[发明专利]作为GaN基LED的衬底材料的Al2O3透明陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于特种陶瓷制备工艺技术领域，涉及一种α-Al₂O₃透明陶瓷及其制备方法，具体涉及作为GaN基LED的衬底材料的α-Al₂O₃透明陶瓷及其制备方法。

背景技术

自从1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LED，GaN基LED得到了迅速的发展。GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广泛的应用前景。

通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石单晶Al₂O₃衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，在紫外从190nm至红外5μm区间透光，不吸收可见光，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。

使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。尽管如此，蓝宝石仍然是GaN最重要和应用最广的衬底材料。

蓝宝石沿C轴生长工艺成熟，成本相对较低，物化性能稳定，在C面生长GaN多晶的技术成熟稳定，因此最常用作GaN多晶生长的是C面(0001)这个不具极性的面。C轴是GaN的极性轴，沿C轴生长会导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场，发光效率会因此降低。蓝宝石R-Plane和M-Plane主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜，以提高发光效率，发展非极性面GaN外延生长，可以提高发光效率。

Al₂O₃熔点高(2045℃)，单晶的生长成本高，周期长。而Al₂O₃透明陶瓷具有与单晶相同的晶体结构和相似的物化性能，从紫外190nm至红外5μm区间透光，不吸收可见光，同时陶瓷固相烧结温度远低于其熔点，制备成本低，易制备大尺寸样品，适合规模化生产。并且陶瓷为多晶，各向同性，不存在特定的C-Plane面，有利于生长非极性/半极性面GaN外延薄膜，可以提高发光效率。

同时在Al₂O₃陶瓷制备过程，也可以通过强磁场来控制晶粒的定向生长，提高陶瓷的透明度和获得适合GaN生长的特定的晶面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种作为GaN基LED的衬底材料的Al₂O₃透明陶瓷，该衬底材料与单晶蓝宝石具有完全相同晶体结构和物化性能，同时在紫外到红外区间完全透光、不吸收可见光。

本发明还要解决的技术问题是提供上述Al₂O₃透明陶瓷的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

作为GaN基LED的衬底材料的Al₂O₃透明陶瓷的制备方法，它包括如下步骤：

(1)采用高纯Al₂O₃、MgO为原料，以Al₂O₃为基体材料，MgO为烧结助剂；所述的高纯为纯度在99.9％以上，MgO的掺入质量为Al₂O₃质量的0.05～0.5％；

(2)将步骤(1)所述的基体材料和烧结助剂搅拌混匀，混合料在蒸馏水中混磨8～24小时；

(3)将步骤(2)得到的物料在100～150℃下烘干，然后加入质量百分浓度为5～8％的粘结剂聚乙烯醇水溶液，加入量为烘干后混合物料质量的3～5％，并进行造粒；

(4)将步骤(3)得到的粉粒在180～220MPa冷等静压下压成片状试样，然后在800～1000℃下预烧5～10小时将粘结剂去除；

(5)将步骤(4)预烧后的物料放在钼丝氢气炉或真空炉中，进行烧结，烧结温度范围为1650～1800℃，烧结时间为5～20小时，获得致密透明的α-Al₂O₃陶瓷；

(6)将步骤(5)得到的α-Al₂O₃陶瓷经常规切片、研磨、抛光工序，用作GaN薄膜衬底。