[發明專利]藍寶石晶體的生長方法及藍寶石晶體生長用的長晶爐結構

無效

• 申請號: 201110133672.6
• 申請日: 2011-05-23
• 公開（公告）號: CN102212871A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發明（設計）人: 謝旭明;張新忠;曹俊輝
• 申請（專利權）人: 無錫斯達新能源科技有限公司
• 主分類號: C30B15/00
• 分類號: C30B15/00;C30B29/20
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 曹祖良

技術領域

本發明涉及一種藍寶石晶體的生長方法及藍寶石晶體生長有的長晶爐結構，具體地說是單晶藍寶石（氧化鋁單晶）的生長方法及生長用的長晶爐結構，屬于藍寶石晶體的技術領域。

背景技術

目前，單晶藍寶石基板在現代科技產品的運用十分重要，以光電產業的發光二極管（LED）為例，氮化鎵（GaN）的材料研究已超過二十年，但一直因為沒有晶格常數配合的基板（Substrate），所以晶體長不好，并且p型氮化鎵不易制成，所以進展緩慢，這些問題一直到1?983年，日本的田貞史博士（S.Yoshida）等人用氮化鋁（AlN）)在藍寶石（Sapphire）基板上先用高溫成長做緩沖層，再在其上生長氮化鎵時，結晶較好，之后名古屋大學的赤崎勇教授（I.Akasaki）等人發現以有機金屬氣相沉積法（MOCVD或OMVPE）均勻的在低溫（約600?℃）長一層薄的氮化鋁，再在其上以高溫（約1000?℃左右）成長氮化鎵可以得到像鏡面的材料。1991年日亞公司（Nichia?Co.）研究員中村修二（S.Nakamura）改用非晶體氮化鎵以低溫先成長為緩沖層（Buffer?Layer），再以高溫成長氮化鎵時，也得到鏡面般平坦的膜。另一個如何做p-GaN的問題也獲得突破，1989年赤崎勇教授等人首先將鎂（Mg）摻雜在氮化鎵里使其成長，長成后進行電子束照射得到p型氮化鎵，后來日亞公司的中村修二發現電子束，不過是使氮化鎵的溫度升高，使Ma-H中的氫分離而鎂受子被活性化產生低阻抗的氮化鎵，他發現如果以700?℃左右的熱退火也可將一氫趕走，使鎂活性化而完成p型的工作。利用以上二個發現，日亞公司1993年宣布成功開發光度一燭光（Cd）的GaN藍光發光二極管（LED），壽命長達數萬小時。此消息發表后，立刻引起全世界的注意，目前全球各地已有很多團體在研究此類材料的制造、性質及應用。以中國臺灣專利為例，發明第1245440號名稱為發光二極管專利（參照2005年12月11日專利公告），其包含有：一基板；一成核層，設置于該基板上，且是由AlxGal-xN所形成，以解決晶格不匹配的現象，其中0≤x≤1；一緩沖層，設置于該成核層上；一n型接觸層，設置于該緩沖層上，且電性連接于一n型電極，該n型接觸層是由n-AlxGal-xN所形成，其中0≤x≤0.3；一n型被覆層，設置于該n型接觸層上，且是由n-AlxGal-xN所形成，其中0≤x≤0.3；一發光層，設置于該n型披覆層上；一p型阻障層，形成于該發光層上，防止載子溢流，該p型阻障層是由p-AlxGal-xN所形成，其中0≤x≤0.4；一p型被覆層，形成于該p型阻障層之上，以局限載子，該p型被覆層是由p-AlxGal-xN所形成，其中0≤x≤0.3；及一p型接觸層，是位于該p型被覆層之上，且電性連接于一p型電極，該p型接觸層由p-AlxGal-xN所形成，其中0≤x≤0.15；其中，當于該n型電極與該p型電極施加一適當的順向偏壓時，即可激發該發光層產生波長為300-380奈米的光線輸出．而其中該基板是選自由藍寶石基板、硅基板、碳化硅基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、氮化鋁鎵基板及氧化鋅基板所成組合之一。而由于藍寶石基板（氧化鋁單晶）的晶格與氮化鎵非常接近，是非常適合的基板材料，故藍寶石基板之長成技術也就格外的重要了。

另外，生產藍寶石基板主要的關鍵技術在于2050℃高溫中將氧化鋁粉末熔化及生長晶體，而通常藍寶石長晶方法大體包括有以下幾種：

火焰融熔法（Flame?Fusion）：火焰融熔法是利用氫氣、氧氣燃燒高溫的火炬，將從上而下掉落的氧化鋁粉融化，液融滴在下盤承接的品種上而固化，有如鐘乳石洞內的石筍成長般的變大。此種氧化鋁單晶最大可達直徑3厘米，但其內部可能含有氣泡，及未融化的氧化鋁粉及殘留應力等瑕疵，故只適用于手表表面的藍寶石玻璃、藍寶石齒輪(Gear)及裝飾品等用途。世界生產此種藍寶石的工廠發跡于歐洲，例如法國的Bircon聞名于世。

助熔法（Flux?Growth）：助熔法則是利用助熔劑，如氧化鉛、氟化鋁及氟化鈉等，將氧化鋁在低于2050?0C溶解，再經由液體慢慢冷卻，過飽和析出。此種方法是傳統實驗室培育新材料的方法，不適用于工業界的量產。目前是以此生產寶石等裝飾品的公司，如美國JO?Crystal及Chatham。