專(zhuān)利名稱：：制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及制備透明、低阻氧化鋅半導(dǎo)體陶瓷的方法，特別是一種熱壓燒結(jié)法制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
：氧化鋅(ZnO)是一種寬帶半導(dǎo)體多功能材料，和氮化鎵相比，具有更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，無(wú)污染，對(duì)襯底沒(méi)有苛刻的要求，并且可以用多種方法來(lái)制備氧化鋅薄膜，生長(zhǎng)所需的襯底溫度也比氮化鎵低的多，其很高的激子束縛能，使得其在室溫下會(huì)獲得高效的紫外激子發(fā)光和激光。自1996年香港科學(xué)家首次報(bào)道了氧化鋅薄膜室溫下的近紫外光泵浦受激光發(fā)射以來(lái)，已經(jīng)有許多關(guān)于用不同方法在不同襯底上生長(zhǎng)ZnO薄膜的報(bào)道，對(duì)ZnO薄膜的光學(xué)性質(zhì)以及p型ZnO摻雜在n-ZnO薄膜的基礎(chǔ)上生長(zhǎng)P-ZnO來(lái)實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)主要是用于LEDs,LDs等光電器件。目前，人們對(duì)于ZnO的光電性能的研究大多集中在具有高透明度的ZnO單晶薄膜和體材料上，而對(duì)于多晶ZnO陶瓷在光電領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少，究其原因ZnO為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，對(duì)于光的透射存在各向異性，因此，多晶ZnO是光學(xué)不透明的，另外，由于陶瓷中存在大量晶界，也導(dǎo)致ZnO陶瓷電阻率偏高，因此不能作為光學(xué)陶瓷器件加以研究和使用。以往人們普遍認(rèn)為，材料具有巖鹽礦結(jié)構(gòu)制備多晶透明陶瓷的前提條件。這是因?yàn)閹r鹽礦結(jié)構(gòu)具有光學(xué)各向同性，不會(huì)由于雙折射產(chǎn)生散色光。例如Raytheon公司在纖鋅礦結(jié)構(gòu)八1203中添加氮化物，制備出具有巖鹽礦結(jié)構(gòu)的AION透明陶瓷。所以至今還沒(méi)有制備n-ZnO多晶半導(dǎo)體透明陶瓷的方法及產(chǎn)品。因此如何減少和消除纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO的雙折射，以及提高致密度將是ZnO多晶陶瓷透明的關(guān)鍵。這些困難也是成為制約ZnO透明陶瓷研究發(fā)展的瓶頸。近年來(lái)的研究結(jié)果表明，陶瓷材料中的晶粒尺寸小于納米和亞微米級(jí)，可以使具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)材料的雙折射的影響降低或消失。同時(shí)，高壓作為除了成分，溫度以外的第三個(gè)熱力學(xué)維度，不僅可以使提高粉體材料致密度，而且可以改變材料的許多物理和化學(xué)性質(zhì)，如改變材料的電子結(jié)構(gòu)以及常壓下難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。為此，我們利用高壓高溫技術(shù)開(kāi)展了n型ZnO多晶透明陶瓷的制備工作，以期獲得高電學(xué)和光學(xué)質(zhì)量，性能穩(wěn)定、可重復(fù)生產(chǎn)的n型ZnO多晶透明陶瓷。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷的方法，以獲得透明、低阻的多晶氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷材料，為光電器件制造
技術(shù)領(lǐng)域：
提供了特別適用的優(yōu)質(zhì)新材料。本發(fā)明制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷的方法，是以粉體ZnO為原料，在壓力為25.1GPa、溫度為40090CTC條件下熱壓燒結(jié)獲得n型ZnO多晶半導(dǎo)體透明陶瓷。用本發(fā)明方法制備的n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷，其透過(guò)率為3067%、載流子濃度為1.0xl012~18cn^3、電阻率為lxlOa"2Q.cm、遷移率為0.01~26cm2.本發(fā)明利用熱壓燒結(jié)法制備高質(zhì)量透明、低阻ZnO半導(dǎo)體透明陶瓷技術(shù)，具有以下特點(diǎn)l.高壓是提高材料的致密度以及減小晶界空隙的有效方法，因而用高壓法燒結(jié)的透明、低阻ZnO半導(dǎo)體陶瓷結(jié)晶質(zhì)量好，重復(fù)性高，適于工業(yè)化生產(chǎn)；2.有效的解決了至今無(wú)法獲得在相關(guān)工業(yè)上具有實(shí)用價(jià)值的透明、低阻的ZnO多晶陶瓷。采用這種方法燒結(jié)的高質(zhì)量透明、低阻ZnO半導(dǎo)體陶瓷為下一步在其上生長(zhǎng)P-ZnO，實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光以及實(shí)現(xiàn)主要是用于LED、紫外探測(cè)器器件的制備提供了優(yōu)質(zhì)的同質(zhì)材料，有效提高光電器件的技術(shù)性能。3.本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)捷易行，適于規(guī)?；a(chǎn)。具體實(shí)施例方式以下通過(guò)實(shí)施對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述。本發(fā)明制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷，是以粉體ZnO為原料，以六面頂壓機(jī)作為生產(chǎn)設(shè)備，在壓力為25.1GPa、溫度為40090(TC條件下熱壓燒結(jié)制得透明、低阻的ZnO多晶陶瓷。其具體做法是將粒徑為0.2-0.8um、純度為5N的粉體ZnO預(yù)壓成型后裝入葉臘石模塊腔體內(nèi)，將該裝有ZnO的葉臘石模塊置入六面頂壓機(jī)壓力室中加壓，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的工作壓力后通過(guò)電流將模塊ZnO加熱至設(shè)定的工作溫度，在此設(shè)定的工作壓力和溫度下保溫保壓20分鐘，卸壓冷卻脫模后即獲得透明、低阻的ZnO多晶陶瓷。按本方法獲得的n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷，其特征是該材料的透過(guò)率為3067%、其載流子濃度為1.0xl012~18cm'3、電阻率為lxlOai—2acm、遷移率為0.0126cm2.V".S"。通過(guò)以下實(shí)施例說(shuō)明原材料粉體ZnO的粒度、工作壓力和溫度對(duì)制備的ZnO多晶體材料性能的影響。實(shí)施例1在固定的壓力和溫度條件下，采用不同粒度的ZnO，進(jìn)行熱壓燒結(jié)。選用粒度分別為A:0.2~0.3um，B:0.7~0.8um，C:0.2-0.8um的三組高純ZnO作原材料，在壓力為4.5GPa、溫度為78(TC條件下，燒結(jié)20分鐘。對(duì)上述三組粒度原材料分別燒結(jié)出的透明、低阻ZnO多晶體，用紫外透射光譜及霍耳效應(yīng)測(cè)量結(jié)果是透過(guò)度A組2B組〉C組，電阻率A組〈B組〈C組，見(jiàn)表一。通過(guò)XRD表征，其結(jié)構(gòu)與常壓燒結(jié)ZnO相同，均為六方結(jié)構(gòu)，但其特征峰均發(fā)生紅移，通過(guò)計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)，A組的晶胞體積縮小最大約為17%，通過(guò)三組粒徑原材料合成獲得的ZnO多晶陶瓷的透過(guò)率、電阻率的比較，說(shuō)明原材料粒徑相對(duì)均勻(即粒徑盡量趨于一致)有利于結(jié)晶質(zhì)量的提高。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)施例2以粒度0.2-0.3um的高純(5N)ZnO為原料，在5.1GPa的固定工作壓力條件下，在不同的工作溫度下燒結(jié)20分鐘，所獲得的ZnO多晶陶瓷的質(zhì)量比較試驗(yàn)。在40090(TC區(qū)間內(nèi)，采用不同的燒結(jié)溫度分別制備出的ZnO陶瓷，通過(guò)紫外透射光譜以及霍耳效應(yīng)測(cè)量結(jié)果表明在工作溫度為75080(TC條件下所獲得的多晶陶瓷的透過(guò)率在5567X以上，而其它工作溫度條件下所獲的多晶陶瓷的透過(guò)率均小于55%;在75080(TC工作溫度下所獲的多晶陶瓷的電阻率小于0.7Q.cm;同時(shí)樣品顏色也有較大的區(qū)別40075(TC工作溫度條件下所獲的多晶體顏色由黃逐漸變黑-深紅-紅-淺紅,75080(TC工作溫度條件下所獲的多晶陶瓷顏色由淺紅逐漸變黃-淺黃,800900°C工作溫度條件下所獲的多晶陶瓷顏色由淺黃逐漸變白-黃，見(jiàn)表二。表二<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明方法制備透明、低阻氧化鋅半導(dǎo)體陶瓷的最佳工作溫度為750800。C。實(shí)施例3以粒徑0.2-0.3um的ZnO為原料，在750800"C工作溫度條件下，在不同的工作壓力下燒結(jié)20分鐘，所獲得的ZnO多晶半導(dǎo)體陶瓷的質(zhì)量比較試驗(yàn)。采用不同的燒結(jié)溫度分別制備出的ZnO多晶半導(dǎo)體陶瓷，通過(guò)紫外透射光譜以及霍耳效應(yīng)測(cè)量結(jié)果表明工作壓力為4.55.1GPa條件下所獲的多晶體的透過(guò)率高、而電阻率低，顏色淺黃；工作壓力為24.5GPa條件下所獲的多晶體的透過(guò)率高且電阻率低，體材料顏色黃，有裂紋，見(jiàn)表三。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明方法制備透明、低阻氧化鋅半導(dǎo)體體材料的最佳工作壓力為4.5—5.1GPa。表三<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1.一種制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷的方法，其特征在于，是以粉體ZnO為原料，在壓力為2～5.1GPa、溫度為400～900℃條件下熱壓燒結(jié)獲得n型ZnO多晶半導(dǎo)體透明陶瓷。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷的方法，其特征在于，是將粒徑為0.2-0.8um、純度為5N的ZnO粉體預(yù)壓成型后裝入葉臘石模塊腔體內(nèi)，在六面頂壓機(jī)壓力室中加壓、加熱至設(shè)定的壓力和溫度后保溫保壓20分鐘。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷的方法，其特征在于熱壓燒結(jié)的壓力為4.5—5.1Gpa、溫度為750800°C。4.一種根據(jù)權(quán)利要求l所述方法制備的n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷，其特征在于，該陶瓷的透過(guò)率為3067%、載流子濃度為1.0xl012~I8cm—3、電阻率為lxlOQ1-2acm、遷移率為0.01~26cm2.V-1.S-1.全文摘要本發(fā)明涉及制備透明、低阻氧化鋅半導(dǎo)體陶瓷的方法，特別是一種熱壓燒結(jié)法制備n型氧化鋅半導(dǎo)體透明陶瓷的方法，是以粉體ZnO為原料，在壓力為2～5.1GPa、溫度為400～900℃條件下熱壓燒結(jié)獲得n型ZnO多晶半導(dǎo)體透明陶瓷。該方法制備的n型ZnO半導(dǎo)體透明陶瓷，其透過(guò)率為30～67％、載流子濃度為1.0×10^12-18cm^-3、電阻率為1×10^0.1-2Ω.cm、遷移率為0.01～26cm².V^-1.S^-1。本發(fā)明方法所獲得的n型ZnO多晶體半導(dǎo)體透明陶瓷結(jié)晶質(zhì)量好、制備重復(fù)性好、適于工業(yè)化生產(chǎn)，為光電器件制造
技術(shù)領(lǐng)域：
提供了特別適用的優(yōu)質(zhì)新材料。文檔編號(hào)C04B35/01GK101289317SQ20081005079公開(kāi)日2008年10月22日申請(qǐng)日期2008年6月4日優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日發(fā)明者斌姚,張吉英,張振中,李炳輝,申德振,秦杰明,趙東旭申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所