CN102942201A - 生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法 - Google Patents

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杨秋红
陆神洲
张浩佳
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Abstract

本发明公开了一种生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法，包括如下步骤：采用醇铝法生产的商业高纯5N(99.999%)a-Al2O3粉料为起始原料，装填在自制的不同直径大小的桶状的橡胶模具内，经密封，在等静压仪中，压力为100～200Mpa下保压1～5分钟进行冷等静压压制成形；经脱模，得到成圆柱状素坯；然后将圆柱状素坯在空气、真空或氮气环境下进行烧结，烧结温度范围为1550～1750℃，烧结时间为2～5小时，获得相对密度大于90%，密度大于3.6g/cm3的a-Al2O3多晶块料。通过本发明方法制备的a-Al2O3多晶块料主要用作大尺寸单晶蓝宝石的生长原料，其与单晶蓝宝石Al2O3具有完全相同的晶体结构和化学组成，本发明制备方法能消除a-Al2O3多晶块料制备过程的二次污染问题。

Description

生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法
技术领域
本发明涉及一种特种陶瓷制备工艺，具体涉及一种a-Al2O3多晶料块的制备方法，本发明制备的a-Al2O3多晶料块应用于GaN基LED的衬底材料，实现LED 的高效化、超高亮度化、全色化。
背景技术
发光二极管LED作为半导体照明光源，具有耗电少、寿命长、可控性强等特点，正在成为照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光源的革命。自上世纪九十年代以来，LED 芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LED，GaN基LED得到了迅速的发展，从此成为应用最广泛的发光半导体材料。能够用于GaN基的衬底材料主要有蓝宝石(Al2O3)、SiC、Si、ZnO、GaN，但只有前两种蓝宝石(Al2O3)和SiC得到了较大规模的商业化应用。
进入21 世纪后，LED 的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新。蓝宝石(Al2O3)是目前主流的衬底材料，GaN 基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。
目前蓝宝石晶体的生长工艺得到极大提高，可以生长大尺寸的高质量单晶，并且为了提高蓝宝石作为LED衬底片的成品率和降低生长成本，晶体大小（按单个晶体重量计算），已经从20kg，30kg，向60kg和80kg，乃至向单颗重量达100kg以上的大晶体生长；生长LED衬底级的蓝宝石单晶，需要采用高纯5N(纯度99.999%) a-Al2O3原料。同时该高纯5N的a-Al2O3原料必须由5N的a-Al2O3粉料，经压制成圆柱状，再经高温1500-1700℃烧结2-5小时，获得致密的a-Al2O3多晶饼块料。目前市面上商业饼块料的密度为3.2-3.6 g/cm3，尺寸大小为直径50-80 mm，高度10-20 mm。商业饼块料存在的问题：
1．饼块在压制过程中，采用钢模具，可能对高纯a-Al2O3粉料造成二次污染，因此目前国产a-Al2O3多晶饼块料的纯度一般都达不到5N(99.999%)，并最终影响蓝宝石晶体的质量；
2．采用钢模压制饼块，最大尺寸受限，目前商业a-Al2O3多晶饼块料直径在50-60 mm，最大不到100 mm，密度为3.2-3.6 g/cm3，只有a-Al2O3理论密度的80%-90%，通常在85%左右。采用这样尺寸和密度的a-Al2O3多晶饼块料来生长蓝宝石单晶，其对生长蓝宝石单晶所用坩埚的一次最大填充率仅有60%左右。对设备的利用率不足，使得生产成本提高。
为了消除高纯a-Al2O3粉料在制饼块料过程的二次污染，以及提高a-Al2O3多晶饼块料的密度和对坩埚的一次最大填充率，迫切需要采用新的技术来制备适合不同尺寸坩埚需要的具有更高密度的a-Al2O3多晶块料，而这也成为GaN基LED的衬底材料制备需要研究和亟待解决的关键问题之一。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法，通过该方法制备的a-Al2O3多晶块料主要用作大尺寸单晶蓝宝石的生长原料，其与单晶蓝宝石Al2O3具有完全相同的晶体结构和化学组成。本发明高纯氧化铝多晶料块的制备方法能消除a-Al2O3多晶块料制备过程的二次污染问题。
为达到上述发明创造目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a. 采用醇铝法生产的商业高纯5N(99.999%) a-Al2O3粉料为起始原料，装填在自制的不同直径大小的桶状的橡胶模具内，经密封，在等静压仪中，压力为100～200 Mpa下保压1～5分钟进行冷等静压压制成形；经脱模，得到成圆柱状素坯；
b. 将圆柱状素坯在空气、真空或氮气的环境下进行烧结，烧结温度范围为1550～1750℃，烧结时间为2～5小时，获得相对密度大于90%，密度大于3.6g/cm3的a-Al2O3多晶块料；优选能制备得到直径不小于100 mm的a-Al2O3多晶块料。
本发明高纯氧化铝多晶料块的制备方法在整个制备过程中，不添加任何物质(包括分散介质，如纯净水或酒精等)，不与除高纯铝外的任何金属制品接触。只与少量有机物有接触，而有机物在高温烧结过程中可以清除，从而保证了原料的高纯性，为获得高质量的蓝宝石晶体提供了保障。
特别地，本发明技术方案在a-Al2O3多晶料块的整个制备生产过程中，最好不添加除了高纯a-Al2O3粉料原料之外的任何原料、分散剂或其他辅助材料，整个制备生产过程最好不与除高纯铝单一金属材料外的任何金属制品接触。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 采用本发明制备方法制备的高纯氧化铝多晶料块生长的蓝宝石单晶，纯度可以保持原始粉料的纯度，同时其尺寸和密度大，并根据坩埚尺寸大小制备超大尺寸的料块，提高了对坩埚的一次最大填充率，因此在不改变设备原有配置情况下，可以生长更大的蓝宝石单晶，从而达到提高生产率和降低生产成本，以及提高晶体生长质量的目的；
2. 本发明高纯氧化铝多晶料块的制备方法采用冷等静压法可以提高a-Al2O3多晶块料的烧结密度，提高生产效率，降低生产成本，该方法采用橡胶模具，避免了a-Al2O3多晶块料制备过程的二次污染，有利于生长高质量大尺寸LED衬底蓝宝石晶体。
3. 本发明高纯氧化铝多晶料块的制备方法的工艺简单，易于工业实现，应用前景好，也为实现LED 的高效化、超高亮度化、全色化的发展带来了契机。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
一种生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法，包括如下步骤：
a. 采用醇铝法生产的商业高纯5N(99.999%) a-Al2O3粉料为原料，装填在自制的直径150 mm，高130 mm的橡胶桶状模具内，经密封，在等静压仪中，压力为150Mpa下保压2分钟进行冷等静压压制成形；经脱模，得到圆柱状素坯；
b. 圆柱状素坯在空气下进行烧结，烧结温度范围为1650℃，烧结时间为5小时；获得直径120 mm，高度为80 mm，密度为3.67g/cm3，相对密度大于90%的a-Al2O3多晶块料。
本实施例制备的a-Al2O3多晶块料首先采用冷等静压工艺来压制块状料，采用的设备为冷等静压仪，模具为橡胶模具，a-Al2O3多晶料块在整个制备生产过程中不与任何金属接触，本实施例制备的a-Al2O3多晶块料经实验测试，纯度与原始粉料接近，证明没有二次污染。a-Al2O3多晶料块尺寸大小也可制成与生长蓝宝石单晶所用坩埚尺寸相匹配的圆柱状坯体，该圆柱状坯体再经高温烧结，最后制备的a-Al2O3多晶料块密度大于3.6 g/cm3完全能满足生长高质量大尺寸LED衬底蓝宝石晶体材料的质量要求。经过冷等静压压制成型的a-Al2O3素坯，经高温烧结后密度大于一般钢模干压的饼块料的密度，其尺寸与坩埚匹配，提高了坩埚的一次最大填充率，最高可以根据晶体生长情况达到90%以上，对设备的利用率高，使得生产成本显著降低，能够很好地满足工业化制备a-Al2O3多晶料块的需要。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，在步骤b中制备得到的a-Al2O3多晶块料直径达到200 mm，可用于现有生长30kg蓝宝石单晶坩埚(内径F218mm)相匹配，一次最大填充率可以达到90%以上。即采用该坩埚，有望可生长最大达到45kg的蓝宝石晶体。通过本实施例制备的a-Al2O3多晶块料主要用作大尺寸单晶蓝宝石的生长原料，其与单晶蓝宝石Al2O3具有完全相同的晶体结构和化学组成。
上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a. 采用醇铝法生产的商业高纯5N(99.999%) a-Al2O3粉料为起始原料，装填在自制的不同直径大小的桶状的橡胶模具内，经密封，在等静压仪中，压力为100～200 Mpa下保压1～5分钟进行冷等静压压制成形；经脱模，得到圆柱状素坯；
b. 将圆柱状素坯在空气、真空或氮气的环境下进行烧结，烧结温度范围为1550～1750℃，烧结时间为2～5小时，获得相对密度大于90%，密度大于3.6g/cm3的a-Al2O3多晶块料。
2.根据权利要求1所述的生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法，其特征在于：在a-Al2O3多晶料块的整个制备生产过程中，不添加除了高纯a-Al2O3粉料原料之外的任何原料、分散剂或其他辅助材料，整个制备生产过程不与除高纯铝单一金属材料外的任何金属制品接触。
3.根据权利要求1或2所述的生长蓝宝石晶体用高纯氧化铝多晶料块的制备方法，其特征在于：在步骤b中能制备得到直径不小于100 mm的a-Al2O3多晶块料。
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