制备n型氧化锌半导体透明陶瓷的方法技术

本发明专利技术涉及制备透明、低阻氧化锌半导体陶瓷的方法，特别是一种热压烧结法制备ｎ型氧化锌半导体透明陶瓷的方法，是以粉体ＺｎＯ为原料，在压力为２～５．１ＧＰａ、温度为４００～９００℃条件下热压烧结获得ｎ型ＺｎＯ多晶半导体透明陶瓷。该方法制备的ｎ型ＺｎＯ半导体透明陶瓷，其透过率为３０～６７％、载流子浓度为１．０×１０↑［１２－１８］ｃｍ↑［－３］、电阻率为１×１０↑［０．１－２］Ω．ｃｍ、迁移率为０．０１～２６ｃｍ↑［２］．Ｖ↑［－１］．Ｓ↑［－１］。本发明专利技术方法所获得的ｎ型ＺｎＯ多晶体半导体透明陶瓷结晶质量好、制备重复性好、适于工业化生产，为光电器件制造技术领域提供了特别适用的优质新材料。

Method for preparing N type Zinc Oxide Semiconductor Transparent Ceramic

The invention relates to a method for preparing transparent, low resistivity Zinc Oxide semiconductor ceramics, in particular to a method for preparing N type Zinc Oxide semiconductor transparent ceramic hot pressing method, with ZnO powder as raw material, under the pressure of 2 ~ 5.1GPa, the temperature is 400 to 900 DEG C under the condition of hot pressing sintering n type ZnO polycrystalline semiconductor transparent ceramics. N type semiconductor ZnO transparent ceramic prepared by this method, the transmission rate is 30 ~ 67%, the carrier concentration is 1 * 10 = 12 - 18, - 3, CM = 10 = a resistivity of 1 x 0.1 - 2 Omega.Cm, the migration rate is 0.01 ~ 26cm = 2.V the arrow - 1,.S = - 1. N ZnO of the invention has the crystal semiconductor crystal transparent ceramic preparation of good quality, good repeatability, and is suitable for industrial production, manufacturing technology in the field of optoelectronic devices to provide high-quality new materials especially for the.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制备透明、低阻氧化锌半导体陶瓷的方法，特别是一种热压 烧结法。
技术介绍
氧化锌(ZnO)是一种宽带半导体多功能材料，和氮化镓相比，具有更 高的热稳定性和化学稳定性，无污染，对衬底没有苛刻的要求，并且可以用 多种方法来制备氧化锌薄膜，生长所需的衬底温度也比氮化镓低的多，其很 高的激子束缚能，使得其在室温下会获得高效的紫外激子发光和激光。自1996 年香港科学家首次报道了氧化锌薄膜室温下的近紫外光泵浦受激光发射以 来，已经有许多关于用不同方法在不同衬底上生长ZnO薄膜的报道，对ZnO 薄膜的光学性质以及p型ZnO掺杂在n-ZnO薄膜的基础上生长P-ZnO来实现电 致发光，从而实现主要是用于LEDs,LDs等光电器件。目前，人们对于ZnO的光电性能的研究大多集中在具有高透明度的ZnO 单晶薄膜和体材料上，而对于多晶ZnO陶瓷在光电领域的应用研究较少，究 其原因ZnO为纤锌矿结构，对于光的透射存在各向异性，因此，多晶ZnO 是光学不透明的，另外，由于陶瓷中存在大量晶界，也导致ZnO陶瓷电阻率 偏高，因此不能作为光学陶瓷器件加以研究和使用。以往人们普遍认为，材 料具有岩盐矿结构制备多晶透明陶瓷的前提条件。这是因为岩盐矿结构具有光学各向同性，不会由于双折射产生散色光。例如Raytheon公司在纤锌矿结 构八1203中添加氮化物，制备出具有岩盐矿结构的AION透明陶瓷。所以至 今还没有制备n-ZnO多晶半导体透明陶瓷的方法及产品。因此如何减少和消 除纤锌矿结构ZnO的双折射，以及提高致密度将是ZnO多晶陶瓷透明的关键。这些困难也是成为制约ZnO透明陶瓷研究发展的瓶颈。近年来的研究结果表明，陶瓷材料中的晶粒尺寸小于纳米和亚微米级， 可以使具有纤锌矿结构材料的双折射的影响降低或消失。同时，高压作为除 了成分，温度以外的第三个热力学维度，不仅可以使提高粉体材料致密度，而且可以改变材料的许多物理和化学性质，如改变材料的电子结构以及常压下难以发生的化学反应。为此，我们利用高压高温技术开展了n型ZnO多 晶透明陶瓷的制备工作，以期获得高电学和光学质量，性能稳定、可重复生 产的n型ZnO多晶透明陶瓷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种，以获 得透明、低阻的多晶氧化锌半导体透明陶瓷材料，为光电器件制造
提供了特别适用的优质新材料。本专利技术，是以粉体ZnO为原料， 在压力为2 5.1GPa、温度为400 90CTC条件下热压烧结获得n型ZnO多晶 半导体透明陶瓷。用本专利技术方法制备的n型氧化锌半导体透明陶瓷，其透过率为30 67%、 载流子浓度为1.0xl012~18cn^3、电阻率为lxlOa"2Q.cm、迁移率为0.01~26cm2.本专利技术利用热压烧结法制备高质量透明、低阻ZnO半导体透明陶瓷技术， 具有以下特点l.高压是提高材料的致密度以及减小晶界空隙的有效方法， 因而用高压法烧结的透明、低阻ZnO半导体陶瓷结晶质量好，重复性高，适 于工业化生产；2.有效的解决了至今无法获得在相关工业上具有实用价值的 透明、低阻的ZnO多晶陶瓷。采用这种方法烧结的高质量透明、低阻ZnO半导 体陶瓷为下一步在其上生长P-ZnO，实现电致发光以及实现主要是用于LED、紫外探测器器件的制备提供了优质的同质材料，有效提高光电器件的技术性 能。3.本专利技术方法工艺简捷易行，适于规模化生产。 具体实施例方式以下通过实施对本专利技术作进一步详细阐述。本专利技术制备n型氧化锌半导体透明陶瓷，是以粉体ZnO为原料，以六面 顶压机作为生产设备，在压力为2 5.1GPa、温度为400 90(TC条件下热压烧 结制得透明、低阻的ZnO多晶陶瓷。其具体做法是将粒径为0.2-0.8 um、 纯度为5N的粉体ZnO预压成型后装入叶腊石模块腔体内，将该装有ZnO的 叶腊石模块置入六面顶压机压力室中加压，当压力达到设定的工作压力后通 过电流将模块ZnO加热至设定的工作温度，在此设定的工作压力和温度下保 温保压20分钟，卸压冷却脱模后即获得透明、低阻的ZnO多晶陶瓷。按本方法获得的n型氧化锌半导体透明陶瓷，其特征是该材料的透过率 为30 67%、其载流子浓度为1.0xl012~18cm'3、电阻率为lxlOai—2acm、迁 移率为0.01 26cm2. V". S"。通过以下实施例说明原材料粉体ZnO的粒度、工作压力和温度对制备的 ZnO多晶体材料性能的影响。实施例1在固定的压力和温度条件下，采用不同粒度的ZnO，进行热压烧结。 选用粒度分别为A: 0.2~0.3um， B: 0.7~0.8um， C: 0.2-0.8 um的三组高 纯ZnO作原材料，在压力为4.5GPa、温度为78(TC条件下，烧结20分钟。对上述三组粒度原材料分别烧结出的透明、低阻ZnO多晶体，用紫外透 射光谱及霍耳效应测量结果是透过度A组2B组〉C组，电阻率A组〈B 组〈C组，见表一。通过XRD表征，其结构与常压烧结ZnO相同，均为六方结 构，但其特征峰均发生红移，通过计算，我们发现，A组的晶胞体积縮小最 大约为17%，通过三组粒径原材料合成获得的ZnO多晶陶瓷的透过率、电阻率的比较，说明原材料粒径相对均匀(即粒径尽量趋于一致)有利于结晶质 量的提高。表一<table>table see original document page 6</column></row><table>实施例2以粒度0.2-0.3um的高纯(5N)ZnO为原料，在5.1GPa的固定工作压力条件 下，在不同的工作温度下烧结20分钟，所获得的ZnO多晶陶瓷的质量比较试验。在400 90(TC区间内，采用不同的烧结温度分别制备出的ZnO陶瓷，通过 紫外透射光谱以及霍耳效应测量结果表明在工作温度为750 80(TC条件下所获得的多晶陶瓷的透过率在55 67X 以上，而其它工作温度条件下所获的多晶陶瓷的透过率均小于55%;在750 80(TC工作温度下所获的多晶陶瓷的电阻率小于0.7Q.cm;同时样品颜色也有 较大的区别400 75(TC工作温度条件下所获的多晶体颜色由黄逐渐变黑-深 红-红-浅红,750 80(TC工作温度条件下所获的多晶陶瓷颜色由浅红逐渐变黄 -浅黄,800 900°C工作温度条件下所获的多晶陶瓷颜色由浅黄逐渐变白-黄， 见表二。表二<table>table see original document page 6</column></row><table>通过以上试验结果表明本专利技术方法制备透明、低阻氧化锌半导体陶瓷的最佳工作温度为750 800。C 。 实施例3以粒径0.2-0.3um的ZnO为原料，在750 800"C工作温度条件下，在不同 的工作压力下烧结20分钟，所获得的ZnO多晶半导体陶瓷的质量比较试验。采用不同的烧结温度分别制备出的ZnO多晶半导体陶瓷，通过紫外透射 光谱以及霍耳效应测量结果表明工作压力为4.5 5.1GPa条件下所获的多晶体的透过率高、而电阻率低， 颜色浅黄；工作压力为2 4.5GPa条件下所获的多晶体的透过率高且电阻率 低，体材料颜色黄，有裂纹，见表三。上述实验结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备ｎ型氧化锌半导体透明陶瓷的方法，其特征在于，是以粉体ＺｎＯ为原料，在压力为２～５．１ＧＰａ、温度为４００～９００℃条件下热压烧结获得ｎ型ＺｎＯ多晶半导体透明陶瓷。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：秦杰明，姚斌，张吉英，申德振，赵东旭，张振中，李炳辉，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]