新穎單晶生長核心設施計畫

周明奇教授 Mitch M.C. Chou

國立中山大學材料與光電科學學系October 15 2011October 15, 2011

1. 計畫目標及願景:

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

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

，沒有turn-key solution，且不易發表論文。因此過去台灣在單沒有turn key solution 且不易發表論文 因此過去台灣在單

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

的研究機構的研究機構。

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

究單位或公司。

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，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

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

晶爐的能力。以目前的規劃，我們能夠生長以下晶體:

III-V族(GaN、InN & AlN)、II-VI族(ZnO)化合物半導體的單晶基板。

高溫超導及磁性材料的單晶基板。

雷射晶體。

非線性光學晶體。 非線性光學晶體

壓電晶體。

閃爍晶體: 高物理及生醫科技。

非極性(N l ) I N G N及Z O單晶 非極性(Nonpolar) InN、GaN及ZnO單晶。

南部單晶生長核心設施 S i tifi Ad i B d

中山大學單晶新材料與分析核心設施的組織規畫圖

南部單晶生長核心設施 Scientific Advisory Board

分析II-VI族化合物半導體

III-V族化合物半導體

氧化物 / 氟化物

基礎物

研究

Advan

身特性

析量測

ZnO-based LED

GaN AlN

單晶基

超導及

光學及

學雷射物

閃爍晶

壓電晶 物

性、微結

nced

物性研

性，由合作

測ZnMgO ZnCoO

InN Cu:GaN

基板—

高溫

及磁性薄膜

及非線性光

物理

晶體

晶體

結構及缺陷的

研究:

視晶體

作夥伴負責分

溫膜

HV 分

子

Cz

Cz

Cz

Cz

Cz

的體本

分

VPE

及CV

子束磊晶M

及RH

FZ

及Bridgm

及Flux

及microp

及TSSG

法

VD MB

E

men

pulling

法

3. 實驗室現況目前已安裝七台多功能性柴氏提拉爐(M l i f i l C h l ki lli目前已安裝七台多功能性柴氏提拉爐(Multi-functional Czochralski pulling

furnace)、一台氫化物汽相磊晶爐及數台磊晶生長爐。

(a) (b)

(a)柴式提拉爐(Czochralski, Cz), (b)氫化物汽相磊晶爐(Hydride Vapor Phase ( ) ( , ), ( ) ( y p

Epitaxy, HVPE)

LaAlO3

(La Sr )(Al Ta )OO d d L G SiO t t d (La0.18Sr0.82)(Al0.59Ta0.41)O3

Cr:YVO

Ordered La3Ga5SiO14 structure compoundssuch as Ca3NbGa3Si2O14

Cr:YVO4

LiGaO2(LGO) single crystal substrate —applied at III-V compound

semiconductors (GaN、InN & AlN) & nonpolar ZnO.

Nonpolar m-plane [10-10]GaN // [100]LiGaO2 ~ 1.9%

a-plane [11-20]GaN // [010]LiGaO2 ~ -0.19%

Polar [0001]GaN // [001] LiGaO2 ~ 0.7%

(a) (b)

LiG O l ( ) i l i l l b bbl i l h (b)LiGaO2 crystal (a) inclusion、polycrystal、bubbles、spiral growth (b) transparent LiGaO2 single crystal

非極性a-plane GaN [11-20] 單晶LiAlO2

非極性m-plane GaN [10-10] 單晶 c-plane Sapphire

閃爍晶體 (Scintillator): Ce:Lu2SiO5 (LSO)

高能物理實驗、生醫科技，正子斷層顯影術 (Positron Emission Tomography, PET)，用以偵測癌細胞及腦瘤病變。

ScintillatorScintillator, LYSO: Ce2x(Lu1-yYy)2(1-x)SiO5

C-plane Sapphire free of multi-grainsNo vsible bubbles

No multi-grains

1. Diameter 4.1”, cylindrical lentgh : 200mm. 2. Core-drilling process is not necessary.

(1). 高溫超導及dilute magnetic semiconductors (DMS)的單晶基板，包含

Pervoskite 及 Spinel結構的SrTiO 、 NdGaO 、Sr AlTaO 及Ga O 等Pervoskite 及 Spinel結構的SrTiO3、 NdGaO3、Sr2AlTaO6及Ga2O3…等

生長方式: 電組式加熱浮區法(Resistance Heating Floating Zone)

Ar + O2Ar + O2

第二加熱線圈晶體 第二加熱線圈

液體 第一加熱線圈液體

陶瓷(ceramic)形式的原料

(2) 非線性光學晶體: CsLiB6O10 (CLBO)、YCa4O(BO3)3 (YCOB)及

GdCa4O(BO3)3 (GdCOB), Doped with Nd or Yb

生長方式: 五段式坩堝下降法 (Bridgmen method) 及 Cz法

CsLiB6O10 (CLBO)單晶是近年來新發展的一種非線性光學晶體，它具有極

佳的紫外光非線性特性 特别是能够將Nd YAG的1064 雷射進行四倍频和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

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

外光固體雷射外光固體雷射。

Nd:YCOB及Nd:GdCOB是自倍頻單晶(self-frequency doubling, SFD)，它同時

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

(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

率。

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

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( )

(2) 熱耦

(3) 隔熱材料

(4) 氧化鋁隔熱磚

(5) 氧化鋁陶瓷管

(6) 氧化鋯隔熱磚

(7) 不鏽鋼蓋

(8) 坩堝

(9) 籽晶

(10) 氧化鋁套筒

(11) 氧化鋁陶瓷顆粒

五段式坩堝下降法 (Bridgmen五段式坩堝下降法 (Bridgmen method with 5 heating zones)

(3)雷射晶體: Nd:GdxY1-xVO4、 Ho: YLiF4 (YLF)及Cr+Tm+Ho: Y3Al5O12(YAG)

生長方式 助熔劑生長法生長方式: 助熔劑生長法 (Flux growth)

Nd:GdxY1-xVO4可應用在高功率雷射，以808nm的Laser Diode (LD)來激發，

可產生1064nm的雷射光。 Cr+Tm+Ho: YAG的放射波長是2080nm，可應用在外

科手術及大氣科學實驗，我們將用PbO-PbF2-B2O3 的助熔劑來生長此晶體。籽晶桿

Al2O3陶瓷蓋Al O 及 Al2O3陶瓷蓋

鎢加熱線圈

Al2O3及ZrO2隔熱材

籽晶SiO2管

坩堝熱耦

(4) 閃爍晶體 : Ce: Lu2(1-x-y)Y2xSiO5 (LYSO)、Ce: Lu2SiO5 (LSO)

生長方式: 微拉法 (Micro-pulling method)

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

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

(Oxygen vacancy)等問題，因此我們擬開發微拉法 (Micro-pulling method)，希望

能解決上述問題。 Argon

陶瓷形式的原物料

加熱線圈液體

晶體