PL184897B1 - Sposób wytwarzania monokryształów oraz warstw azotku galu i/lub azotku glinu - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania monokryształów oraz warstw azotku galu i/lub azotku glinu, w reakcji z użyciem amoniaku, znamienny tym, że gal, i/lub glin lub azotek galu, i/lub azotek glinu, lub stop galu, i/lub glinu z ołowiem, lub cyną, lub cynkiem, lub bizmutem, lub kadmem umieszcza się w reaktorze w bezpośredniej obecności amoniaku, lub mieszaniny azotującej gazów, składającej się z amoniaku i co najmniej jednego z grupy gazów zawierającej azot, argon, wodór i hel, przy czym zawartość amoniaku w mieszaninie azotującej wynosi 1 - 100%, przepływ gazu 0-25 cm/s, ciśnienie 0,01 - 15 atm., a temperatura 500 - 1800°C.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania monokryształów azotku galu, mieszanych monokryształów azotku galu i azotku glinu o zmiennej zawartości azotku glinu, monokryształów azotku glinu oraz warstw azotku galu, azotku glinu i warstw mieszanych azotku galu i azotku glinu o zmiennej zawartości azotku glinu. Azotek galu i azotek glinu są półprzewodnikami o wysokiej wartości przerwy zabronionej. Mogą tworzyć roztwory stałe ciągłe co pozwala otrzymać półprzewodnik o regulowanej w pewnym zakresie wartości przerwy zabronionej. Azotek galu znajduje zastosowanie do produkcji fotodiod i laserów emitujących światło niebieskie. Niebieski laser pozwoliłby wielokrotnie zwiększyć gęstość zapisu na dyskach optycznych. Ponadto azotek galu zachowuje własności półprzewodzące do temperatur powyżej 600°C, co pozwala produkować z niego elementy półprzewodnikowe pracujące w wysokich temperaturach np. przy sterowaniu silnikami samochodowymi i lotniczymi.

W europejskim opisie patentowym nr 0401972 przedstawiony jest periodyczny sposób otrzymywania azotku galu oraz kilku innych pierwiastków, w którym prowadzi się reakcję chlorku metalu z amoniakiem w niskotemperaturowej plazmie. Wadą metody są stosunkowo wysokie koszty aparatury i energii oraz wprowadzanie do układu reakcyjnego jonów chlorkowych, co jest niekorzystne w przypadku zastosowania tak otrzymanego GaN w elektronice.

W rosyjskim opisie patentowym USSR 683505 przedstawiono metodę otrzymywania polikrystalicznego proszku GON w reakcji ciekłego galu z amoniakiem w temperaturze 380 - 420°C. Stwierdzono, że LiH działa jako katalizator tej reakcji. Jednak tym sposobem nie można otrzymać monokryształów i warstw epitaksjalnych.

W międzynarodowym opisie patentowym nr WO 92/16966 przedstawiono metodę otrzymywania monokrystalicznych warstw GaN. Wiązka cząsteczkowego galu oraz aktywowany atomowy i jonowy azot są dostarczane do komory wzrostu. Proces składa się z dwóch etapów: niskotemperaturowego etapu nukleacji przebiegającego w temperaturze 100 - 400°C i wysokotemperaturowego etapu wzrostu w temperaturze 600 - 900°C. Preferowanym źródłem aktywowanego azotu jest plazma pochodząca z elektronowego cyklotronu rezonansu mikrofalowego. Ten sposób jest bardzo skomplikowany i kosztowny. Główną wadą jest konieczność jonizowania azotu.

W międzynarodowym opisie patentowym nr WO 94/18120 zaprezentowana jest metoda otrzymywania azotku galu i azotków kilku innych pierwiastków. Ciekły gal reaguje z amoniakiem w młynie kulowym w temperaturze 28 - 100°C. Produktem jest drobny proszek, a nie monokryształ.

W amerykańskim opisie patentowym nr US 5122845 przedstawiono metodę otrzymywania monokrystalicznych warstw GaN z fazy gazowej na podłożu z szafiru z wykorzystaniem różnych związków metaloorganicznych galu. Wadą tej metody jest użycie jako substratu związków

184 897 metaloorganicznych. Proces jest więc wydłużony o etap otrzymywania tych związków. Nie bez znaczenia jest fakt, że są to związki palne.

Celem wynalazku było opracowanie możliwie prostej i taniej metody otrzymywania monokryształów azotku galu, mieszanych monokryształów azotku galu i azotku glinu o zmiennej zawartości azotku glinu, monokryształów azotku glinu oraz warstw azotku galu, azotku glinu i mieszanych warstw azotku galu i azotku glinu o zmiennej zawartości azotku glinu.

Sposób otrzymywania monokryształów oraz warstw azotku galu i/lub azotku glinu według wynalazku charakteryzuje się tym, że porcję galu i/lub glinu lub azotku galu i/lub azotku glinu lub stopu galu i/lub glinu z ołowiem lub cyną lub cynkiem lub bizmutem lub kadmem umieszcza się w reaktorze w obecności amoniaku lub azotującej mieszaniny gazów składającej się z amoniaku i co najmniej jednego z grupy gazów zawierającej azot, wodór, hel i argon. Zawartość amoniaku w mieszaninie azotującej wynosi 1 - 100%. Przepływ gazu wynosi 0-25 cm/s, ciśnienie 0,01-15 atm., a temperatura 50θ - 1800°C.

W tych warunkach następuje wzrost monokryształów azotku galu i azotku glinu. W przypadku umieszczenia w strefie wzrostu monokryształów monokrystalicznego podłoża z szafiru lub węglika krzemu, obserwuje się powstawanie na tych podłożach warstw azotku galu i azotku glinu. W przypadku działania mieszaniną gazów azotujących na stopy galu i glinu z metalami azotowany jest tylko gal i glin, natomiast pozostałe metale pełnią rolę rozpuszczalnika. Wzrost monokryształów azotku galu i azotku glinu następuje wewnątrz stopu.

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach stosowania.

Przykład 1.10 g galu umieszczono w poziomym reaktorze rurowym. Przepływ amoniaku wynosił 30 mm/s, a temperatura 1400°C. W tych warunkach w czasie 8 godzin wzrastały monokryształy GaN o wymiarach 3x0,5x0,5 mm.

Przykład 2. 10 g azotku galu umieszczono w poziomym reaktorze rurowym w ten sposób, aby podłoże z szafiru znajdowało się w strefie wzrostu monokryształów azotku galu. W temperaturze 1380°C przy przepływie mieszaniny azotującej składającej się z amoniaku i azotu w proporcjach 15 na podłożu z szafiru powstała warstwa azotku galu o grubości 0,05 mm.

Przykład 3. 10 g stopu zawierającego 95% cyny i 5% galu ogrzewano w poziomym reaktorze rurowym do temperatury 1360°C przy przepływie amoniaku 20 mm/s. Po 6 godzinach otrzymano monokryształy o wielkości 1x0,3x0,3 mm.

Prz ykład 4.1 0g glinumnieszzzono wooziomymraaktorzcrurowym. Wtemperaturze 1430°C w obecności mieszaniny azotującej zawierającej 30% amoniaku, 50% argonu i 20% azotu, której przepływ wynosił 30 mm/s w czasie 8 godzin wzrastały monokryształy A1N o wymiarach 0,5x0,5x0,1 mm.

Przykład 5. 10 g stopu zawierającego 95% cyny i 5% glinu ogrzewano w poziomym reaktorze rurowym do temperatury 1450°C przy przepływie amoniaku 40 mm/s. Po 6 godzinach otrzymano monokryształy azotku glinu o wielkości 0,5x0,2x0,2 mm.

Przykład 6.5g galu umieszczono w poziomym reaktorze rurowym. W temperaturze 1380°C w obecności mieszaniny azotującej zawierającej 3% amoniaku, 70% argonu i 27% azotu, której przepływ wynosił 30 mm/s w czasie 8 godzin wzrastały monokryształy GaN o wymiarach 2,5x0,5x0,4 mm.

184 897

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób wytwarzania monokryształów oraz warstw azotku galu i/lub azotku glinu, w reakcji z użyciem amoniaku, znamienny tym, że gal, i/lub glin lub azotek galu, i/lub azotek glinu, lub stop galu, i/lub glinu z ołowiem, lub cyną, lub cynkiem, lub bizmutem lub kadmem umieszcza się w reaktorze w bezpośredniej obecności amoniaku, lub mieszaniny azotującej gazów, składającej się z amoniaku i co najmniej jednego z grupy gazów zawierającej azot, argon, wodór i hel, przy czym zawartość amoniaku w mieszaninie azotującej wynosi 1 - 100%, przepływ gazu 0-25 cm/s, ciśnienie 0,01 -15 atm., a temperatura 500 - 1800°C.