[發明專利]氧化鋅晶體及其制備方法

無效

• 申請號: 200810073861.7
• 申請日: 2008-10-24
• 公開（公告）號: CN101723435A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: 張昌龍;左艷彬;周衛寧;呂智;霍漢德;盧福華;覃世杰;張海霞;李東平;何小玲
• 申請（專利權）人: 桂林礦產地質研究院
• 主分類號: C01G9/02
• 分類號: C01G9/02
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 馬蘭

(一)技術領域：

本發明涉及一種晶體材料，具體地說是一種氧化鋅晶體，該材料是制作氧化鋅、氮化鎵等發光電子器件的重要襯底材料。本發明還涉及氧化鋅晶體的制備方法。

(二)背景技術：

近年來氧化鋅(ZnO)晶體作為一種寬帶隙半導體材料引起人們極大的關注。已有多個研究小組先后報道了基于ZnO的P型摻雜、ZnO基LED的電致發光以及ZnO基的紫外探測器。由于ZnO的激子束縛能大、室溫下泵浦閾值低、可調諧帶寬范圍寬、比較容易解理(相對于α-Al₂O₃等來說)等優良的性能，ZnO今后有望在紫外、藍光LD和LED、異質外延和同質外延PN結、高峰值能量的能量限制器、大直徑高質量的氮化鎵(GaN)的襯底等方面得到廣泛的應用。特別是ZnO基的LED、LD一旦進入商業化應用階段，則對ZnO基的同質外延基片的市場需求將是巨大的。

通常大尺寸ZnO晶體的生長方法有：水熱法、助熔劑法、CVT法、高壓熔體法等。由于ZnO高溫下易升華且具有較高的蒸氣壓，通常用于生長大尺寸晶體的傳統方法，如熔體提拉法等是無法生長出ZnO體單晶的；助熔劑法現今還只能得到尺寸較小的晶體，而且質量很差；CVT法和高壓熔體法雖然可以獲得直徑達2英寸以上的ZnO晶體，但晶體生長過程難以控制，晶體的缺陷較多，質量不如水熱法生長的晶體。

由于ZnO是一種極性晶體，采用水熱法或助熔劑法生長時晶體呈現出顯著的各向異性，如圖1所示，主要顯露的晶面有+c面((0001)面)、-c面(面)、m面(面族)、p面(面族)等。通常情況下+c面生長速度最快，其他晶面的生長速度都非常小，特別是與c軸方向平行的m面的生長速度最慢，這對生長大尺寸的ZnO晶體非常不利而且晶體易發育成六方錐狀。另外由于ZnO晶體極性生長的原因，晶體-c區域(即沿-c面生長的區域)雜質含量高、質量差，晶體僅+c區域具實用價值。這樣就使得：①不容易獲得大+c切片的晶體；②晶體+c區域上可利用的+c切片面積越來越小。

(三)發明內容：

本發明將公開一種氧化鋅晶體及其制備方法。

本發明是在制備ZnO晶體時摻入少量的鈧元素(Sc)，生長出摻鈧的氧化鋅(Sc:ZnO)晶體。

在制備被本發明所述的摻鈧氧化鋅(Sc:ZnO)晶體時，最好是采用水熱法、助熔劑法、CVD法、高壓熔體法中的一種，當然也可以采用現有的制備氧化鋅晶體的其他方法，只是與現有方法不同的是在制備過程中加入鈧元素(Sc)。

鈧元素(Sc)的加入，可以根據需要選擇不同的試劑，但較好的是使用含SC₂O₃試劑。

鈧元素(Sc)的加入時間，可以是在原料的準備階段，如采用高壓熔體法制備摻鈧氧化鋅(Sc:ZnO)晶體時，一般是在原料準備階段加入含鈧元素(Sc)的試劑，例如將含SC2O3粉末試劑加入原料中混合，然后在按高壓熔體法即可制備出摻鈧氧化鋅(Sc:ZnO)晶體。鈧元素(Sc)的加入時間，也可以在晶體制備過程中的其他階段，如采用水熱法制備出摻鈧氧化鋅(Sc:ZnO)晶體時，是在裝料時將含鈧元素(Sc)的試劑與其他原料一同放入反應釜中。

以上所述生成的摻鈧氧化鋅(Sc:ZnO)晶體主要是指摻鈧氧化鋅(Sc:ZnO)體單晶。

用ICP檢測本發明所述摻鈧氧化鋅(Sc:ZnO)晶體，其中的氧化鈧的重量一般占晶體總重量的0.0001％以上；較好的是其中的氧化鈧的重量占晶體總重量的0.001～3％。

本發明通過在晶體生長過程中摻入適量的鈧(Sc)元素，從而達到解決上述生長ZnO晶體時存在的問題，主要可以達到以下目的：

有效地提高m面的生長速度，為快速生長大尺寸ZnO晶體提供可能：一般情況下(如水熱法生長條件下)，氧化鋅晶體m面的生長速度為1mm/月左右，摻鈧后晶體m面的生長速度增加到3-4mm/月左右，并且晶體+c面的生長速度基本沒有改變。

合理改變晶體的形貌，提高晶體生長效率：通常情況下，ZnO晶體會發育成六方錐狀，這樣會使得晶體+c區域上可利用的+c切片面積越來越小。摻入鈧元素后，晶體的生長形貌發生了改變，晶體發育成六棱柱(見圖2)，保持了+c區域上可利用的+c切片面積不發生改變。

有助于提高晶體的質量：通常情況下ZnO晶體生長過程中易出現孿晶較發育等現象，使晶體的質量遭到破壞。生長過程中摻入鈧元素后，該現象得到抑制，晶體質量得到改善。