CN105239162A - 用于宽禁带半导体的氧化铝-氧化镓混晶材料 - Google Patents

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夏长泰
赛青林
肖海林
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Abstract

一种用于宽禁带半导体的氧化铝-氧化镓混晶材料，结构式为Ga2-2xAl2xO3，其中氧化铝掺杂摩尔比x为0-50％，及其制备方法。本发明保持了原有的氧化镓晶体结构，形成混晶，晶体具有很高的光学质量，无开裂，散射颗粒，气泡等缺陷，颜色均匀；通过掺杂，晶体的紫外吸收截止边延伸到210-255nm，是一种非常优良的深紫外衬底材料。

Description

用于宽禁带半导体的氧化铝-氧化镓混晶材料
技术领域
本发明涉及人工晶体领域，特别是一种用于宽禁带半导体的氧化铝-氧化镓混晶材料。
背景技术
β-Ga2O3是直接带隙宽禁带化合物半导体材料，禁带宽度约为4.8～4.9eV，是目前所知的禁带最宽的透明导电材料。它具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子漂移速度快、介电常数小、热导率高、化学性质稳定等诸多优点，从紫外到可见光波段都是透明的，相比传统透明导电材料(TCOs)可以制备更短波长范围内工作的新一代半导体光电器件。
β-Ga2O3材料可以作为GaN的衬底材料，它兼具蓝宝石的高度透明性和SiC的优良导电性，同时与GaN的晶格失配率很小，还可以通过表面氮化工艺形成的过渡层将外延过程中异质外延转变为同质外延，实现了与GaN的晶格完全匹配和准同质外延，有望大幅度提高GaN基光电子器件的性能。
β-Ga2O3还是突破深紫外固态光源的重要技术方案。深紫外LED是指发光中心波长小于300nm的发光二极管，因其在军事、国土安全、空间探索、保密通讯、高密度数据存储、医学(杀菌消毒)、环境保护(净化水、空气等)等方面都有巨大应用价值，近年来对其开发非常活跃。
深紫外LED研制要求作为有源层的半导体材料禁带宽度必须大于等于4.13eV，在常见的半导体材料中，能满足这一要求的材料非常有限，因此，目前深紫外LED研制主要依赖AlN-GaN-InN体系(以下简称GaN体系)，然而基于GaN体系的技术路线存在以下两方面的技术难题：
(1)为了满足对基片透光性的要求，深紫外LED材料通常须生长在蓝宝石、AlN等基片上，材料异质外延生长技术难度普遍偏大，造成材料质量普遍较差；
(2)为了实现深紫外发光，有源层AlGaN的Al组份含量通常应达到45％-50％，高铝组份AlGaN材料还存在掺杂浓度低的问题，也是造成深紫外LED电光转换效率普遍偏低(1-2％)的主要原因。
经过十多年的发展，虽然取得了一些进展，但总体来看，基于GaN体系的深紫外LED技术还远未成熟。由于氧化镓的禁带宽度约为4.8-4.9eV，其吸收边对应于250-260nm左右，因此，若采用基于氧化镓的技术方案研制深紫外LED，则可采用氧化镓作为基片的同质外延有源层材料，材料质量可获得很大提升，因此，氧化镓有可能成为突破深紫外固态光源的重要技术方案。
除此之外，β-Ga2O3在紫外光学材料领域、透明氧化物导体、高温氧气传感器、场效应晶体管材料和深紫外探测二极管等器件等多个领域中均有良好的应用
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于宽禁带半导体的氧化铝-氧化镓混晶材料，通过对原料比例的控制，生长出具有不同性能的氧化铝-氧化镓混晶，氧化铝含量的摩尔比为0％-50％，其紫外吸收截止边进一步延伸到210nm，并且氧化镓晶体结构并未有改变，具有显著的性能优势。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于宽禁带半导体的氧化铝-氧化镓混晶材料，其特点在于：其结构式为Ga2-2xAl2xO3，其中氧化铝掺杂摩尔比x为0-50％。
该混晶材料为单斜晶系，空间群为c2/m。
该混晶材料的紫外光谱吸收边为210-255nm。
所述的氧化铝-氧化镓混晶材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①采用纯度为99.999％的高纯氧化镓和氧化铝粉末原料，根据摩尔比配方(1-x)Ga2O3+xAl2O3精确称取原料，其中0≤x≤0.50；
②将所称重的原料放入清洁的聚四氟乙烯球磨罐中，放入玛瑙球，倒入适量无水乙醇，密封后，放入行星球磨机中，混料12-24h。
③将球磨罐放入烘箱中，设定温度75～100℃，烘烤6-10h，确保乙醇挥发完全；
④将干燥的混合粉料放入有机模具中，等静压下压制成料棒。
⑤压制好的料棒在马弗炉中1200-1600℃烧结10-20h，除去原料中的水分，并让氧化铝与氧化镓原料发生固相反应，形成多晶料。
⑥将烧结后的料棒作为上棒，氧化镓籽晶作为下棒，氧化气氛下生长，晶体生长完毕，缓慢降至室温，取出晶体。
所述的步骤②中原料与无水乙醇的比例为1:0.8～1.2。
所述的步骤⑥中晶体生长速度为1-15mm/h，转速为5-20rpm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在氧化镓基质中掺入氧化铝，掺杂摩尔比为0％-50％，保持了原有的氧化镓晶体结构，形成混晶，晶体具有很高的光学质量，无开裂，散射颗粒，气泡等缺陷，颜色均匀。通过掺杂，晶体的紫外吸收截止边延伸到210-255nm，是一种非常优良的深紫外衬底材料。
附图说明
图1实施例与对比例样品XRD物相结构分析图
图2实施例与对比例样品吸收光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对发明进行进一步阐述，但不应以此限制本发明的包含范围。
实施例1：
用上述的原料配比和工艺流程生长氧化铝-氧化镓混晶材料，原料配比中取x＝0.1。将Ga2O3，Al2O3高纯原料(纯度均为99.999％)，按摩尔比0.9:0.1比例称取。原料采用乙醇湿法球磨16h混合均匀，并经烘箱温度100℃烘烤6h，用有机弹性塑料模具在等静压机中压制成料棒，并在马弗炉中1500℃烧结10h。将烧结好的料棒装进浮区炉中作为上棒，氧化镓籽晶作为下棒。升温使籽晶熔化并接种，开始生长晶体。晶体生长速度5mm/h，旋转速度10rpm，气氛为空气。晶体生长完毕后拉脱熔区，经过3小时缓慢降至室温，取出晶体。所得晶体完整无开裂，颜色均匀。经检测，该混晶保持原有的氧化镓的单斜晶体结构(附图1)，紫外吸收边在250nm(附图2)。
实施例2：
用上述的原料配比和工艺流程生长氧化铝-氧化镓混晶材料，原料配比中取x＝0.3。将Ga2O3，Al2O3高纯原料(纯度均为99.999％)，按摩尔比0.7:0.3比例称取。原料采用乙醇湿法球磨18h混合均匀，并经烘箱温度70℃烘烤10h，用有机弹性塑料模具在等静压机中压制成料棒，并在马弗炉中1500℃烧结10h。将烧结好的料棒装进浮区炉中作为上棒，氧化镓籽晶作为下棒。升温使籽晶熔化并接种，开始生长晶体。晶体生长速度4mm/h，旋转速度12rpm，气氛为空气。晶体生长完毕后拉脱熔区，经过3小时缓慢降至室温，取出晶体。所得晶体完整无开裂，颜色均匀。经检测，该混晶保持原有的氧化镓的单斜晶体结构(附图1)，紫外吸收边在230nm(附图2)。
对比例1：
将Ga2O3高纯原料(纯度均为99.999％)采用乙醇湿法球磨12h研磨均匀，并经烘箱温度80℃烘烤6h，用有机弹性塑料模具在等静压机中压制成料棒，并在马弗炉中1500℃烧结10h。将烧结好的料棒装进浮区炉中作为上棒，氧化镓籽晶作为下棒，气氛为空气。升温使籽晶熔化并接种，开始生长晶体。晶体生长速度5mm/h，旋转速度10rpm。晶体生长完毕后拉脱熔区，经过2小时缓慢降至室温，取出晶体。所得晶体完整无开裂，颜色均匀。经检测，该单晶与标准卡片符合良好(附图1)，紫外吸收边在255nm(附图2)。
对比例2：
用上述的原料配比和工艺流程生长氧化铝-氧化镓混晶材料，原料配比中取x＝0.6。将Ga2O3，Al2O3高纯原料(纯度均为99.999％)，按摩尔比0.6:0.4比例称取。原料采用乙醇湿法球磨12h混合均匀，并经烘箱温度80℃烘烤6h，用有机弹性塑料模具在等静压机中压制成料棒，并在马弗炉中1500℃烧结10h。将烧结好的料棒装进浮区炉中作为上棒，氧化镓籽晶作为下棒。升温使籽晶熔化并接种，开始生长晶体。晶体生长速度4mm/h，旋转速度12rpm，气氛为空气。晶体生长完毕后拉脱熔区，经过3小时缓慢降至室温，取出晶体。所得晶体虽仍保持单斜晶相(附图1)，但已经出现肉眼可见的浑浊。

Claims (6)

1.一种用于宽禁带半导体的氧化铝-氧化镓混晶材料，其特征在于：其结构式为Ga2-2xAl2xO3，其中氧化铝掺杂摩尔比x为0-50％。
2.根据权利要求1所述的氧化铝-氧化镓混晶材料，其特征在于，该混晶材料为单斜晶系，空间群为c2/m。
3.根据权利要求1所述的氧化铝-氧化镓混晶材料，其特征在于，该混晶材料的紫外光谱吸收边为210-255nm。
4.权利要求1所述的氧化铝-氧化镓混晶材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①采用纯度为99.999％的高纯氧化镓和氧化铝粉末原料，根据摩尔比配方(1-x)Ga2O3+xAl2O3精确称取原料，其中0≤x≤0.50；
②将所称重的原料放入清洁的聚四氟乙烯球磨罐中，放入玛瑙球，倒入适量无水乙醇，密封后，放入行星球磨机中，混料12-24h。
③将球磨罐放入烘箱中，设定温度75～100℃，烘烤6-10h，确保乙醇挥发完全；
④将干燥的混合粉料放入有机模具中，等静压下压制成料棒。
⑤压制好的料棒在马弗炉中1200-1600℃烧结10-20h，除去原料中的水分，并让氧化铝与氧化镓原料发生固相反应，形成多晶料。
⑥将烧结后的料棒作为上棒，氧化镓籽晶作为下棒，氧化气氛下生长，晶体生长完毕，缓慢降至室温，取出晶体。
5.根据权利要求4所述的氧化铝-氧化镓混晶材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤②中原料与无水乙醇的比例为1:0.8～1.2。
6.根据权利要求4所述的氧化铝-氧化镓混晶材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤⑥中晶体生长速度为1-15mm/h，转速为5-20rpm。
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