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热交换法生长蓝宝石晶体的位错研究

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３８卷第３期人工晶体学报ｖ０１．３８Ｎｏ．３

热交换法生长蓝宝石晶体的位错研究

柯利峰，黎建明，苏小平，那木吉拉图，李楠

（北京有色金属研究总院，北京国晶辉红外光学科技有限公司。北京１０００８８）

摘要：本文用热交换法生长出口向，尺寸为咖１５０ＩＴｌＩｎ×１６０ｔｏｎｉ，重１０ｋｇ的低位错蓝宝石晶体，并采用化学腐蚀．金相显微镜法观测了（０００１）晶面的位错形貌。结果显示：（Ｏ００１）晶面的位错腐蚀坑呈三角形，分布较均匀和分散，图像清晰，平均位错密度较低，为２．１×１０３Ｐｉｔａ／ｃｍ２；热交换系统保温效果好，能独立控制熔体和晶体的温度梯度，温场起伏小，具有良好的稳定性和可控性，适合用来生长大直径低位错的蓝宝石晶体。关键词：蓝宝石单晶；热交换法；晶体生长；位错中图分类号：０７７文献标识码：Ａ文章编号：１０００－９８５Ｘ（２００９）０３－０６２５－０４

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓｏｆＳａｐｐｈｉｒｅＣｒｙｓｔａｌｓＧｒｏｗｎ

ｂｙＨｅａｔ－ｅｘｃｈａｎｇｅＭｅｔｈｏｄ

ＫＥＺｉ－／ｅｎｇ，ＬＩ施ｎ—ｍｉｎｇ，ＳＵＸｉａｏ－ｐｉｎｇ，ＮＡＭｕ—Ｊｉｌａｔｕ，ⅡＮａｎ（ＢｅｉｊｉｎｇＯ，ｏｉｉｌｌｇＩｎｆｒａｒｅｄＯｐｔｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，ＬＴＤ。ＢｅｉｉｉＩＩｇＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ，酬ｉ％１０００８８，Ｃｈｉｎａ）（忍蒯２３Ｊｕｌｙ２００８，∞酬２２Ｏｃｔｏｂｅｒ２００８）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓａｐｐｈｉｒｅｃｒｙｓｔａｌｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｌｏｗｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ１０ｋｇｉｎｗｅｉｇｌｌｔａｎｄｑｂｌ５０ｍｍ×１６０ｍｍｉｎｓｉｚｅｈａｄｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｇｒｏｗｎａｌｏｎｇａａｘｉｓｂｙｍｅａｎｓｏｆｈｅａｔ—ｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓａｐｐｅａｒａｎｃｅｏｆ（０００１）ｐｌａｎｅｈａｄｂｅｅｎｏｂｓｅｒｖｅｄｗｉｔｈｃｈｅｍｉｓｔｒｙｅｒｏｄｉｎｇ—ｍｅｔａｌｌｏｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｅｔｃｈｐｉｔｓｌｏｃａｔｅｄｉｎ（０００１）ｐｌａｎｅ嬲ａｔｒｉａｎｇｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｓ

ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｕｎｉｆｏｒｍｌｙａｎｄｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｌｙａｎｄｌｏｗａｖｅｒａｇｅｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓｄｅｎｓｉｔｙｉｓ２．１×１０３Ｐｉｔｓ／ｃｍ２．Ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｈｅａｔ—ｅｘｃｈａｎｇｅｓｙｓｔｅｍｈａｄｇｏｏｄｈｅａｔｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｓｏｆｃｒｙｓｔａｌａｎｄｍｅｌｔｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ，ｌｉｔｔｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ，ｐｏｓｓｅｓｓｅｄｗｅｌｌｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ，ａｄａｐｔｅｄｔｏｂｅｕｓｅｄｔｏｇｒｏｗｓａｐｐｈｉｒｅｃｒｙｓｔａｌｓｏｆｍａｊｏｒｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｌｏｗｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓａｐｐｈｉｒｅｃｒｙｓｔａｌｓ；ｈｅａｔ—ｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｔｈｏｄ；ｃｒｙｓｔａｌｇｒｏｗｔｈ；ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ

引言

蓝宝石晶体具有非常稳定的化学性能，良好的机械性能，是重要的的蓝宝石一硅电路（ＳＯＳ）、ＧａＮ蓝光半导体ＬＥＤ及ＺｎＯ膜的衬底材料‘¨。目前生长蓝宝石晶体的主要方法有热交换法（ＨＥＭ）、温梯法（ＴＧＴ）、泡生法（Ｋｙｒ）和提拉法（Ｃｚ）等‘２引。其中，热交换法是生长出高质量的蓝宝石晶体最有效的方法之一‘５｜。研究表明，晶体中的位错降低了载流子的迁移率和少数载流子的寿命，同时器件生产过程中，晶体中的位错还会导致扩散结不平整，直接影响外延层的质量，引起漏电、击穿、噪音、短路等现象，对光－电子学器件、

收稿日期：２００８４）７－２３；修订日期：２００８·１０－２２

作者简介：柯利峰（１９８３·）。男。北京市人，硕士研究生。Ｅ·ｍａｉｌ：ｋｅｌｉｆｅｎ９２００４＠１６３．ｅｏｍ

　万方数据人工晶体学报第３８卷

声．电子学器件及半导体器件热导等性能有着明显的影响哺３。目前国内关于蓝宝石单晶低位错方面的报道仍只见于提拉法、温梯法、泡生法等‘１’７１。本文对热交换法生长蓝宝石晶体的位错缺陷进行了研究。

２晶体生长工艺与条件

２．１生长设备实验生长设备为自行设计的ＢＳ００４氧化物单晶炉，采用的加热器为的圆筒型石墨加热器，坩埚材料为钨钼合金，保温系统为碳碳复合结构保温层。晶体生长过程中加热功率和热交换器中的氦气流量分别由可编程自动控制系统独立控制。２．２工艺条件实验采用纯度≥９９．９９９％的ｄ—Ａ１：Ｏ，块状原料，自行加工的ａ向籽晶，装料１５ｋｇ，充人约一个大气压的氩气作为保护气。晶体生长过程具体分为以下几个阶段为：（１）熔料，保持初始氦气流量不变，增大加热器功率，使光电高温计温度达到２３２３Ｋ，完成化料；（２）引晶，下摇籽晶使其与熔体接触处获得良好的固液界面；（３）以一定速率持续增加氦气流量，促使晶体生长；（４）保持氦气流量，开始降温。实验中加热器功率和氦气流量分别由高精度仪器执行程序完成，其控温曲线和氦气流量变化曲线分别如图１、图２所示。

ＴＩｍｅ，Ｉｌ图１温度随时间变化示意图

Ｆｉｇ．１ｓｃｈｅｍｆｉｃｏｆｔｅｍｐｅｍｔｕ弛ｖ８．ｔｉｍｅ

３位错腐蚀实验与观测

３．１样品的制备Ｔｉｍｅ，ＩＩ图２氦气流量随时间变化示意图Ｆｉｇ．２ｓｃｈｅｍＢｔｉｃｏｆｈｅｌｉ岫ｎ呱ｖ８．ｔｉｍｅ

图３热交换法生长的蓝宝石晶体幽４监主幽圳劫片Ｆｉｇ．３ＴｈｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙｏｆｔｌＩｅ蛆ｐＰｌＩｉ托ｃｒｙｓｔａｌ乎ｏｗｎｂｙＦｉｇ．４ｈｅｈｉｏｎｏｆＢ印ｐｌｌｉ聆ｃｒｙｓｔａｌｈ眦－ｅｘｃｈ哪ｅｍ削（咖１５０咖×１６０衄）

热交换法生长的蓝宝石晶体如图３所示。用劳埃法和ｘ射线定向仪对该晶锭定向，加工获得＜０００ｌ＞晶向的圆柱形晶棒，从该晶棒中间部位和边沿部位分别切取３片、２片厚度均为Ｏ．５咖的（０００１）晶片（如

图４），进行机械抛光，然后化学机械抛光，获得一个光亮平整的表面。

　万方数据第３期柯利峰等：热交换法生长蓝宝石晶体的位错研究６２７

３．２位错的腐蚀坑与观察蓝宝石性质稳定，常温条件下难与酸、碱反应。但在高温条件下，熔融的ＫＯＨ会对蓝宝石晶体产生化学腐蚀，由于位错区的腐蚀速度大于无位错区的腐蚀速度，这样化学腐蚀后可获得位错腐蚀坑的样品。为清楚观察到位错腐蚀坑图像，实验中腐蚀温度为３００ｏＣ，持续时间为１５ｍｉｎ。然后运用ＯｌｙｍｂｕｓＧｘ５１倒置金相显微镜观测样品的位错腐蚀坑。

４结果与讨论

图５为样品的位锗观测点位置分布示意图，其对应的位错观测点的典型位错腐蚀坑如图６所示（样品１）。不同样品的位错密度具体结果见表ｌ。裹１１００倍显微镜下观察到不同样品的ＥＰＤ分析结果Ｔａｂｌｅ１ＴｈｅＥＰＤｒｅｓｕｌｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈ１００×ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ

Ｓａｍｐｌｅｎｕｍｂｅｒ１（ｍｉｄｄｌｅ）２（ｍｉｄｄｌｅ）３（ｍｉｄｄｌｅ）４（ｅｄｇｅ）５（ｅｄｇｅ）二＝篇ｔｙ耐ｄ２０８６２０６ｓ２－００２ｍ２２０５

。兰篇兰＝：删２０６７２－∞２ｔ够２２９２

Ａｖｅｒａｇｅ：（Ｐｉｔ且，＇ｃｍ２）２０３５２０５６２１６４２１７０２２４６

从图６可以看出，样品ｌ（０００１）晶面的位错图像清晰，腐蚀坑呈三角形，分布较均匀和分散，没有出现位错环或者位错堆。其中心位错密度为２０８６Ｐｉｔｓ／ｃｍ２，边沿位错密度为２００４Ｐｉｔｓ／ｃｍ２。从表ｌ可以看出，每一样品中心与边沿的位错密度都很接近，而且所有样品的中心、边沿、平均位错密度都很接近，故没有出现中心低、边沿高的“Ｕ”型径向分布或者中心和边沿密度都较高的“ｗ”型径向分布。５个样品的平均位错密度为２．１×１０３Ｐｉｔｓ／ｅｍ２。位错的径向分布与热弹应力场有关。由临界分切应力定律可知№Ｊ，欲使某滑移面上的位错源启动或于该面内产生位错成核，在该面上沿滑移方向的分切应力必须达到或超过某临界切应力。当晶体中的热弹应“昏。

力小于位错非均匀成核所需的临界应力时，通常可以＋［ｎ２０ｌ

图５位错检测点在晶片上的分布示意图Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇｏｆｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｗａｆｅｒ

生长无位错单晶。当热弹应力大于位错繁殖时所需的临界应力而小于位错大量增殖时所需的临界应力时，晶体的就会出现位错，但位错密度不很高，径向分布较均匀。晶体中边沿部分的热弹应力超过位错大量增殖时的临界应力，位错密度较高，其径向分布呈“Ｕ”；而当中心部分和边沿部分热弹应力超过位错大量增殖时的临界应力，位错密度较高，其分布呈“Ｗ”型。在熔体生长中，晶体中存在温度梯度是能够人为地控制晶体生长的必要条件ＭＪ。只要晶体内存在径向或者轴向温度的非线性分布，晶体内就存在热应力，进而引起位错的产生和增殖。国外热交换法起步较早，发展较为成熟，据Ｃｈｅｎ等早期研究的典型结果¨１，５０岬厚的（０００１）晶面位错密度处在１０３ｃｍ。数量级范围内，而后来见相关文章。本实验室ＨＥＭ法虽起步较晚，目前也已达到这种水平。据国内相关报道¨’５Ｊ，温梯法生长的咖１１０咖×８０ｌｌｌｌ＇ｎ蓝宝石晶体（ｏ００１）晶面位错密度为（４～６）×１０３Ｐｉｔｓ／ｃｍ２，提拉法生长的筇４ｍ／ｎ×１５０ｒｆｆｆｎ蓝宝石晶体的（ｏ００１）晶面位错密度为（１～３）×１０３Ｐｉｔｓ／ｃｍ２，对比可以知道，热交换法生长的蓝宝石晶体的位错密度相对温梯法较低，与提拉法接近，但是从晶体尺寸来看则说明了热交换法更容易生长低位错蓝宝石晶体。热交换法（ＨＥＭ）生长蓝宝石晶体位错密度较低的主要因素是温度梯度小，避免了在晶

体中产生过大的热应力，从而减少位错的产生。本实验一方面采用碳碳复合保温层，保温效果良好，温度梯

　万方数据６２８人工晶体学报第３８卷

度小；另一方面，由精密仪器独立控制熔体和晶体的温度梯度，可控性较高，温场的起伏小。

图６１００倍显微镜Ｆ观察到样品１的位错腐蚀形貌

Ｆｉｇ．６Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇｓｈａｐｅｏｆｓａｍｐｌｅ１ｗｉｔｈ１００×ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ

５结论

（１）蓝宝石晶体薄片用ＫＯＨ进行化学腐蚀，腐蚀温度为３００℃，时间为１５ｖａｉｎ，（０００１）晶面的位错腐蚀坑呈三角形，分布较均匀和分散，图像清晰，说明腐蚀条件合理；（２）采用热交换法生长的蓝宝石晶体中没有出现中心位错密度低、边沿位错密度高的“Ｕ”型径向分布或者中心和边沿密度都较高的“ｗ”型径向分布，平均位错密度低，为２．１×１０３Ｐｉｔｓ／ｃｍ２；（３）热交换法系统保温效果好，能独立控制熔体和晶体的温度梯度，可控性好；采用热交换法更容易生长出低位错大直径蓝宝石晶体。

参考文献

【１］周国清．白宝石（Ａ１２０３）光学晶体和ｎ—ＢａＢ２０４双折射光学晶体的缺陷和生长研究【Ｍ］．上海：中国科学院上海光学精密机械研究所博士学位论文。２０００．压∞ＧＱ．ＳｔｕｄｙＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄＧｒｏｗｔｈｏｆＳａｐｐｈｉｒｅ（Ａ１２０３）ＯｐｔｉｃａｌＣｒｙｓｔａｌａｎｄｄ－Ｂ８８２０４Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ０ｐｔｉｃａｌＣｒｙｓｔａｌ［Ｍ］．ｓｈ咄ｉ：

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CZ法蓝宝石晶体生长工艺研究

CZ法蓝宝石晶体生长工艺研究

200mm蓝宝石晶体生长工艺研究-CZ法

晶体生长工艺主要分为引晶、缩颈、放肩、晶体生长、退火、冷却四个过程。晶体生长过程中均匀缓慢的提拉晶体 ,晶体不与坩埚壁接触 ,避免了晶体生长过程中的寄生成核。

实验分析与讨论

实验发现晶体有开裂及线形的散射颗粒。晶体开裂取决于温度梯度、生长速率等生长工艺参数 ;线形散射颗粒则取决于温场、功率控制及炉膛的洁净度等工艺条件。

3. 1 生长速率对晶体开裂的影响

根据界面稳定条件

分别为界面附近熔体和晶体中的温度梯度

, Kl,ks分别为熔体和晶体的热导率 , L为结晶潜热 ,ρ为晶体密度。

从 (3)中可以看出晶体的最大生长速率取决于晶体中温度梯度的大小 ,要提高晶体的生长速率 ,必须加大晶体中的温度梯度 ,但是 ,晶体中温度梯度太大 ,将会增加热应力 ,引起位错密度增加 ,甚至导致晶体开裂。考虑热效应对晶体开裂的影响 ,这时允许的最大热应力为 (1)

(2)

从 (3)、(4)式中可以看出 :晶体中允许的最大热应力 (或热应变 )与生长极限速率成正比。故 ,为得到高质量完整的晶体 ,通常生长速率低于极限生长速率。否则 ,由于晶体生长速率过快 ,将会引起高的热应力 ,引起位错密度增加 ,晶体结构完整性变差 ,导致晶体开裂。另一方面我们可以看出 ,实际上在保证晶体中温度梯度稳定的条件下 ,适当减少熔体中的轴向温度梯度也可以增大晶体生长速率。蓝宝石晶体具有较大的导热系数 ,在适当的较小的轴向温度梯度温场以及在保证径向温度合理的条件下 ,更有利于凸生长界面的形成 ,也就相对提高了晶体生长速率。

本实验 ,在生长 A l2O3晶体的过程中 ,采取分段生长晶体 ,以保持恒定的结晶速率与晶体等径。生长速率为 2. 5～3. 0mm /h,此速率对 A l2O3晶体开裂基本上没有影响。

3. 2 热效应对晶体开裂的影响

在晶体生长过程中 ,由于温场不合理 ,温度梯度过大 ,冷却速率过快等都会使晶体产生热应力 ,产生相对形变 ,造成晶体开裂。

在蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜的MOCVD工艺研究

在蓝宝石衬底上外延生长GaN薄膜的MOCVD工艺研究

摘要

第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景，目前制备GaN的方法主要有分子束（MBE）、氯化物气相外延（HVPE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）。本文介绍了MOCVD法在蓝宝石衬底上外延生长GaN材料并利用其无掩模横向外延生长GaN 薄膜与同样生长条件下，在未经腐蚀预处理的蓝宝石衬底上外延的GaN 薄膜进行对比测试[1]。测试分析结果表明，经过腐蚀预处理的GaN 衍射峰的半峰宽及强度、表面平整度、腐蚀坑密度都明显优于未经腐蚀预处理的GaN 薄膜，使原有生长条件下GaN薄膜位错密度下降50%。并且通过Hal l 测试、x 射线双晶衍射结果、室温PL 谱测试[2]成功地制备出GaN单晶薄膜材料, 取得了GaN 材料的初步测试结果。测试研究发现增加缓冲层厚度、多缓冲层结构可以有效地降低位错密度、提高薄膜质量，其中通过中温插入层结构实验获得了质量最好的GaN 外延层[3]。

关键字：GaN MOCVD 蓝宝石衬底预处理 缓冲层 外延生长

STUDY OF EPITAXIAL LATERAL OVERGROWTH

OF GALLIUM NITRIDE ON SAPPHIRE BY

MOCVD

By

Haiqing Jiang

Supervisor: Prof.Xianying Dai

ABSTRACT

Gallium-nitride-semiconductor offers good potential value

for application in a wide range of optical display, optical

recording and illumination due to its excellent quality. At

泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用

泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用

泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用

摘要：材料科学是现代文明的三大支柱之一和人类文明的物质基础。晶体生长是材料科学领域的一部分，处于领先地位，是其发展的监护者。一些高科技的发展与晶体材料密切相关。蓝宝石晶体具有独特的物理化学特性，特别是在0.2-0.5um波段，可广泛用于红外军事设备、卫星和空间技术。它还具有诸如介质隔热层和恒定电气常数等特性，已成为最广泛使用的基本材料之一。本文在此基础上，详细阐述了泡生法生长优质无色蓝宝石的原理、生长过程和技术方面，并探讨了优质蓝宝石的广阔应用前景。

关键词：泡生法；蓝宝石；晶体生长；原理；应用分析

前言

随着市场对蓝宝石晶体的需求不断增加，蓝宝石作为一种具有卓越化学和物理特性的高质量多功能化合物在国际军事、工业、农业和生物医学领域得到广泛应用。蓝宝石晶体具有优良的机械、物理和光学特性。广泛应用于半导体照明、红外、微电子窗材料等民用领域，需求量大、质量高的单晶蓝宝石。人造蓝宝石晶体最常用的制备方法是泡生法、热交换法等。目前泡生法是培育大型蓝宝石晶体的最佳方法。

一、泡生法的原理与工艺

1.原理

泡生法最早于1926年提出，并于20世纪70年代由前苏联穆萨托夫进行了改进，以获得蓝宝石单晶。运气法，又称果阿法、上籽冷却法和煅烧法。以晶闸管设备为基础，对GOI法蓝宝石单晶生长设备进行了改进，晶体生长方向为a轴或m轴。泡生法生长蓝宝石单晶的过程如下:(1)种子夹具夹持在金属晶闸管底部的蓝宝石种子浸入钼坩埚中温度高达2340K的熔融表面；(2)严格控制熔体温度，使其表面温度略高于籽晶熔点，即熔化少量籽晶，使蓝宝石单晶生长在籽晶表面；(3)籽晶熔体充分浸润后，熔体表面温度达到籽晶熔点，从熔体中缓慢拉出籽晶，生长蓝宝石单晶；(4)严格调节加热器功率，使熔体表面温度等于种子熔点，从而逐步实现蓝宝石单晶的收缩、扩肩、等径生长和修整过程。与直拉法相比，虽然晶体生长初期存在局部拉低肩过程，但泡生法不再使用拉低法，外部温度场保持冷却形成结晶动力学。

晶体生长方法

晶体生长方法

1.1.5 热交换法 Heat exchange method (HEM)

该方法的实质是熔体在坩埚内直径凝固。它与坩埚移动法的区别是在这种方法中，坩埚不做任何方向的移动。这是近年来生长大尺寸晶体的又一发展。Schmid最初的生长是在一个梯度单晶炉内进行，用以生长大尺寸白宝石单晶。右图所示的是这种方法的示意图。该梯度炉就是在真空墨电阻炉的底部装上一个钨铝制成的热交换器，内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在热交换器的顶端，两者中心互相重合，而籽晶置于坩埚底部的中心处（注意，热交换器与坩埚底面积之比应有一定的比例），当坩埚内的原料被加热熔化以后，此时，由于氦气流经热交换器冷却，使籽晶并未熔化，当氦气流量逐渐加大后，则从熔体带走的热量亦相应增加，使籽晶逐渐长大。最后使整个坩埚内的熔体全部凝固。整个晶体生长过程分两个阶段进行，即成核阶段和生长阶段。在这个过程中晶体生长的去的驱动力来自固—液界面上的温度梯度。通过调节石墨加热器的功率，可达到调节熔体温度的目的。而晶体的热量可通过氦气的流量带走。因此，在生长过程中，晶体的生长界面上可以建立起所需要的温度梯度。

这种方法的主要优点如下：

1）晶体生长时，坩埚、晶体和加热区都不移动，这就消除了由于机械运动而产生的熔体涡流，控制热交换器的温度，是晶体生长在温度梯度场中进行，抑制了熔体的涡流和对流，可以消除固—液界面上温度和浓度的波动，以避免晶体造成过多的缺陷。

2）刚生长出来的晶体被熔体所包围，这样就可以控制它的冷却速率，以减少晶体的热应力及由此产生的开裂和位错等缺陷。同时，也可以长出与坩埚形状和尺寸相仿的单晶。当然热交换法生长晶体的周期较长，例如，Schmid生长32cm直径的白宝石单晶约需一周左右的时间。

1.1.6 水平结晶法 Horizontal directional crystallization method（HDC）

其生长原理如右图所示，将原料放入船形坩埚之中，船形坩埚之船头部位主要是放置晶种，接着使坩埚经过一加热器，邻近加热器之部份原料最先熔化形成熔汤，形成熔汤之原料便与船头之晶种接触，即开始生长晶体，当坩埚完全经过加热器后，便可得一单晶体。为了晶体品质及晶体生张结束后，方便取出晶体，坩埚应采用不沾其熔汤之材料所製，如石英、氧化镁、氧化铝、氧化铍以及石墨等。加热器可以使用电阻炉，也可使用高频炉。用此方法生长单晶，设备简单，又可得到纯度很高和杂质分布十分均匀的晶体。但此方法所生长的晶体与坩埚接触，难免有坩埚成分之元素析出到晶体，且不易制得完整性高的大直径单晶。