專利名稱：大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ZnO晶體，特別是一種適用于水熱法生長大尺寸ZnO晶體的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法。
背景技術(shù)：
近年來，一種寬帶隙半導(dǎo)體材料ZnO起人們極大的關(guān)注。一些研究小組先后報道了能產(chǎn)生紫外輻射的ZnO半導(dǎo)體激光器，著名的物理學(xué)家Robert在Science上撰文認(rèn)為ZnO極有可能取代藍(lán)光激光器(SERVICE R F.Will UV lasers beatthe blues？[J].Science，1997，276895.)。最近Atsushi Tsukazaki(參見Atsushi Tsukazaki，Akiar Ohtomo，Takeyoshi Onuma etal.，”Repeated temperature modulation epitaxyfor p-type doping and light-emitting diode based on ZnO″，Nature Materials 4，42-46(2005).)在Nature Materials上報道了基于ZnO的P型摻雜的發(fā)光二極管(以下簡稱LED)，由于其激子束縛能大、在室溫下泵浦閾值很低、可調(diào)諧帶寬范圍為2.8-4.0eV、可根據(jù)同質(zhì)外延的需要比較容易地解理等優(yōu)良的性能，ZnO今后有望在紫外、藍(lán)光激光二極管(以下簡稱LD)和LED、異質(zhì)外延和同質(zhì)外延P-N結(jié)、高峰值能量的能量限制器、大直徑高質(zhì)量的GaN的襯底等方面得到廣泛的應(yīng)用。此外，由于ZnO晶體的原子堆積次序和GaN晶體相同，用ZnO晶體作為襯底的晶格失配(1.8％)遠(yuǎn)小于目前廣泛使用的白寶石襯底晶格失配(14％)，因此，大尺寸的ZnO晶體襯底材料將成為紫外、藍(lán)光器件的迫切需要。
ZnO晶體是一種極性晶體，目前主要采用水熱法生長，晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要顯露面為(0001)面、(0001)面、{1010}面族、{1011}面族，上述各面分別表示為在+c面、-c面、m面和p面。采用水熱法生長該晶體，晶體生長速度呈現(xiàn)顯著的各向異性，+c面生長速度最快，其它方向生長速度慢，特別是在與c方向(即 方向)平行的-c面生長速度最慢，這就大大限制了晶體的長大，從而難以獲得大尺寸特別是(0001)面尺寸大的晶體，這就大大限制了ZnO晶體作為襯底材料的應(yīng)用。因此，獲得尺寸大(特別是(0001)面尺寸大)的籽晶是水熱條件下生長大尺寸的ZnO必要條件，現(xiàn)有的水熱法生長ZnO晶體所采用的籽晶來自于從助熔劑法生長的晶體中獲得或者是使用水熱法生長過程中自發(fā)成核形成的的晶體。這兩種籽晶尺寸都比較小，而且助熔劑法得到的籽晶質(zhì)量差，給后續(xù)生長的ZnO晶體帶來大量的位錯、孿晶等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于水熱法生長大尺寸ZnO晶體的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，以獲得大尺寸的ZnO晶體。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種適用于水熱法生長大尺寸ZnO晶體的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，其特征在于該方法包括以下步驟①獲取兩塊或者兩塊以上的ZnO晶片，該ZnO晶片的寬度和厚度完全相等，晶片的四個面高度平整且兩兩平行，誤差小于10″；②大尺寸ZnO的籽晶的拼裝，以獲得用于生長大尺寸ZnO的籽晶。
所述的ZnO晶片系由同一塊晶體獲取，獲取切片的方法如下使用X射線測角儀定向后切出一塊平行六面體晶片，該六面體的三個不同軸向分別對應(yīng)于ZnO的三個結(jié)晶學(xué)方向，并將各面拋光，使之平整，其精度優(yōu)于10″，在垂直于晶片厚度方向?qū)⑵淝懈罘殖蓛蓧K或兩塊以上的晶片。
所述的ZnO晶片系從不同的晶體獲取晶片，是通過高精度的拋光和X射線測角技術(shù)直接獲得的，所得晶片有相同的寬度和厚度，拼裝所必要的三個不同面的結(jié)晶學(xué)方向的精度優(yōu)于10″。
所述的大尺寸ZnO的籽晶拼裝的步驟是①制備一塊表面高度平整的低膨脹率的鋼質(zhì)支撐平板和多條引導(dǎo)條和其它固定裝置，其表面都涂覆一層貴金屬；②提供拼裝的ZnO晶片的拼裝界面，即晶片拼裝的接觸面和晶體與支撐平板之間的接觸面都涂覆上一層貴金屬，將其烘干；③利用平板和引導(dǎo)條和其它固定裝置將晶片拼裝在一起。
所述的晶片拼裝方法是在高溫下讓兩塊晶片直接疊合在一起將第一步所得到的兩塊ZnO晶片通過引導(dǎo)條直接拼合到一起，操作在超凈室中進(jìn)行，以確保兩晶片緊密疊合在一起，然后在垂直于晶片接觸的界面施加一定壓力，緩慢升高溫度至晶體的熔點(diǎn)以下20℃，恒溫一段時間，緩慢冷卻。
所述的貴金屬為鎳、銀、金或鉑。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，特別適用于難以獲得大尺寸籽晶ZnO晶體的生長，通過本發(fā)明拼裝的籽晶生長得到高質(zhì)量的ZnO晶體，然后再從得到的晶體切出籽晶片進(jìn)行拼裝成為新的籽晶，于是得到尺寸遞增的ZnO晶體。本發(fā)明尤其適宜于增加晶體生長速度慢的方向的尺寸，能夠滿足光電器件上對于大尺寸ZnO晶體襯底的需求。


圖1為水熱法生長的ZnO晶體的顯露面示意圖。
圖2為從同一塊ZnO晶體上獲取兩塊ZnO晶片的示意圖。
圖3為本發(fā)明拼裝ZnO晶體的裝置及其籽晶拼裝示意圖。
圖中1-支撐平板；2-引導(dǎo)條；3-兩塊用于拼裝的ZnO晶片；4和5-貴金屬涂層；圖4為本發(fā)明高溫下直接疊合ZnO晶片示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
ZnO晶體的顯露面示意圖如圖1所示，晶體在m面生長速度較慢，而+c方向生長速度快，因此采用(0001)面的切片在m面進(jìn)行接觸拼裝是最有效的增大ZnO晶體尺寸的方法。
實(shí)施例1本發(fā)明具體的拼裝方法按如下方式進(jìn)行
1.選擇水熱條件下質(zhì)量優(yōu)良的自發(fā)成核形成的晶粒作為籽晶，經(jīng)多次生長，得到尺寸大于φ15×10mm的優(yōu)質(zhì)ZnO晶體；2.使用X射線測角儀確定晶體的結(jié)晶學(xué)方向，切出一塊平行六面體晶片，如圖2所示，大小為14×14×4mm，六面體的三個不同軸向分別對應(yīng)于ZnO的三個結(jié)晶學(xué)方向，即 、[1010]和[1120]方向，使各結(jié)晶學(xué)方向誤差小于10″。將除(0001)面外的其它四個面分別研磨拋光使其兩兩平行，誤差小于10″，平面粗糙度小于0.5μm。
3.將該平行六面體在高度方向切割，得到至少兩塊寬度和厚度完全相等的ZnO晶片，如圖2所示。如果需要的話，更多的切片都可通過上述同樣的方法得到。
4.ZnO晶片的拼裝選取具有和ZnO相近的熱膨脹率的平整的鋼材做成引導(dǎo)條2和支撐平板1以及其它固定裝置(圖中未示)，如圖3所示，支撐平板1表面研磨達(dá)到高度平整，在15×10cm的平板平整度控制在0.4-1.0μm的范圍內(nèi)。將引導(dǎo)條2和支撐平板1以及其它固定裝置涂覆上一層貴金屬漆(鎳、銀、金或鉑)，然后在600℃下烘烤干，重復(fù)幾次，得到貴金屬涂層厚度為4-5μm。利用得到的ZnO晶片、引導(dǎo)條2和支撐平板1按照一個晶片的(1010)和另一晶片的(1010)面接觸進(jìn)行拼裝，并將其固定，最后取出引導(dǎo)條，得到[1010]方向尺寸增大一倍的籽晶片。
實(shí)施例2高溫直接拼裝其它同實(shí)施例1，將晶片拼裝的接觸表面進(jìn)行研磨拋光，粗糙度小于0.05μm，操作在超凈室中進(jìn)行，以確保兩晶片緊密疊合在一起。然后在垂直于晶片接觸的界面施加一定壓力，緩慢升高溫度至1955℃，恒溫30分鐘，緩慢冷卻。由于兩界面高度平整光滑并在外界壓力的作用和高溫下界面附近分子間力的作用，使晶片緊密地結(jié)合在一起。
將拼裝的籽晶懸掛于生長區(qū)生長ZnO晶體。
從生長得到高質(zhì)量的ZnO晶體中切出籽晶片按步驟2-5重復(fù)進(jìn)行，從而獲得尺寸遞增的ZnO晶體。
實(shí)施例3從不同ZnO晶體獲取用于拼裝的晶片時，需要通過拋光和高精度的X射線測角技術(shù)，分別在不同的ZnO晶體上獲取晶片，該晶片至少在用于拼裝的三個面結(jié)晶學(xué)方向誤差小于10″。
本發(fā)明籽晶拼裝方法，不僅可以使得ZnO籽晶片在[1010]尺寸增大，進(jìn)而能夠獲得尺寸遞增的ZnO晶體，如果需要的話，還可以在其它結(jié)晶學(xué)方向進(jìn)行拼裝使籽晶尺寸增大，滿足光電器件上對于大尺寸ZnO晶體襯底的需求。
權(quán)利要求
1.一種適用于水熱法生長大尺寸ZnO晶體的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，其特征在于該方法包括以下步驟①獲取兩塊或者兩塊以上的ZnO晶片，該ZnO晶片的寬度和厚度完全相等，晶片的四個面的高度平整且兩兩平行，誤差小于10″；②晶片拼裝，以獲得用于生長大尺寸ZnO的籽晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，其特征在于所述的ZnO晶片系由同一塊晶體獲取，獲取切片的方法如下使用X射線測角儀定向后切出一塊平行六面體晶片，該六面體的三個不同軸向分別對應(yīng)于ZnO的三個結(jié)晶學(xué)方向，其精度優(yōu)于10″，并將各面拋光，使之平整，在垂直于晶片厚度方向?qū)⑵淝懈罘殖蓛蓧K或兩塊以上的晶片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，其特征在于所述的ZnO晶片系從不同的晶體獲取晶片，通過X射線測角儀嚴(yán)格定向和高精度的拋光直接獲得的，所得晶片有相同的寬度和厚度，拼裝所必要的三個不同面的結(jié)晶學(xué)方向的精度優(yōu)于10″。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，其特征在于所述的晶片拼裝方法是①制備具有低膨脹率的表面高度平整的鋼質(zhì)的一塊支撐平板(1)和多條引導(dǎo)條(2)和其它固定裝置，其表面都涂覆一層貴金屬(5)；②提供拼裝的ZnO晶片(3)的拼裝界面，即晶片拼裝的接觸面和晶體與支撐平板(1)之間的接觸面都涂覆上一層貴金屬(5)，將其烘干；③利用支撐平板(1)和引導(dǎo)條(2)和其它固定裝置將晶片(3)拼裝在一起，待用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，其特征在于所述的晶片拼裝方法是在高溫下讓兩塊晶片直接疊合在一起將第一步所得到的兩塊ZnO晶片(3)通過引導(dǎo)條(2)直接拼合到一起，操作在超凈室中進(jìn)行，以確保兩晶片緊密疊合在一起然后在垂直于晶片接觸的界面施加一定壓力，緩慢升高溫度至晶體的熔點(diǎn)以下20℃，恒溫一段時間，緩慢冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，其特征在于所述的貴金屬為鎳、銀、金或鉑。
全文摘要
一種適用于水熱法生長大尺寸ZnO晶體的大尺寸ZnO籽晶的拼裝方法，其特征在于該方法包括以下步驟①獲取兩塊或者兩塊以上的ZnO晶片，該ZnO晶片的寬度和厚度完全相等，晶片的四個面高度平整且兩兩平行，誤差小于10″；②大尺寸ZnO的籽晶的拼裝，以獲得用于生長大尺寸ZnO的籽晶。通過本發(fā)明拼裝的籽晶可以生長得到大尺寸、高質(zhì)量的ZnO晶體。
文檔編號C30B7/10GK1737214SQ200510027008
公開日2006年2月22日 申請日期2005年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日
發(fā)明者杭寅, 宋詞, 夏長泰, 張連翰, 周圣明, 徐軍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所