希 望 生 長 不 同 濃 度 的 釓 (Gadolinium, Gd) 及 鈰 (Cerium, Ce) 所 掺 雜 的 閃 爍 晶<br />
體 。 傳 統 Cz 法 所 生 長 的 閃 爍 晶 體 常 面 臨 Ce +3 的 電 荷 分 佈 不 均 勻 及 過 多 的 氧 空 缺<br />
(Oxygen vacancy) 等 問 題 , 因 此 我 們 擬 開 發 微 拉 法 (Micro-pulling method), 希 望<br />
能 解 決 上 述 問 題 。<br />
Argon<br />
陶 瓷 形 式 的 原 物 料<br />
液 體<br />
加 熱 線 圈<br />
晶 體
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