专利名称：：氧化锌晶体及其制备方法
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(Zn0)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Zn0的P型掺杂、Zn0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041203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—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l所示，主要显露的晶面有+c面((0001)面)、-c面((000i)面)、m面({幽面族)、p面({10〖1}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3(:203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SC203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)体单曰曰曰o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0.0013%。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lmm/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。本发明与在先技术相比，所生长的氧化锌体单晶具有生长速度快(特别是m面方向)、生长效率高、晶体质量好等特点，而且重复性好，成本低，适用于批量生产。(四)图1为现有采用水热法或助熔剂法生长时所得氧化锌晶体形状示意图。图2本发明的掺钪氧化锌(Sc:ZnO)晶体形状示意图。图3是本发明用水热法生长掺钪氧化锌(Sc:ZnO)晶体的一种实施方式所用的生长装置剖面示意图。附图标识1、氧化锌晶体的+c面((OOOl)面)；2、氧化锌晶体的-c面((OOOl)面)；3、氧化锌晶体的m面({10化}面族)；4、氧化锌晶体的p面({10!1}面族)；5、高压釜釜体；6、黄金衬套管；7、挡板；8、培养料；9、溶解区；10、生长区；11、籽晶架12、籽晶片。(五)具体实施例方式下面以水热法为例说明本发明的具体实施方式。本实施方式采用了图3所示的生长装置，该装置使用高压釜和与之配套的温差井式电阻炉组成，高压釜釜体5内设有黄金衬套管6，在此实施方式中黄金衬套管6内腔尺寸①38mmX750mm，管壁厚度0.8mm。本采用水热法合成Sc:ZnO晶体，黄金衬套管6内腔有矿化剂和H20的混合溶液，4由ZnO粉未烧结成的陶瓷体原料和含Sc203组成的培养料8位于黄金衬套管6内腔的底部(也就是溶解区内)，培养料8上部有带孔的挡板7，挡板7将黄金衬套管6分隔为溶解区9和生长区IO两个部分。黄金衬套管6内还设有梯形籽晶架ll，籽晶架11位于黄金衬套管6上部、挡板7的上面(也就是生长区内)。切好的籽晶片12固定在籽晶架11上。籽晶片12需按一定的方向切割，一般Zn0籽晶片12的切割方向为(0001)方向。本发明生长Sc:ZnO晶体的步骤如下将400克粒径为2-8mm的ZnO粉体烧结块、1克Sc203粉未或粉未烧结块放入黄金衬套管6底部的溶解区9内。再分别按下表的不同方案配制矿化剂和水的混合溶液，按70%、78%、85%的填充度加入矿化剂7和水的混合溶液。表1不同方案的矿化剂溶液和填充度<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>使用黄金丝做成的梯形籽晶架11，按(0001)方向切好的30X30Xlmm的Zn0籽晶片12两端抛光，在边缘打小孔，用黄金丝连接小孔，并固定在籽晶架11上。将籽晶架11缓缓放入黄金衬套管6内，并密封好再一起放入高压釜釜体5内，并缓缓放入电阻炉中。电阻炉升温，调整温度和压力。溶解区9温度为280-40(TC，生长区10温度为260-390。C，温差10-20。C;工作压力1100atm;升温速度l(TC/h内，高压釜内外温度达到平衡，在此温度下恒温生长30天。降温、停炉，打开保温罩，高压釜提出炉膛，取出晶体块，晶体晶莹透明，无棉无裂，完整性好。晶体外形如图2所示呈六棱柱状。对晶体新生长层采用ICP检测，其中的氧化钪的重量占晶体总重量的0.001%。将所得晶体按(0001)切片抛光，可用作Zn0或InN-GaN衬底材料。权利要求氧化锌晶体，其特征在于所述氧化锌晶体是掺钪的氧化锌晶体。2.根据权利要求1所述的氧化锌晶体，其特征在于0.0001%以上。3.根据权利要求2所述的氧化锌晶体，其特征在于氧化锌晶体中的氧化钪的重量占晶体总重量的O.0013%。4.根据权利要求l所述的氧化锌晶体，其特征在于所述氧化锌晶体为氧化锌体单晶。5.氧化锌晶体的制备方法，其特征为该方法是在制备ZnO晶体过程掺入钪。6.根据权利要求5所述的氧化锌晶体的制备方法，其特征为氧化锌晶体为氧化锌体单曰曰曰o7.根据权利要求5所述的氧化锌晶体的制备方法，其特征为所述氧化锌晶体的合成方法是水热法、助熔剂法、CVD法、高压熔体法中的一种。8.根据权利要求5所述的氧化锌晶体的制备方法，其特征为是使用含Sc203试剂在生长ZnO晶体时掺钪。全文摘要本发明涉及一种掺钪的氧化锌(Sc:ZnO)晶体，本发明还涉及掺钪的氧化锌(Sc:ZnO)晶体的制备方法。本发明是在制备ZnO晶体时掺入少量的钪元素(Sc)，从而有效地提高m面的生长速度，为快速生长大尺寸ZnO晶体提供可能；并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，掺入钪元素后，晶体发育成六棱柱，保持了+c区域上可利用的+c切片面积不发生改变；掺入钪元素后，ZnO晶体生长过程中易出现孪晶较发育等现象得到改善。本发明与在先技术相比，所生长的氧化锌体单晶具有生长速度快(特别是m面方向)、生长效率高、晶体质量好等特点，而且重复性好，成本低，适用于批量生产。文档编号C01G9/00GK101723435SQ20081007386公开日2010年6月9日申请日期2008年10月24日优先权日2008年10月24日发明者何小玲,卢福华,吕智,周卫宁,左艳彬,张昌龙,张海霞,李东平,覃世杰,霍汉德申请人:桂林矿产地质研究院