專利名稱：鋁酸鎂尖晶石晶體的生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁酸鎂尖晶石，特別是一種鋁酸鎂尖晶石晶體的生長方法，采用密封坩堝內(nèi)含CO2和O2的局部氧化氣氛、垂直溫梯法(Vertical Gradient FreezeGrowth，VGF)生長大面積鋁酸鎂尖晶石(MgAl2O4)晶體。鋁酸鎂尖晶石晶體主要用作InN-GaN基藍(lán)光半導(dǎo)體外延生長用的襯底。
以上在先技術(shù)三種方法均存在明顯的技術(shù)缺陷。熔體表面存在嚴(yán)重的不同比例揮發(fā)，即MgO和Al2O3非比例揮發(fā)，在晶體中容易產(chǎn)生包裹物、晶體內(nèi)部核芯和其它缺陷，晶體質(zhì)量差。且由于MgAl2O4晶體熔點高達(dá)2130℃，晶體生長成本高。難以滿足InN-GaN基藍(lán)光發(fā)光體外延生長的需要。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種鋁酸鎂尖晶石晶體的生長方法，其特征是在溫梯爐中采用垂直溫梯法生長MgAl2O4晶體，工藝流程如下<1>在溫梯爐坩堝的籽晶槽內(nèi)放入定向籽晶；<2>按(1+x)∶1配比將高純MgCO3和Al2O3粉料在混料機(jī)中機(jī)械混合；<3>用壓料機(jī)壓塊成形，直接裝入坩堝中，加上坩堝蓋將坩堝密封，置于溫梯爐中；<4>邊抽真空邊升溫至600℃，充入高純氬氣；<5>持續(xù)升溫至熔體溫度2130℃左右，恒溫1～3小時，以5-10℃/小時速率降溫，直至晶體生長完畢，緩慢降溫至室溫后，打開爐罩，取出晶體。
所述的x＝0～0.05。
所述的溫梯爐為鐘罩式真空電阻爐，該爐體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括坩堝，發(fā)熱體，坩堝是置于爐體內(nèi)中心位置上，坩堝的周圍是園筒石墨發(fā)熱體，發(fā)熱體的外圍有側(cè)保溫屏，發(fā)熱體的頂部有與側(cè)保溫屏密合的上保溫屏，坩堝的底下有堝托，與發(fā)熱體相連的電極板有支撐環(huán)支撐，在支撐環(huán)內(nèi)有下保溫屏，穿過下保溫屏和電極板的中心伸到堝托內(nèi)有冷卻水支桿，還有供測量溫度的熱電偶伸到坩堝底部，爐體之外另附真空系統(tǒng)，60KW索科曼A2S1047型UPS穩(wěn)壓電源和818P4歐路精密控溫系統(tǒng)，監(jiān)控和測溫用鎢錸(W/Re3-W/Re25)熱電偶，坩堝為鉬(Mo)材料加工制成。
與在先技術(shù)MgAl2O4晶體生長方法(如熔鹽法，提拉法和火焰法)相比，本發(fā)明的垂直溫梯法從坩堝底部結(jié)晶生長，且原料中采用碳酸鎂(MgCO3)，使得密封坩堝內(nèi)是含CO2和O2的局部氧化氣氛，這樣既避免了爐內(nèi)氧化氣氛對發(fā)熱體和保溫材料的氧化污染，又有效克服了熔體組分因為還原性氣氛而揮發(fā)的問題，可以生長大尺寸(≥Ф3英寸)MgAl2O4晶體基片，且晶體質(zhì)量明顯高于已有方法生長的晶體，從而可以滿足GaN-InN基藍(lán)光半導(dǎo)體器件制造的市場需求。


圖1是垂直溫梯法(VGF)所用的溫梯爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視2是坩堝1的剖視圖
具體實施例方式本發(fā)明所用的垂直溫梯法生長MgAl2O4晶體的裝置稱為溫梯爐見圖1，為鐘罩式真空電阻爐，爐體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括坩堝1，發(fā)熱體2，坩堝1是置于爐體內(nèi)中心位置上，坩堝1的周圍是園筒石墨發(fā)熱體2，發(fā)熱體2的外圍有側(cè)保溫屏9，發(fā)熱體2的頂部有與側(cè)保溫屏9密合的上保溫屏8，坩堝1的底下有堝托3，與發(fā)熱體2相連的電極板6由支撐環(huán)7支撐，在支撐環(huán)7內(nèi)有下保溫屏10，穿過下保溫屏10和電極板6的中心伸到堝托3內(nèi)有冷卻水支桿5，還有供測量溫度的熱電偶4伸到坩堝1底部。爐體之外另附真空系統(tǒng)，60KW索科曼A2S1047型UPS穩(wěn)壓電源和818P4歐路精密控溫系統(tǒng)，監(jiān)控和測溫用鎢錸(W/Re3-W/Re25)熱電偶4。坩堝為鉬(Mo)材料加工制成。堝托3用氧化鋯(ZrO2)材料制成，支撐環(huán)7用剛玉環(huán)。上、側(cè)、下保溫屏8、9、10用鉬片或鎢-鉬片所制。坩堝底部14中心有一籽晶槽15，使結(jié)晶料充分熔解又保證籽晶不被熔化，坩堝底部14為錐形，阻止晶體生長時產(chǎn)生孿晶或多晶，坩堝壁12為有錐度13的園錐筒形，以易于晶體結(jié)晶后取出而不需毀壞坩堝。坩堝頂端由一鉬片所做成的坩堝蓋11密封(見圖2)，有效抑制MgAl2O4熔體揮發(fā)。坩堝1通過籽晶槽15置于鉬質(zhì)的坩堝定位棒的園形凹槽內(nèi)。
本發(fā)明提出在MgAl2O4晶體生長原料配方中使用采用碳酸鎂(MgCO3)和氧化鋁(Al2O3)為原料，按照(1+x)∶1(x＝0～0.05)比例配料，壓制成塊，直接裝人坩堝，坩堝密封。而不是象在先技術(shù)中那樣，預(yù)先燒結(jié)、使MgCO3分解、脫CO2。這樣，就使得密封坩堝內(nèi)是含CO2和O2的局部氧化氣氛，這樣既避免了爐內(nèi)氧化氣氛對發(fā)熱體和保溫材料的氧化污染，又有效克服了熔體組分因為還原氣氛而揮發(fā)的問題。
本發(fā)明的原料配方為
其中x＝0～0.05，即MgCO3在反應(yīng)式中的量過量0～5％。
本發(fā)明的MgAl2O4晶體生長工藝流程如下<1>在溫梯爐坩堝1的的籽晶槽15內(nèi)放入定向籽晶。
<2>按(1+x)∶1其中x＝0～0.05配比的高純MgCO3和Al2O3粉料在混料機(jī)中機(jī)械混合。
<3>用壓料機(jī)壓塊成形，直接裝入坩堝中，加上坩堝蓋，將坩堝密封，置于溫梯爐中。
<4>邊抽真空邊升溫至600℃，充入高純氬(Ar)。
<5>持續(xù)升溫至熔體溫度約2130℃左右，恒溫1～3小時，以5-10℃/小時速率降溫，合適的降溫速率一方面有利于晶體結(jié)晶完整，另一方面可防止完整晶體炸裂。晶體生長完畢，緩慢降溫至室溫后，打開爐罩，取出晶體。
實施例1用上述的垂直溫梯法、溫梯爐和工藝流程進(jìn)行MgAl2O4晶體生長鉬(Mo)制坩堝1尺寸為Ф76×80mm，坩堝底14錐度為100°，坩堝壁12的錐度13為1∶40。石墨發(fā)熱體2為圓桶形，保溫屏內(nèi)層襯有鎢片的鉬筒。[111]定向籽晶。1.05∶1(即x＝0.05)非化學(xué)配比稱量的MgCO3和Al2O3粉料在混料機(jī)中混合24小時后，用2t/cm2的等靜壓力鍛壓成塊，直接裝入坩堝1中，加上坩堝蓋11密封，置于溫梯爐中，邊抽真空邊升溫至600℃，充入高純氬氣保護(hù)氣氛至1個大氣壓，繼續(xù)升溫至熔體溫度～2130℃，恒溫1小時，以6.6℃/hr速率降溫48小時。結(jié)晶完成后以1℃/min速率降至室溫，生長全過程結(jié)束。取出MgAl2O4晶體，晶體結(jié)晶完整性和透明度均明顯高于其他方法。晶體內(nèi)在質(zhì)量達(dá)到低位錯密度，無包裹物和氣泡。
權(quán)利要求
1.一種鋁酸鎂尖晶石晶體的生長方法，其特征是在溫梯爐中采用垂直溫梯法生長MgAl2O4晶體，工藝流程如下<1>在溫梯爐坩堝(1)的籽晶槽(15)內(nèi)放入定向籽晶；<2>按(1+x)∶1配比將高純MgCO3和Al2O3粉料在混料機(jī)中機(jī)械混合；<3>用壓料機(jī)壓塊成形，直接裝入坩堝(1)中，加上坩堝蓋(11)將坩堝密封，置于溫梯爐中；<4>邊抽真空邊升溫至600℃，充入高純氬氣；<5>持續(xù)升溫至熔體溫度2130℃左右，恒溫1～3小時，以5-10℃/小時速率降溫，直至晶體生長完畢，緩慢降溫至室溫后，打開爐罩，取出晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁酸鎂尖晶石晶體的生長方法，其特征在于所述的x＝0～0.05。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁酸鎂尖晶石晶體的生長方法，其特征在于所述的溫梯爐為鐘罩式真空電阻爐，該爐體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)包括坩堝，發(fā)熱體，坩堝(1)是置于爐體內(nèi)中心位置上，坩堝(1)的周圍是園筒石墨發(fā)熱體(2)，發(fā)熱體(2)的外圍有側(cè)保溫屏(9)，發(fā)熱體(2)的頂部有與側(cè)保溫屏(9)密合的上保溫屏(8)，坩堝(1)的底下有堝托(3)，與發(fā)熱體(2)相連的電極板(6)有支撐環(huán)(7)支撐，在支撐環(huán)(7)內(nèi)有下保溫屏(10)，穿過下保溫屏(10)和電極板(6)的中心伸到堝托(3)內(nèi)有冷卻水支桿(5)，還有供測量溫度的熱電偶(4)伸到坩堝(1)底部，爐體之外另附真空系統(tǒng)，60KW索科曼A2S1047型UPS穩(wěn)壓電源和818P4歐路精密控溫系統(tǒng)，監(jiān)控和測溫用鎢錸(W/Re3-W/Re25)熱電偶(4)，坩堝為鉬(Mo)材料加工制成。
全文摘要
一種鋁酸鎂尖晶石晶體的生長方法，其特征是在溫梯爐中采用垂直溫梯法生長MgAl
文檔編號C30B29/22GK1477241SQ0314152
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者周圣明, 徐軍, 司繼良, 彭觀良, 蔣成勇, 周國清, 楊衛(wèi)橋, 趙廣軍, 杭寅 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所