[发明专利]一种生长GZO(ZnO:Ga)晶体的方法有效
申请号: | 201410532380.3 | 申请日: | 2014-10-10 |
公开(公告)号: | CN104313690A | 公开(公告)日: | 2015-01-28 |
发明(设计)人: | 蒋毅坚;马云峰;王越;梅晓平;张春萍;王强;徐仰立 | 申请(专利权)人: | 北京工业大学 |
主分类号: | C30B29/22 | 分类号: | C30B29/22;C30B9/12 |
代理公司: | 北京思海天达知识产权代理有限公司 11203 | 代理人: | 张慧 |
地址: | 100124 *** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 生长 gzo zno ga 晶体 方法 | ||
技术领域
本发明涉及一种生长GZO(ZnO:Ga)晶体的方法,具体涉及用移动熔剂浮区法生长不同掺Ga浓度的厘米级GZO晶体,属于晶体生长技术领域。
背景技术
GZO晶体是一种集透明导电、超快衰减闪烁、紫外激光发射等各项优异性能于一体的多功能、直接带隙、宽禁带半导体材料。
目前氧化锌单晶的生长方法主要有水热法、助熔剂法、气相法等。具体到GZO晶体材料,目前只有水热法生长报道,且局限有二:一,掺镓量太少,不大于0.1wt%;二,尺寸较小,最大尺寸至30.44mm×24.84mm×5.40mm。晶体生长受边界层内溶剂扩散传质的限制而生长速度很慢,每天0.1mm,生长周期很长,实现ZnO为基的单晶商业化生产还有较大困难。
然而,与GaN,GaAs等不同,高温下ZnO不与空气发生反应,可以在空气中生长,因此选择合适的助熔剂在空气中生长GZO单晶,是一条良好途径,具有很大发展潜力。但就目前而言,虽然已经能利用多种合适的助熔剂来实现晶体生长,并且取得了一定进展。但是,还有以下几个问题必须解决。一,晶体的尺寸都较小,成分不均匀。二,生长过程中容易给晶体带入助熔剂杂质,产生应力。这对于必须控制好杂质含量和化学计量比以适应电子材料方面的应用来说,是很不利的。第三,ZnO易挥发,也是这种方法的一个挑战。总之,为了生长出大尺寸的ZnO单晶,根据相图来寻找更为合适的助熔剂以及改善单晶的生长工艺还有待于进行更深入的研究。
目前生长纯氧化锌的助熔剂有PbF2,P2O5+V2O5,V2O5+B2O3,V2O5+MoO3,涉及到GZO晶体的助熔剂法生长未见报道。我们受到文章(Journal of Crystal Growth 237–239(2002)509–513)用移动熔剂光学浮区法和顶部籽晶法生长纯氧化锌的启发,改变原有助熔剂成分及配比,优化选择摩尔百分比9.3(B2O3)+16.3(MoO3)+6.7(Nb2O5),用移动熔剂光学浮区法成功生长出不同组分的GZO晶体,该系列晶体有效掺镓浓度大,最高达1.0wt%,棕绿色透明,最大尺寸达Ф12mm×120mm,比文献报到的用该类方法生长的不掺杂氧化锌的尺寸10mm×5mm×2mm要大很多。说明选用的助熔剂体系克服了GZO在1300℃以上开始大量挥发,具有强烈的极性析晶特性的不利因素。加之光学浮区法的技术特点,比如边熔化边结晶且可实时监控,使得含有助熔剂的熔液组分稳定处于相图中的可析出纯GZO晶体区域;大的熔区温度梯度,显著加大了结晶驱动力,使得克服三价Ga在ZnO中的固溶度有一上限且不易掺入的技术难点有了热动力学基础条件。
发明内容
本发明的目的是针对ZnO:x wt%Ga2O3(指的是Ga2O3占ZnO的质量百分含量为x wt%)系列晶体生长中存在的问题及材料本身的特点,提供了一种制备出高质量厘米级ZnO:x wt%Ga2O3系列晶体的新生长方法。首先要制备出致密、均匀、单相优质料棒,其次是优化出助溶剂成分及配比,再次是摸索出移动助熔剂光学浮区法生长该系列单晶的生长功率、生长速度、料棒和籽晶转速等最佳工艺参数。
为了解决上述技术问题,本发明是通过以下方案实现的:
(1)将粉料ZnO,Ga2O3按ZnO:x wt%Ga2O3化学计量比进行配料,其中x=0‐1.0(优选不为0),球磨烘干、200目过筛;
(2)将(1)中制得的粉料装入长条橡胶气球中压实、封闭、抽真空,在等静压(如70MPa)下制成粗细、致密均匀的素坯棒;
(3)将(2)中制得的素坯棒在提拉旋转烧结炉中1250~1300℃保温24h~48h烧结得到致密均匀多晶料棒;
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