CN1299329C - ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3导电衬底的制备方法 - Google Patents
ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3导电衬底的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3导电衬底的制备方法，其特点是通过水热法合成使高温高压下的ZnO和Al2O3或Cr2O3混合物的水溶液达到一定的过饱和度，在ZnO衬底晶片籽晶上生长ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3导电衬底晶片。本发明所生长的掺质ZnO导电衬底材料与GaN晶格失配小，其导电性能使衬底晶片的背面容易进行电极接触，从而大大简化了器件的制作。而且重复性好，成本低，适用于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及导电衬底材料，特别是一种主要用作于InN-GaN蓝光半导体材料生长的ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3导电衬底的制备方法，。
背景技术
III族氮化物半导体材料InN-GaN具有优异的特性，如稳定的物理和化学性质、高热导和高电子饱和速度、直接带隙材料的光跃迁几率比间接带隙的高一个数量级，因此，宽带隙InN-GaN基半导体在短波长发光二极管、激光器和紫外探测器以及高温电子器件方面显示出广阔的应用前景。由于InN-GaN熔点比较高，N2饱和蒸汽压较大，InN-GaN体单晶制备十分困难，因此InN-GaN一般是在异质衬底上用外延技术生长的。
白宝石晶体(α-Al2O3)易于制备，价格便宜，且具有良好的高温稳定性等特点，α-Al2O3是目前最常用的InN-GaN外延衬底材料(参见Jpn.J.Appl.Phys.，第36卷，1997年，第1568页)。
碳化硅(SiC)相对白宝石而言，与GaN晶格失配比较小(2.2％)，有更高的热导率(3.8W/cm.K)，而且有导电性，能大大简化器件的制作，使半导体器件更加小型化，也是目前常用的InN-GaN外延衬底材料(参见Solid-State Electron，第44卷，2000年，第1229页)。
近年来利用ZnO作为缓冲层生长GaN薄膜得到了广泛的研究。因为ZnO和GaN晶格失配比较小(＜2.0％)，并且有相同的堆垛次序，另外ZnO易于解理，所以ZnO被认为是极有前途的InN-GaN衬底材料。
在先的衬底材料有明显的缺点：
(1)用α-Al2O3作衬底，α-Al2O3与GaN之间晶格失配高达14％，使制备的GaN薄膜有较高位错密度和大量的点缺陷；
(2)SiC与GaN的不浸润使得GaN薄膜的沉积需要借助缓冲层AlN或AlxGa1-xN，但这些缓冲层使器件和衬底之间的电阻率升高；
(3)SiC与GaN的晶格失配仍然太大，使得GaN薄膜的缺陷密度较大；
(4)SiC硬度高，衬底表面处理困难，而衬底表面的缺陷回带来GaN外延层的缺陷增多(参见Apply.Phys.87，2000年，第2725页)；(5)SiC衬底成本高，目前SiC单晶还只有少数制造商能够生长。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于InN-GaN蓝光半导体材料生长的ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3导电衬底的制备方法，该方法制备的导电衬底与GaN晶格失配小，其导电性能使衬底晶片的背面容易进行电极接触，从而大大简化了器件的制作。而且重复性好，成本低。利用水热法合成掺质的ZnO导电衬底材料。
本发明技术方案如下：
一种ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3导电衬底的制备方法，其特征是通过水热法制备，包括下列步骤：
1、先把一定数量和粒径的ZnO粉体烧结块、Al2O3或Cr2O3粉体烧结块放入高压釜黄金衬套底部的溶解区内；
2、按70％-85％的填充度加入碱金属的矿化剂和水的混合溶液；
3、使用黄金丝做成的梯形籽晶架，将按一定方向切好的籽晶片用黄金丝连接起来并固定在籽晶架上；
4、将籽晶架放入黄金衬套内并密封好，再一起放入高压釜中，再把高压釜彻底密封并放入电阻炉中，再加盖钢盖密封；
5、电阻炉升温，调整温度和压力，使溶解区温度为400℃，生长区温度为380-390℃；工作压力1100atm，升温速度10℃/小时内，高压釜内外温度达到平衡时恒温生长，生长周期根据所放置培养料的量和掺质ZnO晶体，即ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3的生长速率而定；
6、停炉，打开保温罩，将高压釜提出炉膛，取出籽晶架，取出晶体，用温水将表面的溶液洗净。
本发明与在先技术相比，所生长的掺质ZnO导电衬底材料与GaN晶格失配小，其导电性能使衬底晶片的背面容易进行电极接触，从而大大简化了器件的制作。而且重复性好，成本低，适用于批量生产。
附图说明：
图1是本发明制备复合激光晶体材料所用的生长装置剖面示意图。
具体实施方式：
本发明用上述水热法生长方法制备掺质ZnO导电衬底材料，所选用的水热法生长炉如图1所示的装置，它由一台外带保温罩的高温高压釜4和与之配套的温差井式电阻炉10组成。其结构主要包括：生长区1，溶解区2，钢帽3，钢釜4。为了延长高压釜4的寿命，防止酸性或碱性溶液在高温高压下对釜内腔壁的腐蚀，使用黄金衬套5作为防护衬套并与高压釜内壁分开。使用黄金丝做成的梯形籽晶架6，将按一定方向切好的籽晶片用黄金丝连接起来并固定在籽晶架6上，每次一个梯形架可以挂数十片(视籽晶大小而定)。黄金衬套5内腔有矿化剂7和H2O的混合溶液，ZnO和Al2O3(或Cr2O3)培养料8位于溶解区2内，培养料8上部有带孔的挡板9。
表1列出了本发明的具体实施例，这些实施例的制备过程如下：
1、将1000克粒径为4-8mm的ZnO粉体烧结块、100克Al2O3(或Cr2O3)粉体烧结块放入黄金衬套5底部的溶解区2内；
2、分别按表1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；
3、用黄金丝做成的梯形籽晶架6，按(0001)方向切好的Φ30×30×2mm的ZnO籽晶片两端光学级抛光，在边缘打小孔，用黄金丝连
表1不同方案的矿化剂溶液和填充度
| 实施例 | 矿化剂浓度 | 填充度 |
| 1 | NaOH(5.5-6.5mol/l)+H2O | 70％ |
| 2 | NaOH(5.5-6.5mol/l)+H2O | 78％ |
| 3 | NaOH(5.5-6.5mol/l)+H2O | 85％ |
| 4 | KOH(5.5-6.5mol/l)+H2O | 70％ |
| 5 | KOH(5.5-6.5mol/l)+H2O | 78％ |
| 6 | KOH(5.5-6.5mol/l)+H2O | 85％ |
接小孔，并固定在籽晶架6上。
4、将籽晶架6放入黄金衬套5内，并密封好再一起放入高压釜4内，并放入电阻炉10中，加盖钢盖3；
5、电阻炉10升温，调整温度和压力。使溶解区温度为400℃，生长区温度为380-390℃，温差15℃；工作压力1100atm，升温速度10℃/小时内，高压釜内外温度达到平衡，在此温度下恒温生长15天；
6、降温、停炉，打开保温罩，将高压釜4提出炉膛，取出晶体块，晶体晶莹透明，无棉无裂，完整性好。
将所得晶体按(0001)切片抛光，用作InN-GaN衬底，其导电性能使衬底晶片的背面容易进行电极接触，从而大大简化了器件的制作，是很理想的在蓝光InN-GaN薄膜衬底材料。
Claims (1)
1、一种ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3导电衬底的制备方法，其特征是通过水热法进行制备，包括下列步骤：
<1>首先把一定数量和粒径的ZnO粉体烧结块、Al2O3、或Cr2O3粉体烧结块放入黄金衬套(5)底部的溶解区(2)内；
<2>按70％-85％的填充度加入碱金属的矿化剂(7)和水混合溶液；
<3>使用黄金丝做成的梯形籽晶架(6)，按一定方向切好的籽晶片用黄金丝连接起来并固定在籽晶架(6)上；
<4>将籽晶架(6)放入黄金衬套内并密封好，再一起放入高压釜中，再把高压釜彻底密封并入电阻炉(10)中；
<5>电阻炉(10)升温，调整温度和压力，使溶解区温度为400℃，生长区温度为380-390℃；工作压力1100atm，升温速度10℃/小时内，高压釜内外温度达到平衡时恒温生长，生长周期根据所放置培养料(8)的量和掺质ZnO晶体，即ZnO:Al2O3或ZnO:Cr2O3的生长速率而定；
<6>停炉，打开保温罩，将高压釜提出炉膛，取出籽晶架(6)取出晶体，用温水将表面的溶液洗净。
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