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蓝宝石晶体是现代工业,尤其是微电子、光电子产业极为重要的基础材料。本项目从蓝宝石晶体的生长方法、
装置到晶体退火工艺等均拥有自主知识产权,取得了一系列重大成果。主要包括:(1)首次采用温梯法生长
大尺寸蓝宝石晶体;首次采用温梯法生长易挥发性铝酸锂和镓酸锂等晶体;首次提出蓝宝石晶体的着色新机
理;首次采用两步法脱碳去色新工艺;首次提出采用双加热温梯法生长大尺寸蓝宝石晶体。(2)采用独创的
温梯法生长成功蓝宝石晶体,晶体衬底尺寸从两英寸扩大到四英寸,已能满足衬底第三代产品需求。衬底基片
尺寸(2-4英寸)和质量处于国际领先水平。(3)可以直接生长光轴方向[0001]、即零双折射方向的蓝宝石
晶体,是目前国际上唯一能直接生长该方向的方法。(4)经美国加州理工学院、美国通用公司和国内相关单
位等综合测试,晶体的主要技术指标是: 平均位错密度: 3′103cm-2; X射线双晶曲线FWHM为10;光学均
匀性 : Dn=2`10-5,RMS=17nm; 光学弱吸收(1064nm)系数为35-65ppm/cm。 以上4个关键指标均处于国际
最高水平。(5)与美国晶体系统公司的热交换法和加拿大Honeywell Co的提拉法相比,晶体生长成本低、质
量高,工艺技术易于自动控制、适宜工业化推广。
蓝宝石晶体是综合性能最好、使用最广泛的氧化物衬底材料,主要用作氮化物半导体衬底、大规模集成电路衬
底等。蓝宝石晶体还是红外军用装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探测和高功率强激光等的窗口材料,优质
光学材料,耐磨轴承材料等。钛宝石晶体是目前使用最广泛的可调谐超快激光材料,是三大基础激光材料之
一。仅氮化物半导体所需衬底材料,每年约需100万片(Ф50×0.4mm),市场销售额1亿美金/年。
70年代末,上海光机所创立了导向温梯法(TGT),88年获得专利权。在“八五”和“九五”863计划的支持
下,成功生产出具有国际领先水平的钛宝石和蓝宝石晶体,常规钛宝石、标准化蓝宝石衬底Ф50×0.4mm已达
到产业化水平。更大尺寸(第二代和第三代)的蓝宝石衬底和特殊要求的钛宝石晶体正在发展之中。
应用领域或产业:光电子、通信、信息领域
市场前景分析:该项研究现处于小批量生产阶段,氮化镓是继硅单晶之后,人类所发现的最重要的新材料,其
市场刚刚启动, 2000年10多亿美元,目前每年正以40%的速度迅速增加。它所需要的蓝宝石衬底,将以同样
的增速发展,市场前景十分可观。
效益分析与预测:仅氮化物衬底;市场销售额,2000年1亿美元。
已取得的经济和社会效益:自“九五”立项以来,实验室阶段向美国、日本、法国、以色列等国家和地区出口
钛宝石激光棒100多根和蓝宝石晶体。出口创汇20多万美元,国内创汇30万人民币。成为继美国之后能提供实
用化优质钛宝石晶体和大尺寸蓝宝石晶体的国家,代表了我国在此领域的地位和水平。
项目转化所需投资:第一期:投资1000万元人民币;产出3000万元/年,利润30%。第二期:投资3000万元人
民币;产出2.5亿元/年,利润50%。
建设合作方式:合资生产
380MM锗晶体研制
项目 金额
CVDZNS头罩和大直径窗口 2,918,545.44
精确打击武器窗口硬质防护材料 1,920,000.00
高速导弹用高性能内冷复合窗口材料 1,265,606.12
大尺寸高均多波段红外光学材料 1,728,000.00
潜艇光电桅杆用大尺寸蓝宝石晶体 1,152,000.00
红外探测设备用直径对于380MM锗晶体研制 2,279,660.32
ZNS窗口头罩宽带光学增透及保护膜的研制 262,007.64
大尺寸多光谱ZNS、ZNSE窗口材料研究 556,800.00
导弹蓝宝石整流罩
孟松鹤:男,1969年出生,博士,教授、博士生导师,哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所副所长,《复合
材料学报》编委。现作为课题负责人或技术骨干承担包括国家安全重大基础研究、国家863、国家自然科学基
金、总装备部预研和重点基金等项目6项,获省部级二等奖二项。作为主要研究人员参加国家安全重大基础研
究“特种材料模拟表征与优化设计”项目研究工作,并负责项目的具体实施和技术协调工作,该项目为首批启
动的三个国家安全重大基础研究项目之一,也是高校第一个牵头承担的项目,总经费5500万元,项目进展顺
利,2004年底完成;主持完成了某导弹弹头新型碳/碳材料、固体火箭发动机碳毡/碳材料的超高温性能研究工
作,获得超高温性能实测数据,并在型号研制中获得应用;开展大尺寸蓝宝石晶体生长技术研究,与某导弹研
究院合作制备了蓝宝石整流罩组件,并通过性能测试,为某导弹研制提供了必要的技术储备。
上海光机所四英寸蓝宝石晶体向国家反导、反卫星"氧—碘强激光工程"项目提供5块Φ100mm左右的大
尺寸晶体作强激光窗口。
中科院上海光机所激光与光电子功能材料R&D(研究与开发)中心,以高温氧化物晶体为代表的激光与光电子功
能材料研究方面拥有一批重要成果,数种晶体的主要性能指标达到国际先进水平,如生长出国内最大的ø120×
80毫米蓝宝石晶体,该晶体目前仅美国晶体系统公司和该所能够生产,已提供给美国LIGO(激光引力波测量干
涉仪)工程和中国氧—碘强激光工程使用。此外,高温相偏硼酸钡α-BBO新型人工双折射晶体和大尺寸钒酸钇
YVO4晶体,是光纤通信中的光纤隔离器和环行器的关键材料。这些成果已成为该中心成果转化和产业化的新
生长点。
大尺寸优质蓝宝石晶体研制一方面满足了国家反导、反卫星\"氧—碘强激光工程\"的需要,打破了国际禁运;完
成了美国国家自然科学基金重大项目、国际大科学工程-激光引力波干涉仪LIGO-I计划。另一方面:(1)技术
转让:部分成果转让美国AXT晶体公司。(2)产业化:引资2200万元,成立上海中科嘉浦光电子材料有限公
司,建立了国内第一条Φ2~3英寸蓝宝石晶体衬底生产线;引资近9100万元,成立江苏兴化祥盛光电子材料有
限公司,并得到国家计委高技术产业重大专项《年产70万片蓝宝石Epi-ready基片及