[发明专利]氧化锌晶体及其制备方法

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及一种晶体材料，具体地说是一种氧化锌晶体，该材料是制作氧化锌、氮化镓等发光电子器件的重要衬底材料。本发明还涉及氧化锌晶体的制备方法。

(二)背景技术：

近年来氧化锌(ZnO)晶体作为一种宽带隙半导体材料引起人们极大的关注。已有多个研究小组先后报道了基于ZnO的P型掺杂、ZnO基LED的电致发光以及ZnO基的紫外探测器。由于ZnO的激子束缚能大、室温下泵浦阈值低、可调谐带宽范围宽、比较容易解理(相对于α-Al₂O₃等来说)等优良的性能，ZnO今后有望在紫外、蓝光LD和LED、异质外延和同质外延PN结、高峰值能量的能量限制器、大直径高质量的氮化镓(GaN)的衬底等方面得到广泛的应用。特别是ZnO基的LED、LD一旦进入商业化应用阶段，则对ZnO基的同质外延基片的市场需求将是巨大的。

通常大尺寸ZnO晶体的生长方法有：水热法、助熔剂法、CVT法、高压熔体法等。由于ZnO高温下易升华且具有较高的蒸气压，通常用于生长大尺寸晶体的传统方法，如熔体提拉法等是无法生长出ZnO体单晶的；助熔剂法现今还只能得到尺寸较小的晶体，而且质量很差；CVT法和高压熔体法虽然可以获得直径达2英寸以上的ZnO晶体，但晶体生长过程难以控制，晶体的缺陷较多，质量不如水热法生长的晶体。

由于ZnO是一种极性晶体，采用水热法或助熔剂法生长时晶体呈现出显著的各向异性，如图1所示，主要显露的晶面有+c面((0001)面)、-c面(面)、m面(面族)、p面(面族)等。通常情况下+c面生长速度最快，其他晶面的生长速度都非常小，特别是与c轴方向平行的m面的生长速度最慢，这对生长大尺寸的ZnO晶体非常不利而且晶体易发育成六方锥状。另外由于ZnO晶体极性生长的原因，晶体-c区域(即沿-c面生长的区域)杂质含量高、质量差，晶体仅+c区域具实用价值。这样就使得：①不容易获得大+c切片的晶体；②晶体+c区域上可利用的+c切片面积越来越小。

(三)发明内容：

本发明将公开一种氧化锌晶体及其制备方法。

本发明是在制备ZnO晶体时掺入少量的钪元素(Sc)，生长出掺钪的氧化锌(Sc:ZnO)晶体。

在制备被本发明所述的掺钪氧化锌(Sc:ZnO)晶体时，最好是采用水热法、助熔剂法、CVD法、高压熔体法中的一种，当然也可以采用现有的制备氧化锌晶体的其他方法，只是与现有方法不同的是在制备过程中加入钪元素(Sc)。

钪元素(Sc)的加入，可以根据需要选择不同的试剂，但较好的是使用含SC₂O₃试剂。

钪元素(Sc)的加入时间，可以是在原料的准备阶段，如采用高压熔体法制备掺钪氧化锌(Sc:ZnO)晶体时，一般是在原料准备阶段加入含钪元素(Sc)的试剂，例如将含SC2O3粉末试剂加入原料中混合，然后在按高压熔体法即可制备出掺钪氧化锌(Sc:ZnO)晶体。钪元素(Sc)的加入时间，也可以在晶体制备过程中的其他阶段，如采用水热法制备出掺钪氧化锌(Sc:ZnO)晶体时，是在装料时将含钪元素(Sc)的试剂与其他原料一同放入反应釜中。

以上所述生成的掺钪氧化锌(Sc:ZnO)晶体主要是指掺钪氧化锌(Sc:ZnO)体单晶。

用ICP检测本发明所述掺钪氧化锌(Sc:ZnO)晶体，其中的氧化钪的重量一般占晶体总重量的0.0001％以上；较好的是其中的氧化钪的重量占晶体总重量的0.001～3％。

本发明通过在晶体生长过程中掺入适量的钪(Sc)元素，从而达到解决上述生长ZnO晶体时存在的问题，主要可以达到以下目的：

有效地提高m面的生长速度，为快速生长大尺寸ZnO晶体提供可能：一般情况下(如水热法生长条件下)，氧化锌晶体m面的生长速度为1mm/月左右，掺钪后晶体m面的生长速度增加到3-4mm/月左右，并且晶体+c面的生长速度基本没有改变。

合理改变晶体的形貌，提高晶体生长效率：通常情况下，ZnO晶体会发育成六方锥状，这样会使得晶体+c区域上可利用的+c切片面积越来越小。掺入钪元素后，晶体的生长形貌发生了改变，晶体发育成六棱柱(见图2)，保持了+c区域上可利用的+c切片面积不发生改变。

有助于提高晶体的质量：通常情况下ZnO晶体生长过程中易出现孪晶较发育等现象，使晶体的质量遭到破坏。生长过程中掺入钪元素后，该现象得到抑制，晶体质量得到改善。