专利名称：感应加热压力生长氧化锌晶体的方法
技术领域：
本发明涉及氧化锌晶体的生长方法，具体是在感应加热压力晶体生长装置中采用中频感应加热压力温梯法生长ZnO晶体的方法。
背景技术：
近年来，基于紫外激光器的实现，ZnO已成为半导体材料领域的研究热点之一。相比SiC，GaN等其他宽带隙材料而言，ZnO具有资源丰富、价格低廉和稳定性好的特点。ZnO 单晶是一种具有半导体、发光、压电、电光、闪烁等性能的多功能晶体，即将成为下一代光电子材料，具有相当广阔的应用前景。不仅如此，为了更好地研究氧化锌的半导体性能，也必须合成高质量的氧化锌体单晶。但是，由于其熔点高达1975°C，在高温下(1400°C以上)升华现象严重，还具有强烈的极性析晶特性，所以该晶体生长极为困难。早在20世纪60年代， 人们就开始关注ZnO单晶的生长，尽管尝试了很多种生长工艺，但所得的晶体尺寸都很小， 一般在毫米量级，没有实用价值。鉴于体单晶生长存在很大的困难，人们逐渐把注意力转向于ZnO薄膜的生长研究，曾一度冷落了对体单晶生长工艺的探索。最近，随着GaN，SiC等新型光电材料产业的迅速发展，对高质量、大尺寸的ZnO单晶基片的需求也越来越大，ZnO体单晶的生长研究才重新引起科学家的重视。目前国内外主要用水热法制备大尺寸ZnO晶体，水热法制备的ZnO晶体中存在较高浓度的锂和钠，这些杂质在薄膜生长过程中会扩散到ZnO薄膜中，从而降低薄膜的结晶质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种感应加热压力生长氧化锌晶体的方法，包括一台感应加热压力晶体生长装置。该方法具有温场和晶体生长界面稳定、生长压力低(<4MPa)、生长周期短、晶体纯度高、生长装置简便和易于控制等优点，可以生长出高纯度、低缺陷的ZnO 晶体，满足外延生长高质量的ZnO薄膜对基片的质量要求。本发明的技术解决方案如下一种感应加热压力温梯法生长氧化锌晶体的方法，包括一台感应加热压力晶体生长装置，其特点在于晶体生长过程中炉膛内充有压力为1 4MPa的CO2和Ar或(N2的混合气体，其中CO2所占的体积比为2% 15%，通过中频感应铱金坩埚的方式加热；铱金坩埚为锥形，锥形部分头部放有籽晶，籽晶下端有水冷铱金垫块；坩埚锥形部分置于氧化锆保温桶中，外层填充氧化铝空心球，坩埚等径部分外围填充氧化锆粉作为保温层，氧化锆粉外层使用石英筒固定；在籽晶和熔体等处分别连有热电偶，可以随时检测各处的温度情况； 加热坩埚内氧化锌原料至熔化后，再缓慢降温，使熔体沿着籽晶慢慢结晶，直至完成晶体生长。
所述的感应加热压力生长氧化锌晶体的方法是在抽真空至真空度高于6X 10_2Pa 后，充有压力约为1 4MPa的CO2和Ar(N2)的混合气体(CO2所占的体积比为2% 15% )条件下采用感应加热压力温 梯法的方式生长晶体。通过调节感应线圈、氧化锆保温桶、氧化锆粉和氧化铝空心球等热源和保温材料使该装置的温场梯度在20-80°C /cm氛围内；晶体生长过程降温速率为1_20°C /小时，生长结束后降温速率为20-100°C /小时降温速度降至 200 °C，关闭电源随炉冷却至室温，取出晶体。本发明的技术效果与传统法相比，直接感应坩埚加热，大大提高发热效率；根据调节感应线圈的尺寸、位置以及保温材料关系可以调节出合适温度梯度，优化了用熔体法生长氧化锌晶体过程中晶体固液界面处温度梯度难于控制和调节的问题，利于实现晶体生长的自动化控制。 采用感应加热方法生长晶体，保温系统制作简单、不易变形，成本相对较低，对电源及炉子性能要求相对稍低，整体成本降低。本发明方法克服了水热法制备的ZnO晶体中存在较高杂质浓度、生长周期长、生长压力高(120MPa)等缺点，具有温场和晶体生长界面稳定、生长压力低(< 4MPa)、生长周期短、晶体纯度高、生长装置简便和易于控制等优点，可以生长出高纯度、低缺陷的ZnO晶体，满足外延生长高质量的ZnO薄膜对基片的质量要求。
图1为本发明感应加热压力生长氧化锌晶体使用的温梯炉结构示意图
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。实施例1 采用本发明所述的方法生长直径Φ30的氧化锌晶体首先，通过调节感应线圈的尺寸、位置以及保温材料关系，使该装置温场的温度梯度为20°C /cm，将氧化锌原料和籽晶(籽晶方向为0001向)装入铱金坩埚内，并按图1所示装好感应加热炉，图中1-不锈钢炉体、2-石英筒、3-感应线圈、4-锆沙、5-铱金坩埚、6 熔体、7-籽晶、8氧化铝板、9-聚四氟乙烯、10-底座螺栓、11-铱金坩埚盖、12-氧化锆保温盖、I3-厚热器、14-线圈支架、15-氧化铝空心球、16-氧化锆保温桶、17-铱金块、18-聚四氟乙烯螺栓、19-籽晶冷却水管、20-热电偶。抽真空至真空度优于6X10_2Pa，充入压力为 4MPa的CO2和Ar或(N2的混合气体(其中CO2所占的体积比为2% )后开始升温将原料熔化，通过观察热电偶的温度情况，调整合适的降温速率，以1°C /小时的降温速度降温生长晶体，晶体生长结束后以100°C /小时的降温速度降至200°C，关闭电源随炉冷却至室温，取出晶体。生长出晶体尺寸为Φ30X 50mm3氧化锌晶体。实施例2 采用本发明所述的方法生长Φ30氧化锌晶体首先，通过调节感应线圈的尺寸、位置以及保温材料关系使该装置温场的温度梯度为30°C /cm，将氧化锌原料和籽晶(籽晶方向为0001向)装入铱金坩埚内，并按图1所示装好感应加热炉，抽真空至真空度高于6 X 10_2Pa，充入压力为1.5MPa的C02*Ar(N2)的混合气体(其中CO2所占的体积比为5% )后开始升温将原料熔化，通过观察热电偶的温度情况，调整合适的降温速率，以20°C /小时的降温速度降温生长晶体，晶体生长结束后以 80°C /小时的降温速度降至200°C，关闭电源随炉冷却至室温，取出晶体。生长出晶体尺寸为Φ 30 X 50mm3氧化锌晶体。
实施例3 采用本发明所述的方法生长Φ35氧化锌晶体首先，通过调节感应线圈的尺寸、位置以及保温材料关系使该装置温场的温度梯度为80°C /cm，将氧化锌原料和籽晶(籽晶方向为0001向)装入铱金坩埚内，并按图1所示装好感应加热炉，抽真空至真空度高于6 X IO-2Pa,充入压力低于4MPa的CO2和Ar (N2)的混合气体(其中CO2所占的体积比为15% )后开始升温将原料熔化，通过观察热电偶的温度情况，调整合适的降温速率，以10°C /小时的降温速度降温生长晶体，晶体生长结束后以 20°C /小时的降温速度降至200°C，关闭电源随炉冷却至室温，取出晶体。生长出晶体尺寸为Φ 35 X 50mm3氧化锌晶体。实施例4 采用本发明所述的方法生长Φ35氧化锌晶体首先，通过调节感应线圈的尺寸、位置以及保温材料关系使该装置温场的温度梯度为40°C /cm，将氧化锌原料和籽晶(籽晶方向为0001向)装入铱金坩埚内，并按图1所示装好感应加热炉，抽真空至真空度高于6 X 10_2Pa，充入压力低于3MPa的CO2和Ar(N2)的混合气体(其中CO2所占的体积比为8% )后开始升温将原料熔化，通过观察热电偶的温度情况，调整合适的降温速率，以15°C /小时的降温速度降温生长晶体，晶体生长结束后以 80°C /小时的降温速度降至200°C，关闭电源随炉冷却至室温，取出晶体。生长出晶体尺寸为Φ 35 X 50mm3氧化锌晶体。实施例5 采用本发明所述的方法生长Φ40氧化锌晶体首先，通过调节感应线圈的尺寸、位置以及保温材料关系使该装置温场的温度梯度为50°C /cm，将氧化锌原料和籽晶(籽晶方向为0001向)装入铱金坩埚内，并按图1所示装好感应加热炉，抽真空至真空度高于6 X 10_2Pa，充入压力低于2. 5MPa的CO2和Ar(N2) 的混合气体(其中0)2所占的体积比为12% )后开始升温将原料熔化，通过观察热电偶的温度情况，调整合适的降温速率，以5°C /小时的降温速度降温生长晶体，晶体生长结束后以60°C/小时的降温速度降至200°C，关闭电源随炉冷却至室温，取出晶体。生长出晶体尺寸为Φ40 X 50mm3氧化锌晶体。实施例6 采用本发明所述的方法生长Φ40氧化锌晶体首先，通过调节感应线圈的尺寸、位置以及保温材料关系使该装置温场的温度梯度为35°C /cm，将氧化锌原料和籽晶(籽晶方向为0001向)装入铱金坩埚内，并按图1所示装好感应加热炉，抽真空至真空度高于6 X 10_2Pa，充入压力低于3. 5MPa的CO2和Ar(N2) 的混合气体(其中0)2所占的体积比为 % )后开始升温将原料熔化，通过观察热电偶的温度情况，调整合适的降温速率，以8°C /小时的降温速度降温生长晶体，晶体生长结束后以 100°C/小时的降温速度降至200°C，关闭电源随炉冷却至室温，取出晶体。生长出晶体尺寸为Φ 40 X 50mm3氧化锌晶体。实验表明，本发明可以在较低功耗，较低成本下生长出大尺寸高质量氧化锌晶体， 根据调节感应线圈的尺寸、位置以及保温材料关系可以调节合适温度梯度，优化了用熔体法生长氧化锌晶体过程中晶体固液界面处温度梯度难于控制和调节的问题，利于实现晶体生长的自动化控制。并且加热和保温系统制作简单、不易变形、温场稳定，可以长期使用。
权利要求
1. 一种感应加热生长氧化锌晶体的方法，采用感应加热压力温梯炉进行生长，其特点在于将氧化锌原料和籽晶(籽晶方向为OOOl向)装入铱金坩埚内，抽真空至真空度高于 BXlO-2Pa后，晶体生长过程中炉膛内充有压力为1 4MPa的CO2和Ar或N2的混合气体， 其中CO2所占的体积比为2% 15%，通过中频感应加热铱金坩埚(5)；铱金坩埚(5)为圆筒形锥底结构，在锥底放有籽晶(7)，籽晶下端有水冷铱金垫块(17)；铱金坩埚(5)锥底部分置于氧化锆保温桶(16)中，外层填充氧化铝空心球(15)，铱金坩埚(5)的圆筒的外围填充氧化锆粉(4)作为保温层，氧化锆粉(4)外层使用石英筒(2)固定；在籽晶和熔体(4)处分别接有热电偶(20)，可以随时检测各处的温度情况；通过调节感应线圈、氧化锆保温桶、锆沙和氧化铝空心球使该装置的温场梯度在20 800C /cm氛围内；加热坩埚内氧化锌原料至熔化后，晶体生长过程降温速率为1 20°C /小时，使熔体沿着籽晶向上慢慢结晶，直至完成晶体生长，生长结束后以速率为20 100°C /小时降温速度降至200°C，关闭电源随炉冷却至室温，取出晶体。
全文摘要
一种感应加热压力生长氧化锌晶体的方法，包括一台感应加热压力晶体生长装置，加热坩埚内氧化锌原料至熔化后，再缓慢降温，使熔体沿着籽晶慢慢结晶，直至完成晶体生长。通过调节感应线圈和保温材料，该装置温场梯度可在20-80℃/cm范围内调节。晶体生长过程以1-20℃/小时的降温速率调节温度，生长结束后降温速率为20-100℃/小时的降温速率降至200℃，关闭电源随炉冷却至室温。本发明方法具有温场和晶体生长界面稳定、生长压力低(＜4MPa)、生长周期短、晶体纯度高、生长装置简便和易于控制等优点，可以生长出高纯度、低缺陷的ZnO晶体，满足外延生长高质量的ZnO薄膜对基片的质量要求。
文档编号C30B7/10GK102352527SQ201110329960
公开日2012年2月15日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者何明珠, 何晓明, 尹继刚, 弓娟, 张沛雄, 张连翰, 李振毅, 杭寅, 赵呈春 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所