生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法

2023-05-02 16:01:11 3

專利名稱：生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種特種陶瓷製備工藝，具體涉及一種a-Al203多晶料塊的製備方法，本發明製備的a-Al203多晶料塊應用於GaN基LED的襯底材料，實現LED的高效化、超高亮度化、全色化。
背景技術：
發光二極體LED作為半導體照明光源，具有耗電少、壽命長、可控性強等特點，正在成為照明史上繼白熾燈、螢光燈之後的又一場照明光源的革命。自上世紀九十年代以來，LED晶片及材料製作技術的研發取得多項突破，1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研製出摻Mg的同質結GaN藍光LED，GaN基LED得到了迅速的發展，從此成為應用最廣泛的發光半導體材料。能夠用於GaN基的襯底材料主要有藍寶石(Al2O3)、SiC、Si、ZnO、GaN，但只有前兩種藍寶石(Al2O3)和SiC得到了較大規模的商業化應用。進入21世紀後，LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新。藍寶石(Al2O3)是目前主流的襯底材料，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底有許多的優點首先，藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好；其次，藍寶石的穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最後，藍寶石的機械強度高，易於處理和清洗。因此，大多數工藝一般都以藍寶石作為襯底。目前藍寶石晶體的生長工藝得到極大提高，可以生長大尺寸的高質量單晶，並且為了提高藍寶石作為LED襯底片的成品率和降低生長成本，晶體大小(按單個晶體重量計算)，已經從20kg, 30kg,向60kg和80kg,乃至向單顆重量達IOOkg以上的大晶體生長；生長LED襯底級的藍寶石單晶，需要採用高純5N(純度99. 999%) B-Al2O3原料。同時該高純5N的a-Al203原料必須由5N的a-Al203粉料，經壓製成圓柱狀，再經高溫1500_1700°C燒結2_5小時，獲得緻密的a-Al203多晶餅塊料。目前市面上商業餅塊料的密度為3. 2-3. 6 g/cm3,尺寸大小為直徑50-80 mm，高度10-20 mm。商業餅塊料存在的問題
1.餅塊在壓制過程中，採用鋼模具，可能對高純a-Al203粉料造成二次汙染，因此目前國產a-Al203多晶餅塊料的純度一般都達不到5N(99. 999%)，並最終影響藍寶石晶體的質量;
2.採用鋼模壓制餅塊，最大尺寸受限，目前商業a-Al203多晶餅塊料直徑在50-60mm,最大不到100 mm,密度為3. 2-3. 6 g/cm3,只有a_Al203理論密度的80%_90%，通常在85%左右。採用這樣尺寸和密度的a-Al203多晶餅塊料來生長藍寶石單晶，其對生長藍寶石單晶所 用坩堝的一次最大填充率僅有60%左右。對設備的利用率不足，使得生產成本提高。為了消除高純a-Al203粉料在制餅塊料過程的二次汙染，以及提高a-Al203多晶餅塊料的密度和對坩堝的一次最大填充率，迫切需要採用新的技術來製備適合不同尺寸坩堝需要的具有更高密度的a-Al203多晶塊料，而這也成為GaN基LED的襯底材料製備需要研究和亟待解決的關鍵問題之一。

發明內容
為了解決現有技術問題，本發明的目的在於克服已有技術存在的缺陷，提供一種生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法，通過該方法製備的a-Al203多晶塊料主要用作大尺寸單晶藍寶石的生長原料，其與單晶藍寶石Al2O3具有完全相同的晶體結構和化學組成。本發明高純氧化鋁多晶料塊的製備方法能消除a-Al203多晶塊料製備過程的二次汙染問題。為達到上述發明創造目的，本實用新型採用下述技術方案
一種生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法，其特徵在於，包括如下步
驟
a.採用醇鋁法生產的商業高純5N(99.999%) B-Al2O3粉料為起始原料，裝填在自製的不同直徑大小的桶狀的橡膠模具內，經密封，在等靜壓儀中，壓力為100 200 Mpa下保壓 I 5分鐘進行冷等靜壓壓製成形；經脫模，得到成圓柱狀素坯；
b.將圓柱狀素坯在空氣、真空或氮氣的環境下進行燒結，燒結溫度範圍為1550 1750°C，燒結時間為2 5小時，獲得相對密度大於90%，密度大於3. 6g/cm3的a_Al203多晶塊料；優選能製備得到直徑不小於100 mm的a-Al203多晶塊料。本發明高純氧化鋁多晶料塊的製備方法在整個製備過程中，不添加任何物質(包括分散介質，如純淨水或酒精等)，不與除高純鋁外的任何金屬製品接觸。只與少量有機物有接觸，而有機物在高溫燒結過程中可以清除，從而保證了原料的高純性，為獲得高質量的藍寶石晶體提供了保障。特別地，本發明技術方案在a_Al203多晶料塊的整個製備生產過程中，最好不添加除了高純a-Al203粉料原料之外的任何原料、分散劑或其他輔助材料，整個製備生產過程最好不與除高純鋁單一金屬材料外的任何金屬製品接觸。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點
1.採用本發明製備方法製備的高純氧化鋁多晶料塊生長的藍寶石單晶，純度可以保持原始粉料的純度，同時其尺寸和密度大，並根據坩堝尺寸大小製備超大尺寸的料塊，提高了對坩堝的一次最大填充率，因此在不改變設備原有配置情況下，可以生長更大的藍寶石單晶，從而達到提聞生廣率和降低生廣成本，以及提聞晶體生長質量的目的；
2.本發明高純氧化鋁多晶料塊的製備方法採用冷等靜壓法可以提高a-Al203多晶塊料的燒結密度，提高生產效率，降低生產成本，該方法採用橡膠模具，避免了 a-Al203多晶塊料製備過程的二次汙染，有利於生長高質量大尺寸LED襯底藍寶石晶體。3.本發明高純氧化鋁多晶料塊的製備方法的工藝簡單，易於工業實現，應用前景好，也為實現LED的高效化、超高亮度化、全色化的發展帶來了契機。
具體實施例方式本發明的優選實施例詳述如下
實施例一
一種生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法，包括如下步驟
a.採用醇鋁法生產的商業高純5N(99. 999%) B-Al2O3粉料為原料，裝填在自製的直徑150 _，高130 mm的橡膠桶狀模具內，經密封，在等靜壓儀中，壓力為150Mpa下保壓2分鐘進行冷等靜壓壓製成形；經脫模，得到圓柱狀素坯；
b.圓柱狀素坯在空氣下進行燒結，燒結溫度範圍為1650°C，燒結時間為5小時；獲得直徑120 mm,高度為80 mm，密度為3. 67g/cm3，相對密度大於90%的a_Al203多晶塊料。本實施例製備的a-Al203多晶塊料首先採用冷等靜壓工藝來壓制塊狀料，採用的設備為冷等靜壓儀，模具為橡膠模具，B-Al2O3多晶料塊在整個製備生產過程中不與任何金屬接觸，本實施例製備的a-Al203多晶塊料經實驗測試，純度與原始粉料接近，證明沒有二次汙染。a-Al203多晶料塊尺寸大小也可製成與生長藍寶石單晶所用坩堝尺寸相匹配的圓柱狀坯體，該圓柱狀坯體再經高溫燒結，最後製備的a-Al203多晶料塊密度大於3. 6 g/cm3完全能滿足生長高質量大尺寸LED襯底藍寶石晶體材料的質量要求。經過冷等靜壓壓製成型的a-Al203素坯，經高溫燒結後密度大於一般鋼模幹壓的餅塊料的密度，其尺寸與坩堝匹配，提高了坩堝的一次最大填充率，最高可以根據晶體生長情況達到90%以上，對設備的利 用率高，使得生產成本顯著降低，能夠很好地滿足工業化製備a-Al203多晶料塊的需要。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處在於
在本實施例中，在步驟b中製備得到的a-Al203多晶塊料直徑達到200 mm，可用於現有生長30kg藍寶石單晶坩堝(內徑F218mm)相匹配，一次最大填充率可以達到90%以上。即採用該坩堝，有望可生長最大達到45kg的藍寶石晶體。通過本實施例製備的a-Al203多晶塊料主要用作大尺寸單晶藍寶石的生長原料，其與單晶藍寶石Al2O3具有完全相同的晶體結構和化學組成。上面對本發明實施例進行了說明，但本發明不限於上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法的技術原理和發明構思，都屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟 a.採用醇鋁法生產的商業高純5N(99.999%) B-Al2O3粉料為起始原料，裝填在自製的不同直徑大小的桶狀的橡膠模具內，經密封，在等靜壓儀中，壓力為100 200 Mpa下保壓I 5分鐘進行冷等靜壓壓製成形；經脫模，得到圓柱狀素坯； b.將圓柱狀素坯在空氣、真空或氮氣的環境下進行燒結，燒結溫度範圍為1550 1750°C，燒結時間為2 5小時，獲得相對密度大於90%，密度大於3. 6g/cm3的a_Al203多晶塊料。
2.根據權利要求I所述的生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法，其特徵在於在a-Al203多晶料塊的整個製備生產過程中，不添加除了高純a-Al203粉料原料之外的任何原料、分散劑或其他輔助材料，整個製備生產過程不與除高純鋁單一金屬材料外的任何金屬製品接觸。
3.根據權利要求I或2所述的生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法，其特徵在於在步驟b中能製備得到直徑不小於100 mm的a_Al203多晶塊料。
全文摘要
本發明公開了一種生長藍寶石晶體用高純氧化鋁多晶料塊的製備方法，包括如下步驟採用醇鋁法生產的商業高純5N(99.999%)a-Al2O3粉料為起始原料，裝填在自製的不同直徑大小的桶狀的橡膠模具內，經密封，在等靜壓儀中，壓力為100～200Mpa下保壓1～5分鐘進行冷等靜壓壓製成形；經脫模，得到成圓柱狀素坯；然後將圓柱狀素坯在空氣、真空或氮氣環境下進行燒結，燒結溫度範圍為1550～1750℃，燒結時間為2～5小時，獲得相對密度大於90%，密度大於3.6g/cm3的a-Al2O3多晶塊料。通過本發明方法製備的a-Al2O3多晶塊料主要用作大尺寸單晶藍寶石的生長原料，其與單晶藍寶石Al2O3具有完全相同的晶體結構和化學組成，本發明製備方法能消除a-Al2O3多晶塊料製備過程的二次汙染問題。
文檔編號C01F7/46GK102942201SQ201210434180
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月5日 優先權日2012年11月5日
發明者楊秋紅, 陸神洲, 張浩佳 申請人:上海大學