專利名稱：一種摻鐵鋁酸鋰晶體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工晶體領(lǐng)域，具體涉及一種摻鐵鋁酸鋰晶體的制備方法。
背景技術(shù)：
近十年來，GaN基藍(lán)光發(fā)光二極管、激光二極管及短波長光探測(cè)器件以其巨大的市 場(chǎng)前景成為研究熱點(diǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)中，一般采用異質(zhì)外延方法來制備GaN晶體，而采用HVPE 法(氫化物氣相外延法)可在襯底材料上制備GaN自支撐襯底，然后在所述GaN自支撐襯 底上同質(zhì)外延生長GaN晶體。在傳統(tǒng)的HVPE法中，一般選用藍(lán)寶石(Sapphire)、氮化硅(SiC)、作為襯底材料制 備GaN自支撐襯體。但是，上述兩種襯底材料具有如下缺點(diǎn)第一，Sapphire和SiC襯底材 料常由于應(yīng)力問題出現(xiàn)不同程度的開裂，因此難以獲得實(shí)用化的GaN自支撐襯底；第二，在 Sapphire襯底材料上，只能獲得C面的GaN自支撐襯底，然而，從C向外延生長的GaN晶體 中切出符合產(chǎn)品要求的非極性的M面造價(jià)昂貴，而且獲得的M面的GaN晶體的尺寸較??；第 三，Sapphire和SiC襯底材料不易剝落，這也增加了制備GaN自支撐襯底的困難。與上述兩種Sapphire和Sic襯底材料相比，最新發(fā)展的鋁酸鋰晶體(Y -LiAlO2) 襯底材料具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如在鋁酸鋰晶體襯底上可獲得2英寸自支撐M面GaN襯底，而 且由于鋁酸鋰晶體較上述兩種襯底材料的硬度低，容易被酸腐蝕，因此很容易將在其上生 長的GaN厚膜剝落，獲得自支撐GaN襯底。但是，鋁酸鋰晶體中的鋰比較活潑，因此導(dǎo)致鋁 酸鋰晶體熱穩(wěn)定性較差；并且，鋁酸鋰晶體的化學(xué)穩(wěn)定性也較差，當(dāng)采用HVPE法制備GaN自 支撐襯底時(shí)，鋁酸鋰晶體不耐高溫和還原性氣體的腐蝕，容易導(dǎo)致襯底表面被破壞，從而降 低GaN外延膜的質(zhì)量，上述缺點(diǎn)限制了鋁酸鋰晶體襯底的應(yīng)用。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在制備鋁酸鋰晶體中摻入與Li離子半徑(0.74A)相當(dāng)?shù)腇e2+離子 (0.76人)時(shí)，F(xiàn)e2+離子通過LiAlO2熔體中揮發(fā)的鋰組分進(jìn)入晶體的Li格位時(shí)，由于電荷平 衡同時(shí)形成Li空位，這樣可以強(qiáng)化晶場(chǎng)，達(dá)到提高鋁酸鋰晶體的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的 目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于，提供一種摻鐵鋁酸鋰晶體的制備方法，通過該方法 制得較好熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的摻鐵鋁酸鋰晶體。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種摻鐵鋁酸鋰晶體的制備方法，包括將A1203、Li2CO3和Fe2O3作為原料混合后壓塊得到成型體，燒結(jié)所述成型體；加熱所述燒結(jié)后的成型體得到熔體，將籽晶與所述熔體接觸，用提拉法生長摻鐵 鋁酸鋰晶體。優(yōu)選的，所述原料按照摩爾比Al2O3 Li2CO3 Fe2O3 = 1 1 X，其中χ滿足 0. 0005 ^ χ ^ 0. 005。優(yōu)選的，所述燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)溫度為1000°C 1200°C。
3
優(yōu)選的，所述燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)時(shí)間為3小時(shí)或更長時(shí)間。優(yōu)選的，所述提拉法制得摻鐵鋁酸鋰晶體的提拉速度為lmm/h 4mm/h。優(yōu)選的，所述提拉法制得摻鐵鋁酸鋰晶體是在保護(hù)性氣氛下進(jìn)行的。優(yōu)選的，所述提拉法制得摻鐵鋁酸鋰晶體時(shí)的提拉爐熔體內(nèi)的溫度為1700°C 1800 "C。優(yōu)選的，所述籽晶為Y-LiAlO2單晶體或摻鐵Y-LiAlO2單晶體。優(yōu)選的，所述籽晶的晶向?yàn)閇100]或者W01]。本發(fā)明提供了一種摻鐵鋁酸鋰晶體的制備方法。按照本發(fā)明，先將氧化鋁、碳酸鋰 和氧化鐵作為原料混合后壓塊后燒結(jié)，然后再將燒結(jié)后的塊狀原料加熱至熔化，然后采用 提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體。按照本發(fā)明提供的方法，可以制得大尺寸、透明完整的摻鐵鋁 酸鋰晶體。測(cè)試結(jié)果表明，按照本發(fā)明制備的摻鐵鋁酸鋰晶體具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué) 穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明制備的摻鐵鋁酸鋰晶體與純鋁酸鋰晶體在空氣中900°C退火30min 后的X射線激發(fā)發(fā)射光譜。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的一個(gè)制備鋁酸鋰晶體的實(shí)施方案，包括將A1203、Li2C03、Fe2O3作為原料混合后壓塊得到成型體，燒結(jié)所述成型體；加熱所述燒結(jié)后的成型體得到熔體，將籽晶與所述熔體接觸，用提拉法生長摻鐵 鋁酸鋰晶體。按照本發(fā)明，制備摻鐵鋁酸鋰晶體時(shí)，采用氧化鋁Al2O3、碳酸鋰Li2CO3和氧化鐵 Fe2O3作為原料，其中氧化鋁純度優(yōu)選為大于99. 99wt%，碳酸鋰純度優(yōu)選大于99. 99wt%, 氧化鐵純度優(yōu)選為大于99. 99wt %。選用以上幾種原料時(shí)，將所述原料的粉末混合后壓塊得 到成型體。其中，所述幾種原料粉末的粒徑優(yōu)選為小于120 μ m，更優(yōu)選小于80 μ m，更優(yōu)選 小于50 μ m0選用氧化鋁、碳酸鋰和氧化鐵作為原料時(shí)，所述原料按照摩爾比 Al2O3 Li2CO3 Fe2OJl 1 x，所述 χ 符合如下條件0. 0005 彡 χ ≤ 0. 005，優(yōu)選的， 0. 001 ^ X ^ 0. 004，更優(yōu)選的，0. 002 ^ X ^ 0. 003。按照所需摩爾比例稱取氧化鋁、碳酸鋰和氧化鐵粉末后，將幾種原料混合均勻，壓 塊得到成型體，對(duì)于壓制壓力，優(yōu)選為大于lOOMPa。壓塊得到成型體后，燒結(jié)所述成型體，對(duì)于燒結(jié)溫度，優(yōu)選為1000°C 1200°C，更 優(yōu)選的，燒結(jié)溫度為1000°c 1150°C，更優(yōu)選的，燒結(jié)溫度為1100°C 1150°C。對(duì)于燒結(jié)時(shí) 間，優(yōu)選為3小時(shí)或更長時(shí)間，更優(yōu)選為5小時(shí)或更長時(shí)間，更優(yōu)選為10小時(shí)或更長時(shí)間。 對(duì)于燒結(jié)氣氛本發(fā)明并無特別的限制，優(yōu)選在空氣下進(jìn)行燒結(jié)。對(duì)于燒結(jié)設(shè)備，優(yōu)選在馬弗 爐內(nèi)燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)，碳酸鋰分解，CO2被釋放出來，成型體被燒結(jié)形成摻鐵鋁酸鋰的多晶體。燒結(jié)步驟完成后，將成型體放入本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的銥金坩堝內(nèi)，然后將銥金 坩堝放入提拉爐內(nèi)。為了防止提拉爐內(nèi)空氣影響后續(xù)反應(yīng)，將提拉爐內(nèi)抽真空，真空度優(yōu)選小于0. lpa，更優(yōu)選的，將提拉爐內(nèi)抽真空至真空度小于0. 05Pa。提拉爐抽完真空后，向提 拉爐內(nèi)充入保護(hù)性氣體，保護(hù)性氣體優(yōu)選為惰性氣體或氮?dú)猓鼉?yōu)選為氮?dú)?。?duì)于氮?dú)饧?度，優(yōu)選大于99. 9% (體積比)，更優(yōu)選的，充入純度大于99. 99% (體積比)的氮?dú)狻Ｔ谔崂瓲t內(nèi)充入氮?dú)夂?，將提拉爐升溫，使燒結(jié)后的成型體在銥金坩堝內(nèi)形成熔 體，對(duì)于熔體的溫度，優(yōu)選為1700°C 1800°C，更優(yōu)選為1720°C 1780°C。成型體在銥金坩 堝內(nèi)形成熔體后，使用籽晶與熔體接觸，提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體，對(duì)于使用的籽晶，可 以為Y-LiAlO2單晶體，也可以為摻鐵的Y-LiAlO2單晶體。對(duì)于籽晶的晶向，優(yōu)選為[100] 或者
。提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體時(shí)，對(duì)于提拉速度，優(yōu)選為lmm/h 4mm/h，更優(yōu)選為 2mm/h 3mm/h，更優(yōu)選為2. 2mm/h 2. 8mm/h。提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體時(shí)，保持籽晶 旋轉(zhuǎn)，使晶體生長，對(duì)于所述籽晶旋轉(zhuǎn)的速度，優(yōu)選為15rpm 30rpm(轉(zhuǎn)每分)，更優(yōu)選為 17rpm 28rpm，更優(yōu)選為 20rpm 25rpm。按照本發(fā)明，將所述幾種原料混合后壓塊得到成型體燒結(jié)后，再用提拉法可以生 長大尺寸、透明完整的摻鐵鋁酸鋰晶體。為了進(jìn)一步了解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的摻鐵鋁酸鋰晶體的制備 方法進(jìn)行描述。實(shí)施例1按照摩爾比Al2O3 Li2CO3 Fe2O3 = 1 1 0. 0005 稱取純度為 99. 999% 的三 種原料粉末，所述三種原料粉末的粒度為50 μ m 70 μ m。將所述三種原料混合均勻后，在 IOOMPa的壓力下壓制成型得到Φ78X40mm3的成型體，將所述成型體在馬弗爐內(nèi)在空氣氣 氛下1100°C燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)。然后，將燒結(jié)后的成型體裝入Φ 90 X SOmm3的銥金坩堝內(nèi)，再將銥金坩堝裝入到提 拉爐內(nèi)，密封提拉爐抽真空，真空度小于0. lPa，然后在提拉爐內(nèi)充入純度大于99. 99% (體 積比)的氮?dú)?，將提拉爐升溫至1750°C保溫，待成型體熔化后形成熔體，保溫2小時(shí)。采用[100]方向的LiAlO2籽晶作為晶種，提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體，提拉速度 為3mm/h，晶體轉(zhuǎn)速20rpm。待生長得到了 Φ50Χ IOOmm的晶體后取出，晶體透明完整，無裂 紋，F(xiàn)e含量約為0. 05mol %。取實(shí)施例1制備的摻鐵鋁酸鋰晶體與純鋁酸鋰晶體同時(shí)在空氣中900°C退火 30min，測(cè)試χ射線激發(fā)發(fā)射光譜如圖1所示，純鋁酸鋰晶體在318nm處存在較強(qiáng)的缺陷發(fā) 光，而摻鐵鋁酸鋰晶體基本上沒有缺陷發(fā)光，722nm處為Fe離子的發(fā)光。由此可見，摻鐵鋁 酸鋰晶體的熱穩(wěn)定性要由優(yōu)于純鋁酸鋰晶體。實(shí)施例2按照摩爾比Al2O3 Li2CO3 Fe2O3 = 1 1 0. 005 稱取純度為 99. 999% 的三 種原料粉末，所述三種原料粉末的粒度為50 μ m 70 μ m。將所述三種原料混合均勻后，在 IOOMPa的壓力下壓制成型得到Φ78X40mm3的成型體，將所述成型體在馬弗爐內(nèi)在空氣氣 氛下1100°C燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)。然后，將燒結(jié)后的成型體裝入Φ 90 X SOmm3的銥金坩堝內(nèi)，再將銥金坩堝裝入到提 拉爐內(nèi)，密封提拉爐抽真空，真空度小于0. lPa，然后在提拉爐內(nèi)充入純度大于99. 99% (體 積比)的氮?dú)?，將提拉爐升溫至1750°C保溫，待成型體熔化后形成熔體，保溫2小時(shí)。
采用
方向的LiAlO2籽晶作為晶種，提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體，提拉速度 為2mm/h，晶體轉(zhuǎn)速30rpm。待生長得到了 Φ 50 X IOOmm的晶體后取出，晶體透明完整，F(xiàn)e含 量約為0. 5mol%。實(shí)施例3按照摩爾比Al2O3 Li2CO3 Fe2O3 = 1 1 0. 0025 稱取純度為 99. 999% 的三 種原料粉末，所述三種原料粉末的粒度為50 μ m 70 μ m。將所述三種原料混合均勻后，在 IOOMPa的壓力下壓制成型得到Φ78X40mm3的成型體，將所述成型體在馬弗爐內(nèi)在空氣氣 氛下1150°C燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)。然后，將燒結(jié)后的成型體裝入Φ 90 X SOmm3的銥金坩堝內(nèi)，再將銥金坩堝裝入到提 拉爐內(nèi)，密封提拉爐抽真空，真空度小于0. lPa，然后在提拉爐內(nèi)充入純度大于99. 99% (體 積比)的氮?dú)猓瑢⑻崂瓲t升溫至1800°C保溫，待成型體熔化后形成熔體，保溫2小時(shí)。采用[100]方向的LiAlO2籽晶作為晶種，提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體，提拉速度 為2. 5mm/h,晶體轉(zhuǎn)速25rpm。待生長得到了 Φ50Χ IOOmm的鋁酸鋰晶體后取出，該晶體透 明完整，F(xiàn)e含量約為0. 25mol %。以上對(duì)本發(fā)明提供的一種摻鐵鋁酸鋰晶體的制備方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本文中 應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助 理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本 發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種摻鐵鋁酸鋰晶體的制備方法，包括將Al2O3、Li2CO3和Fe2O3作為原料混合后壓塊得到成型體，燒結(jié)所述成型體；加熱所述燒結(jié)后的成型體得到熔體，將籽晶與所述熔體接觸，用提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述原料按照摩爾比 Al2O3 Li2CO3 Fe2O3=I 1 x，其中 χ 滿足0· 0005 彡 χ 彡 0. 005。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)溫度為1000°C 1200 "C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)時(shí)間為3小時(shí)或更 長時(shí)間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述提拉法生長摻鐵鋁酸 鋰晶體時(shí)的提拉速度為lmm/h 4mm/h。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體是 在保護(hù)性氣氛下進(jìn)行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體時(shí) 的晶體旋轉(zhuǎn)速度為15rpm 30rpm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體時(shí) 的提拉爐內(nèi)熔體的溫度為1700°C 1800°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述籽晶為Y-LiAlO2單晶體或摻鐵 Y-LiAlO2單晶體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述籽晶的晶向?yàn)閇100]或者
O
全文摘要
本發(fā)明提供一種摻鐵鋁酸鋰晶體的制備方法，包括將氧化鋁、碳酸鋰和氧化鐵作為原料混合后壓塊得到成型體，燒結(jié)所述成型體；加熱所述燒結(jié)后的成型體得到熔體，將籽晶與所述熔體接觸，用提拉法生長摻鐵鋁酸鋰晶體。按照本發(fā)明提供的方法，將所述幾種原料混合后壓塊得到成型體燒結(jié)后，再用提拉法可以制得大尺寸、透明完整的摻鐵鋁酸鋰晶體。測(cè)試結(jié)果表明，按照本發(fā)明制備的摻鐵鋁酸鋰晶體具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C30B15/00GK101956235SQ20091005507
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者劉少龍, 周穎圓, 李抒智, 楊衛(wèi)橋, 王康平, 陳利君, 馬可軍 申請(qǐng)人:上海半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心