CN105696081A - 锑化铝材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锑化铝材料的制备方法，用于解决现有制备的锑化铝材料电阻率低的技术问题。技术方案是以高纯铝与高纯锑为原材料，采用化学腐蚀方法除去铝表面氧化层，然后将按一定摩耳比配置的原材料放置于氮化硼坩埚中，再将氮化硼坩埚放置于石英坩埚中，抽真空，封接，采用在合料炉中使用温度振荡的方法进行合成，最后采用布里奇曼法在晶体生长炉中进行生长。由于氮化硼化学稳定性高，与铝反应速率极慢，且与AlSb同属III-V族化合物，氮元素与硼元素在AlSb晶体中没有活性施主与受主能级，无恶化电阻率的杂质，锑化铝材料电阻率由背景技术的105Ω·cm提高到109Ω·cm，空穴的霍尔迁移率达到382cm2V-1S-1。

Description

锑化铝材料的制备方法
技术领域
本发明属于半导体材料领域，特别涉及一种锑化铝材料的制备方法。
背景技术
锑化铝(以下简称AlSb)作为一种III-V族化合物半导体材料，一方面其原子序数为13/51，另一方面在室温时禁带宽度为1.62eV，同时其电子与空穴的理论迁移率分别达到1100cm2·v-1·s-1及700cm2·v-1·s-1，而且作为间接带隙半导体，其理论载流子寿命达到10-3s，满足原子序数高、禁带宽度大、载流子迁移率与寿命积大等制备室温半导体核辐射探测器的理论要求，有望作为下一代室温半导体核辐射探测器材料，在国土安全，医疗诊断，无损探伤，环境保护，天文观测等领域具有广阔的应用前景。
文献1“KutnyVE,RybkaAV,AbyzovAS,etal.AlSbsingle-crystalgrownbyHPBM[J].NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionA:Accelerators,Spectrometers,DetectorsandAssociatedEquipment,2001,458(1):448-454.”公开了一种AlSb晶体的制备方法。该方法将原材料放置于坩埚中，然后向合成炉中冲入40atm的惰性气体，将原料加热到1150℃，保温3小时，然后在6小时内降温到50℃，然后采用高压布里奇曼法进行生长，具体的生长条件例如生长速率等未给出详细介绍。上述公开的方法在具体实施例中采用了多种坩埚，包括氧化铝坩埚，氧化铍坩埚，氧化锆坩埚，石墨坩埚，石英坩埚，玻璃碳坩埚等，其产生的问题均为铝原材料易与坩埚反应，导致晶体与坩埚形成粘连，同时引入杂质，导致晶体电阻率降低，获得的AlSb晶体电阻率最高仅为105Ω·cm，且高压布里奇曼法设备昂贵，操作与维护复杂。
发明内容
为了克服现有方法制备的锑化铝材料电阻率低的不足，本发明提供一种锑化铝材料的制备方法。该方法以高纯铝与高纯锑为原材料，采用化学腐蚀的方法除去铝表面氧化层，然后将按一定摩耳比配置的原材料放置于氮化硼坩埚中，再将氮化硼坩埚放置于石英坩埚中，抽真空，然后封接，采用在合料炉中使用温度振荡的方法进行合成，最后采用布里奇曼法在晶体生长炉中进行生长。由于氮化硼化学稳定性高，与铝反应速率极慢，且与AlSb同属III-V族化合物，氮元素与硼元素在AlSb晶体中不形成活性施主与受主能级，不引入恶化电阻率的杂质，提高了AlSb晶体的电阻率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种锑化铝材料的制备方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、采用纯度为99.999％的铝原料，在HF:H2O2＝1:2～1:3的溶液中腐蚀30～60秒，腐蚀完毕后清洗，氮气吹干。
步骤二、经过处理的铝原料与纯度为99.9999％的锑原料按1:1.05～1:1.1配比，并掺杂30～130ppm的纯度为99.99999％的碲单质，将锑原料和碲单质一同转入洁净干燥的氮化硼坩埚中，再将氮化硼坩埚置于洁净干燥的石英安瓿中，对石英安瓿抽真空，真空度达5～8×10-5Pa时封管。
步骤三、将石英安瓿放置于高温合料炉中，升温至500～600℃，保温22～24小时，然后以每小时5～10℃的速率升温至680～700℃，然后升温到锑化铝熔点以上15～65℃，进行温度震荡，10～20小时后断电炉冷，合料完成。
步骤四、将合料完成后的石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中，设定高温区目标温度为1080～1100℃，低温区目标温度为900～940℃，升温时间为12～24小时。到达目标温度后，在锑化铝熔点以上40～60℃进行12～24小时的过热，最后将坩埚底部温度降至高于温度锑化铝熔点以上2～5℃，坩埚以每小时2～5mm的速率下降，下降时间为50～100小时，开始生长锑化铝晶体。
步骤五、锑化铝晶体生长结束，坩埚停止下降，降温到100～200℃，断电炉冷至室温。
本发明的有益效果是：该方法以高纯铝与高纯锑为原材料，采用化学腐蚀的方法除去铝表面氧化层，然后将按一定摩耳比配置的原材料放置于氮化硼坩埚中，再将氮化硼坩埚放置于石英坩埚中，抽真空，然后封接，采用在合料炉中使用温度振荡的方法进行合成，最后采用布里奇曼法在晶体生长炉中进行生长。由于氮化硼化学稳定性高，与铝反应速率极慢，且与AlSb同属III-V族化合物，氮元素与硼元素在AlSb晶体中不形成活性施主与受主能级，不引入恶化电阻率的杂质，提高了AlSb材料的电阻率。锑化铝材料电阻率由背景技术的105Ω·cm提高到109Ω·cm，空穴的霍尔迁移率达到382cm2V-1S-1，能够应用于核辐射探测。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明锑化铝材料的制备方法实施例1制备的AlSb材料晶锭的照片。
图2是本发明锑化铝材料的制备方法实施例1制备的AlSb材料的XRD图谱。
具体实施方式
以下实施例参照图1-2。
实施例1：第一步，铝原料的预处理。采用纯度为99.999％的铝原料，在HF:H2O2＝1:2的溶液中腐蚀30秒，腐蚀完毕后清洗，氮气吹干。
第二步，将经过处理的铝原料与纯度为99.9999％的锑原料按1:1.05配比，并掺杂30ppm的纯度为99.99999％的碲单质，一同转入洁净干燥的氮化硼坩埚中，再将氮化硼坩埚置于洁净干燥的石英安瓿中，对石英安瓿抽真空，真空度达5×10-5Pa时封管。
第三步，将封接后的石英安瓿放置于高温合料炉中，快速升温至500℃，保温24小时，然后以每小时5℃的速率升温至680℃，然后缓慢升温到锑化铝熔点以上65℃，进行5次温度震荡，每次震荡20小时，震荡完后断电炉冷。
第四步，将合料完的石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中，设定高温区目标温度为1080℃，低温区目标温度为940℃，升温时间为12小时。到达目标温度后，在锑化铝熔点以上60℃进行12小时的过热，最后将坩埚底部温度降至高于锑化铝熔点以上2℃，坩埚以每小时5mm的速率下降，规定下降时间为50小时，开始生长。坩埚停止下降后，缓慢降温到200℃，断电炉冷。
第五步，取出生长完毕的石英安瓿，使用外圆切割机切割，取出晶锭，使用金刚石线切割机切割晶锭。
从图1中可以看出本实施例制备的AlSb材料晶锭表面光滑，与坩埚壁无粘连。
从图2中可以看出本实施例制备的AlSb材料结晶性能良好，物相成分均匀，基本无杂相。
本实施例制备的AlSb晶体与坩埚无粘连，电阻率达到109Ω·cm，空穴的霍尔迁移率达到382cm2V-1S-1，能够应用于核辐射探测。
实施例2：第一步，铝原料的预处理。采用纯度为99.999％的铝原料，在HF:H2O2＝1:3的溶液中腐蚀60秒，腐蚀完毕后清洗，氮气吹干。
第二步，将经过处理的铝原料与纯度为99.9999％的锑原料按1:1.1配比，并掺杂130ppm的纯度为99.99999％的碲单质，一同转入洁净干燥的氮化硼坩埚中，再将氮化硼坩埚置于洁净干燥的石英安瓿中，对石英安瓿抽真空，真空度达8×10-5Pa时封管。
第三步，将封接后的石英安瓿放置于高温合料炉中，快速升温至600℃，保温22小时，然后以每小时10℃的速率升温至700℃，然后缓慢升温到锑化铝熔点以上15℃，进行5次温度震荡，每次震荡10小时，震荡完后断电炉冷。
第四步，将合料完的石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中，设定高温区目标温度为1100℃，低温区目标温度为900℃，升温时间为24小时。到达目标温度后，在锑化铝熔点以上40℃进行24小时的过热，最后将坩埚底部温度降至高于锑化铝熔点以上5℃，坩埚以每小时2mm的速率下降，规定下降时间为100小时，开始生长。坩埚停止下降后，缓慢降温到100℃，断电炉冷。
第五步，取出生长完毕的石英安瓿，使用外圆切割机切割，取出晶锭，使用金刚石线切割机切割晶片。
实施例3：第一步，铝原料的预处理。采用纯度为99.999％的铝原料，在HF:H2O2＝1:2的溶液中腐蚀45秒，腐蚀完毕后清洗，氮气吹干。
第二步，将经过处理的铝原料与纯度为99.9999％的锑原料按1:1.05配比，并掺杂80ppm的纯度为99.99999％的碲单质，一同转入洁净干燥的氮化硼坩埚中，再将氮化硼坩埚置于洁净干燥的石英安瓿中，对石英安瓿抽真空，真空度达7×10-5Pa时封管。
第三步，将封接后的石英安瓿放置于高温合料炉中，快速升温至550℃，保温23小时，然后以每小时8℃的速率升温至690℃，然后缓慢升温到锑化铝熔点以上40℃，进行5次温度震荡，每次震荡15小时，震荡完后断电炉冷。
第四步，将合料完的石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中，设定高温区目标温度为1090℃，低温区目标温度为920℃，升温时间为18小时。到达目标温度后，在锑化铝熔点以上50℃进行18小时的过热，最后将坩埚底部温度降至高于锑化铝熔点以上3℃，坩埚以每小时3mm的速率下降，规定下降时间为70小时，开始生长。坩埚停止下降后，缓慢降温到150℃，断电炉冷。
第五步，取出生长完毕的石英安瓿，使用外圆切割机切割，取出晶锭，使用金刚石线切割机切割晶锭。

Claims (1)

1.一种锑化铝材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采用纯度为99.999％的铝原料，在HF:H2O2＝1:2～1:3的溶液中腐蚀30～60秒，腐蚀完毕后清洗，氮气吹干；
步骤二、经过处理的铝原料与纯度为99.9999％的锑原料按1:1.05～1:1.1配比，并掺杂30～130ppm的纯度为99.99999％的碲单质，将锑原料和碲单质一同转入洁净干燥的氮化硼坩埚中，再将氮化硼坩埚置于洁净干燥的石英安瓿中，对石英安瓿抽真空，真空度达5～8×10-5Pa时封管；
步骤三、将石英安瓿放置于高温合料炉中，升温至500～600℃，保温22～24小时，然后以每小时5～10℃的速率升温至680～700℃，然后升温到锑化铝熔点以上15～65℃，进行温度震荡，10～20小时后断电炉冷，合料完成；
步骤四、将合料完成后的石英安瓿放置于ACRT-B型晶体生长设备中，设定高温区目标温度为1080～1100℃，低温区目标温度为900～940℃，升温时间为12～24小时；到达目标温度后，在锑化铝熔点以上40～60℃进行12～24小时的过热，最后将坩埚底部温度降至高于温度锑化铝熔点以上2～5℃，坩埚以每小时2～5mm的速率下降，下降时间为50～100小时，开始生长锑化铝晶体；
步骤五、锑化铝晶体生长结束，坩埚停止下降，降温到100～200℃，断电炉冷至室温。
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