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《半导体ZnO单晶生长的技术进展_图文(精).doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、.word可编辑.半导体ZnO单晶生长的技术进展3李新华1,2,徐家跃1(1.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050;2.中国科学院研究生院,北京100039摘 要: ZnO单晶是一种具有半导体、发光、压电、电光、闪烁等性能的多功能晶体材料。近年来,它在紫外光电器件和GaN衬底材料等方面的应用前景而使其成为新的研究热点。本文综述了ZnO单晶助熔剂法、水热法、气相法等生长技术的研究进展,结合ZnO单晶的化学结构,探讨了该晶体的结晶习性及生长技术发展方向。关键词: 氧化锌;结晶习性;晶体生长中图分类号: TN304.2;O782文献标识码:A文章编号:100129731(2005
2、05206522031 引 言ZnO、、闪,它的禁带宽度为3.4eV,激子结合能高达60MeV,对应紫外光的发射可以开发短波长光电器件。1997年,自然杂志高度评价了利用ZnO做成的激光器在提高光存储方面的应用前景[1]。ZnO的带边发射在紫外区非常适宜作为白光LED的激发光源材料,凸显了ZnO在半导体照明工程中的重要地位,并且与SiC、GaN等其它的宽带隙材料相比,ZnO具有资源丰富、价格低廉、高的化学和热稳定性,更好的抗辐照损伤能力,适合做长寿命器件等多方面的优势。因此,ZnO单晶及其在半导体、短波长发光器件等方面的研究已成为国际前沿领域中的研究热点。ZnO晶体是一致熔融化合物
3、,其熔点为1975℃。ZnO不仅具有强烈的极性析晶特性,而且在高温下(1300℃以上会发生严重的升华现象,因此该晶体生长极为困难。早在20世纪60年代,人们就开始关注ZnO单晶的生长[2~4],.专业.专注..word可编辑.尽管尝试了很多种生长工艺,所得晶体尺寸都很小,一般在毫米量级,没有实用价值。鉴于体单晶生长存在很大的困难,人们逐渐把注意力更多地集中于ZnO薄膜的生长研究方面,一度冷落了对体单晶生长工艺的进一步探索。近年来,随着GaN、SiC等新型光电材料产业的迅速发展,对高质量、大尺寸的ZnO单晶基片的需求也越来越大,而ZnO单晶目前的生长状况难于满足市场的需求,ZnO单晶
4、生长研究才重新引起科学家的重视。目前,采用助熔剂法、水热法、气相生长法等方法已经获得一定尺寸的ZnO体单晶,特别是水热法,已经生长出直径2英寸的高质量单晶,取得了突破性进展。本文详细总结了ZnO单晶生长的技术进展,从结晶化学角度探讨了ZnO单晶的结晶习性。2 助熔剂法生长,,,以便晶体从熔,。剂法是ZnO单晶生长一种常用的方法。1960年,美国的Nielsen等[2]采用PtF2做助熔剂来生长ZnO单晶,将ZnO和PtF2粉料在1150℃熔化后于空气中保温2~4h,然后以1~10℃/h的速度冷却,得到了最大尺寸为50mm平板状晶体。后来,美国的Chase[5]等同样采用PtF2做助
5、熔剂自发成核生长出尺寸为5mm×5mm×3mm的ZnO单晶。1970年,英国的Wanklyn[6]等分别采用P2O5和V2O5以及两者的混合物做助熔剂生长出最大尺寸为宽20mm厚0.3mm的板状ZnO单晶。1973年,印度的Kashyap[7]等采用KOH做助熔剂来生长ZnO单晶,得到尺寸为0.2mm×6mm的针状ZnO单晶。在此基础上,1993年,日本的Ushio[8]等用KOH、NaOH和KOH+NaOH为助熔剂在450~900℃温度范围内,通过使用大小不同的坩埚、不同的生长周期,生长出尺寸、颜色和质量各不同的晶体,并对ZnO单晶的形成机理进行了研究。采用PtF2、KOH、Na
6、OH、P2O5和V2O5为助熔剂,自发成核生长ZnO单晶,所得晶体尺寸都很小,难以满足实际应用的要求,因此必须寻找新的助熔剂,改进晶体的生长工艺,以便生长出大尺寸、高质量的ZnO单晶。2002年,.专业.专注..word可编辑.日本的KunihikoOka[9]等分别以Mo2O3+V2O5和B2O3+V2O5为助熔剂,采用顶部籽晶熔液法和溶液传输浮区法来生长ZnO单晶。为了避免ZnO的挥发,生长温度控制在1150℃,加热到1150℃熔化后,保温30min,进行提拉,籽晶的旋转速度为20r/min,提拉速度为0.5~1.0mm/h,熔体的冷却速度为2~5℃/h,分别生长出最大尺寸为1
7、0mm×(3基金项目:国家自然科学基金资助项目(50372076收稿日期:2004210218 通讯作者:徐家跃作者简介:李新华 (1978-,男,山东郓城人,在读博士,2002年毕业于长春理工大学,现在中科院上海硅酸盐研究所,师从徐家跃研究员,主要从事功能晶体研究。5mm×2mm和2mm×2mm×2mmZnO单晶,这是目前报道的采用助熔剂法生长的尺寸最大的晶体(见图1。.专业.专注..word可编辑.图1 从不同助熔剂中生长的ZnO晶体.专业.专注..word可
