專利名稱：一種生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生長(zhǎng)晶體的方法，具體涉及一種生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種具有寬帶隙的直接禁帶半導(dǎo)體材料，其室溫下單晶的禁帶寬度為
3.37eV、激子束縛能(exciton-binding energy)高達(dá)60meV,遠(yuǎn)高于GaN的激子束縛能(25mev)，非常適宜作為長(zhǎng)壽命白光LED的激發(fā)光源材料。氧化鋅基的LED —旦進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，氧化鋅基同質(zhì)外延基片的市場(chǎng)需求將十分巨大。氧化鋅和GaN都具有六方纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)非常接近，晶格失配度較小( 2. 2%)，相比于GaN體單晶，氧化鋅資源更豐富、生長(zhǎng)成本更低。因此，氧化鋅體單晶不僅是制備氧化鋅基光電器件重要的襯底 材料，而且也可以作為生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN和III-V氮化物外延材料的理想襯底，在紫外光探測(cè)器、藍(lán)紫光波段LEDs和LDs、半導(dǎo)體照明工程、信息顯示與存儲(chǔ)、導(dǎo)彈預(yù)警、光通訊等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。盡管理論上從氧化鋅熔體中進(jìn)行提拉生長(zhǎng)單晶的方法是可行的，但由于在熔點(diǎn)1975°C的高溫下氧化鋅的蒸氣壓很大，通常需要二十個(gè)大氣壓以上的高壓環(huán)境以擬制氧化鋅的分解，生長(zhǎng)過程的精確控制技術(shù)難度很大。水熱法是生長(zhǎng)氧化鋅體單晶現(xiàn)有的最為成熟的方法，但其不僅生長(zhǎng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同樣需要高壓環(huán)境，而且生長(zhǎng)速率很低，通常生長(zhǎng)周期長(zhǎng)達(dá)100天以上；化學(xué)氣相法的生長(zhǎng)裝置雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要高壓環(huán)境，以封閉石英安瓿為主要技術(shù)特征的閉管籽晶化學(xué)氣相法的生長(zhǎng)溫度在1000°C左右，但由于生長(zhǎng)過程控制困難，往往難以穩(wěn)定生長(zhǎng)大尺寸晶體，并且每次需要封閉和破壞石英安瓿，，生長(zhǎng)速率低且生產(chǎn)成本過高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種生長(zhǎng)速率較高的生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，在真空下，通入保護(hù)氣，以氧化鋅粉為粉源，將氧化鋅粉加熱使其升華為氣體，所述升華的氣體在溫度梯度作用下被輸運(yùn)到氧化鋅籽晶表面且結(jié)晶生長(zhǎng)。具體步驟包括步驟一，將裝有氧化鋅粉的坩堝置于真空室內(nèi)的加熱器中，抽真空，通入保護(hù)氣并加熱至氧化鋅粉燒結(jié)溫度；步驟二，降溫至室溫并對(duì)真空室放氣，將氧化鋅籽晶粘附在籽晶托表面上，對(duì)真空室抽真空，通入保護(hù)氣，加熱，使氧化鋅籽晶與氧化鋅粉源之間形成溫度梯度；步驟三，減小通入保護(hù)氣的流量，降壓至1-lOOPa，使氧化鋅粉升華為氣體并處于過飽和狀態(tài)開始在氧化鋅籽晶表面結(jié)晶生長(zhǎng)。步驟一中，氧化鋅粉燒結(jié)溫度為1500-1700°c，燒結(jié)壓力為0. 5-0. 8MPa ；步驟二中，氧化鋅籽晶與氧化鋅粉源之間的間隔為5-20_，通入保護(hù)氣使真空室壓力達(dá)到0. 7-0. 9MPa，氧化鋅粉源溫度達(dá)1600-1700°c，氧化鋅籽晶與氧化鋅粉源之間的溫差在20-200°C之間；所述保護(hù)氣為Ar氣或N2氣或Ar氣與O2或N2與O2的混合氣體；所述氧化鋅粉的純度為99. 99%。氧化鋅晶體的生長(zhǎng)通過生長(zhǎng)氧化鋅晶體裝置完成，所述生長(zhǎng)氧化鋅晶體裝置包括加熱器和生長(zhǎng)室，所述生長(zhǎng)室設(shè)置 在真空室內(nèi)且通過所述加熱器加熱，所述加熱器外設(shè)有
保溫層。所述加熱器為銥金發(fā)熱體，同時(shí)兼作組成生長(zhǎng)室的坩堝體。所述生長(zhǎng)室包括坩堝和坩堝蓋。所述坩堝蓋設(shè)置有籽晶托，籽晶貼附在籽晶托表面上。所述保溫層由高純氧化鋁材料構(gòu)成，包括保溫蓋、保溫墊和內(nèi)、外保溫桶及其夾層填充物。所述內(nèi)保溫桶由80%A1203和20%Si02構(gòu)成耐熱層，所述外保溫桶由66%A1203和34%Si02構(gòu)成外保溫層，夾層填充物由85%A1203和15%Si02構(gòu)成絕熱層。本發(fā)明具有如下有益效果，本發(fā)明以高純氧化鋅粉作原料使其在高溫下升華為氣相成分，升華氣體在溫度梯度作用下被輸運(yùn)到具有相對(duì)較低溫度的籽晶表面結(jié)晶生長(zhǎng)；采用升華法生長(zhǎng)氧化鋅晶體感應(yīng)加熱裝置，加熱速度快、生長(zhǎng)室容易達(dá)到高真空，可通過改變工藝條件實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋅晶體尺寸、生長(zhǎng)速度的控制，可獲得高質(zhì)量大尺寸氧化鋅晶體；克服了現(xiàn)有技術(shù)生長(zhǎng)速率低的不足，且工藝設(shè)備要求簡(jiǎn)單，成本較低。


圖I是具體制備方法的氣體流量和坩堝溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖；圖2是感應(yīng)線圈外置式氧化鋅晶體升華生長(zhǎng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是感應(yīng)線圈內(nèi)置式氧化鋅晶體升華生長(zhǎng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I.保溫蓋，2.坩堝蓋，3.籽晶托，4.生長(zhǎng)腔，5.感應(yīng)線圈，6.線圈支架，7.氧化鋅粉，8.外保溫桶，9.夾層填充物，10.內(nèi)保溫桶，11.保溫墊，12.密封圈A，13.下密封法蘭盤，14.密封圈B，15，坩堝，16.下測(cè)溫孔，17.支柱，18.上測(cè)溫孔，19.紅外光學(xué)高溫計(jì)A，20.抽氣口，21.冷卻水進(jìn)入口，22.進(jìn)氣口，23.紅外光學(xué)高溫計(jì)B，24.冷卻水輸出口，25.真空室，26.密封管D，27.上密封法蘭盤，28.密封圈E。
具體實(shí)施例方式下而結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例中參數(shù)選擇范圍如下燒結(jié)溫度1500-1700°C ;生長(zhǎng)溫度1600-1700°C ;粉表面與籽晶表面間距5-20mm、溫度差50-200°C ;生長(zhǎng)壓力l_100Pa。實(shí)施例1，一種生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，通過生長(zhǎng)氧化鋅晶體裝置采用本發(fā)明所述的方法生長(zhǎng)一英寸氧化鋅晶體。參見圖2，生長(zhǎng)氧化鋅晶體裝置包括加熱器和生長(zhǎng)室，生長(zhǎng)室設(shè)置在真空室25內(nèi)且通過加熱器15加熱，加熱器15外設(shè)有保溫層，真空室25由雙層水冷石英爐管與上端密封圈D26、密封圈E28和下端密封圈A12、密封圈B14及下密封法蘭盤13、上密封法蘭盤27構(gòu)成，感應(yīng)線圈5外置并由線圈支架6固定，銥金坩堝兼做加熱器15，氧化鋁坩堝蓋2、氧化鋁外保溫桶8、氧化鋁內(nèi)保溫桶10、夾層填充物9、氧化鋁保溫墊11及保溫蓋I構(gòu)成保溫層，坩堝蓋2上設(shè)有籽晶托3，生長(zhǎng)室內(nèi)為生長(zhǎng)腔4，生長(zhǎng)腔4內(nèi)為氧化鋅粉7，真空室25設(shè)有抽氣口 20、進(jìn)氣口 22以及冷卻水進(jìn)入口 21和冷卻水輸出口 24，生長(zhǎng)室設(shè)置在支柱17上，紅外光學(xué)高溫計(jì)A19和紅外光學(xué)高溫計(jì)B23分別通過下測(cè)溫孔16和上測(cè)溫孔18監(jiān)測(cè)溫度。內(nèi)保溫桶10由80%A1203和20%Si02構(gòu)成耐熱層，外保溫桶8由66%A1203和34%Si02構(gòu)成外保溫層，夾層填充物9由85%A1203和15%Si02構(gòu)成絕熱層。生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法如下步驟一，將純度為99. 99%的高純氧化鋅粉7裝入加熱器15銥金坩堝內(nèi)，氧化鋅粉7表面與氧化鋁籽晶3間距10mm，先不放置籽晶3。按圖2所示裝好外置感應(yīng)加熱爐；然后，調(diào)整坩堝組件和保溫層與感應(yīng)線圈5的相對(duì)位置使該裝置溫場(chǎng)的籽晶和氧化鋅粉7表面的溫差保持在10°C /cm左右，設(shè)定燒結(jié)溫度1650°C。將系統(tǒng)抽真空至真空度優(yōu)于5xlO_3Pa，充入Ar氣至燒結(jié)壓力為0. 7MPa并按圖I溫度曲線所示以約15°C /分鐘的升溫速率開始加熱，通過紅外光學(xué)高溫計(jì)A19和紅外光學(xué)高溫計(jì)B25監(jiān)測(cè)下測(cè)溫孔16、上18測(cè)溫孔溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，維持此溫度約5 10小時(shí)即燒結(jié)時(shí)間。步驟二，燒結(jié)結(jié)束，按圖I中降溫曲線所示以約10°C /分鐘的降溫速率降溫至200°C后關(guān)閉加熱電源隨爐自然冷卻至室溫，對(duì)真空室25放氣后取出坩堝蓋2。采用一英寸0. 5mm厚(0001)方向Zn面拋光氧化鋅基片作籽晶，將其粘貼在坩堝蓋2的籽晶托3上，按圖2所示裝好加熱爐，設(shè)定生長(zhǎng)溫度1700°C，并對(duì)系統(tǒng)抽真空至真空度優(yōu)于5xlO_3Pa，充入Ar氣直至真空室壓力達(dá)到0. 9MPa并同時(shí)開始加熱至設(shè)定生長(zhǎng)溫度后維持30分鐘。步驟三，降低氣體流量使生長(zhǎng)壓力將至約IOPa進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間約10小時(shí)。生長(zhǎng)結(jié)束，以約10°c/分鐘的降溫速率降溫至室溫后取出晶體。所得氧化鋅晶體為長(zhǎng)度約為3mm與籽晶基本等徑的結(jié)晶體，因鋁摻雜而呈現(xiàn)n型導(dǎo)電類型。實(shí)施例2-4，一種生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，參見實(shí)施例1，與實(shí)施例I不同的工藝參數(shù)參見下表I。表I實(shí)施例2-4部分工藝參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于在真空下，通入保護(hù)氣，以氧化鋅粉為粉源，將氧化鋅粉加熱使其升華為氣體，所述升華的氣體在溫度梯度作用下被輸運(yùn)到氧化鋅籽晶表面且結(jié)晶生長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求I所述的生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于具體步驟為 步驟一，將裝有氧化鋅粉的坩堝置于真空室內(nèi)的加熱器中，抽真空，通入保護(hù)氣并加熱至氧化鋅粉燒結(jié)溫度； 步驟二，降溫至室溫并對(duì)真空室放氣，將氧化鋅籽晶粘附在籽晶托表面上，對(duì)真空室抽真空，通入保護(hù)氣，加熱，使氧化鋅籽晶與氧化鋅粉源之間形成溫度梯度； 步驟三，減小通入保護(hù)氣的流量，降壓至1-lOOPa，使氧化鋅粉升華為氣體并處于過飽和狀態(tài)開始在氧化鋅籽晶表面結(jié)晶生長(zhǎng)。
3.如權(quán)利要求2所述的生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于 步驟一中，氧化鋅粉燒結(jié)溫度為1500-1700°C，燒結(jié)壓力為0. 5-0. 8MPa ； 步驟二中，氧化鋅籽晶與氧化鋅粉源之間的間隔為5-20_，通入保護(hù)氣使真空室壓力達(dá)到0. 7-0. 9MPa，氧化鋅粉源溫度達(dá)1600-1700°C，氧化鋅籽晶與氧化鋅粉源之間的溫差在20-200°C之間。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于所述保護(hù)氣為Ar氣或N2氣或Ar氣與O2或N2與O2的混合氣體；所述氧化鋅粉的純度為99. 99%。
5.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于通過生長(zhǎng)氧化鋅晶體裝置完成，所述生長(zhǎng)氧化鋅晶體裝置包括加熱器和生長(zhǎng)室，所述生長(zhǎng)室設(shè)置在真空室(25 )內(nèi)且通過所述加熱器加熱，所述加熱器外設(shè)有保溫層。
6.如權(quán)利要求5所述生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于所述加熱器為銥金發(fā)熱體，同時(shí)兼作組成生長(zhǎng)室的坩堝體。
7.如權(quán)利要求6所述生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于所述生長(zhǎng)室包括坩堝(15)和;fc甘禍蓋(2)。
8.如權(quán)利要求7所述生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于所述坩堝蓋(2)設(shè)置有籽晶托，籽晶(3)貼附在所述籽晶托表面上。
9.如權(quán)利要求5所述生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于所述保溫層由氧化鋁材料構(gòu)成，包括保溫蓋(I)、保溫墊(11)和內(nèi)、外保溫桶(8，10)及其夾層填充物(9)。
10.如權(quán)利要求9所述生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，其特征在于所述內(nèi)保溫桶(10)由80%Al2O3和20% SiO2構(gòu)成耐熱層，所述外保溫桶(8)由66% Al2O3和34% SiO2構(gòu)成外保溫層，夾層填充物(9)由85% Al2O3和15% SiO2構(gòu)成絕熱層。
全文摘要
一種生長(zhǎng)氧化鋅晶體的方法，在真空下，通入保護(hù)氣，以氧化鋅粉為粉源，將氧化鋅粉加熱使其升華為氣體，所述升華的氣體在溫度梯度作用下被輸運(yùn)到氧化鋅籽晶表面且結(jié)晶生長(zhǎng)。采用升華法生長(zhǎng)氧化鋅晶體裝置，加熱速度快、生長(zhǎng)室容易達(dá)到高真空，可通過改變工藝條件實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋅晶體尺寸、生長(zhǎng)速度的控制，可獲得高質(zhì)量大尺寸氧化鋅晶體；克服了現(xiàn)有技術(shù)生長(zhǎng)速率低的不足，且工藝設(shè)備要求簡(jiǎn)單，成本較低。
文檔編號(hào)C30B23/00GK102703973SQ20121018271
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者劉富麗, 劉洋, 吳盼儒, 馬劍平 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)