高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球及其制备方法技术

一种高Al组分AlxGa1‑xN三元合金微晶球及其制备方法，属于半导体合金材料制备的技术领域。该微晶球是不同Al组分纤锌矿结构AlxGa1‑xN三元合金晶体，Al组分可调范围为0.77≤x＜1，该微晶球平均直径为5.0μm。该微晶球的制备方法为以金属铝粉、金属镓和氨气为反应原料，抽真空，以流量为300～700sccm通入氩气，10～15min后，调节氩气流量为40～60sccm，同时，通入与氩气流量相同流量的氨气，然后加热，反应温度为950～1000℃，时间1～3h，气相沉积法生长，制备出高Al组分的AlxGa1‑xN三元合金微晶球。该方法工艺简单、重复性好、无相分离、生产成本低、没有添加任何催化剂和模板，易于工业推广应用。

【技术实现步骤摘要】
高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球及其制备方法
本专利技术属于半导体合金材料制备的
，具体涉及一种高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球及其制备方法。
技术介绍
三族氮化物AlN和GaN是重要的宽禁带半导体光电材料，具有较高的直接带隙和优良的光电性能。随着GaN基蓝光LED的快速发展，更短波长紫外LED光源的研究也激起了科研工作者极大地热情。高Al组分AlGaN材料是制备紫外探测器、深紫外发光二极管、平板显示等光电器件的主流材料，由其制备的深紫外LED由于体积小、结构简单、集成性好，且寿命长、耗电低、环保无毒，比汞灯和氙灯等传统气体紫外光源有更大优势，具有巨大的社会和经济效益。此外，在医疗、杀菌、印刷、数据存储、以及保密通信等方面都有重大应用价值。目前，可以通过改变AlGaN合金中Al组分制备紫外波段的LED，Al组分的增加使其发出更短波长的发光，但是随着Al组分的增加，AlGaN合金的制备、掺杂以及发光器件制作难度高，发光效率降低。深紫外光源发光效率的主要在于缺乏合适的衬底，导致高Al组分AlGaN外延层应力大，容易开裂，影响晶体质量。微晶球外延生长中与衬底材料的晶格失配小，消除材料存在极强的应力和极化场，即可以将与衬底产生的应力大部分驰豫掉或全部消除，从而提高LED内量子效率的提高，克服沿c轴方向出光效率较低的缺点。因此，基于AlGaN合金材料优异的物理性能及其在制作技术光电器件方面有潜在的应用前景，高Al组分的AlGaN合金的制备已经引起了广泛的关注，不过高Al组分AlGaN半导体合金材料的生长仍然还面临许多困难和挑战。目前AlGaN三元合金材料的合成方法主要有：(1)氯化物化学气相沉积法；(2)金属有机物化学气相沉积(MOCVD)；(3)分子束外延(MBE)。第一种制备方法，其反应原料氯化物容易潮解，并且价格较贵。第二种MOCVD制备方法使用的反应物为有机源，需要做好防毒措施。第三种MBE方法使用的反应源简单，但是MBE方法由于自身的特点，而且它成本昂贵，不适合商业化发展。而且MOCVD和MBE方法都出现了自发相分离现象。本专利技术利用自制的气相沉积系统，以金属镓和商业铝粉为反应原料，在常压下，温区(950℃-1000℃)，通过控制反应温度以及镓源与生长衬底之间的距离，实现了AlGaN三元合金微晶球的生长。为制备高Al组分的AlxGa1-xN三元合金半导体，在硅衬底上沉积一薄层金属Al粉，实现富Al的生长环境。目前还没有利用此方法实现高Al组分可调的AlxGa1-xN三元合金微晶球的报道。
技术实现思路
本专利技术解决的关键问题是，提供一种高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球及其制备方法，该高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球，Al组分可调范围为0.77≤x＜1，微晶球的平均直径为5μm，该微晶球的制备方法为以金属铝粉、金属镓和氨气为反应原料，反应温度范围950℃-1000℃，气相沉积法生长，制备出高Al组分的AlxGa1-xN三元合金微晶球。该方法工艺简单、重复性好、无相分离、生产成本低、没有添加任何催化剂和模板，易于工业推广应用。本专利技术的一种高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球，是不同Al组分纤锌矿结构AlxGa1-xN三元合金晶体，Al组分可调范围为0.77≤x＜1，该微晶球具有规则且大小均一的球状结构，平均直径为5.0μm。所述的Al组分可调节的方式为，根据反应温度和Ga液同沉积有薄层铝粉的硅基片的距离不同可以进行调节。所述的高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球为灰白色。本专利技术的一种高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球的制备方法，包括以下步骤：步骤1，预沉积薄层铝粉(1)对硅基片进行超声处理，得到超声后的硅基片；将铝粉加入试剂中，进行超声震荡分散均匀，得到超声后的铝粉混合液；(2)将超声后的硅基片放入超声后的铝粉混合液中，自然风干，得到沉积有薄层铝粉的硅基片；其中，薄层铝粉的沉积厚度为0.5～1.0mm。步骤2，制备准备工作将金属Al粉均匀平铺于反应舟一端，将沉积有薄层铝粉的硅基片置于金属Al粉正上方垂直距离为5～6mm处，沉积有薄层铝粉的一面朝上；将Ga液滴置于反应舟另一端，Ga液与沉积有薄层铝粉的硅基片靠近Ga液端的水平距离为10～15mm；其中，按质量比，金属Al粉：Ga＝(1～2):1；将整个反应装置按上述方法布置好后，备用；步骤3，抽真空，通气，加热(1)将布置好后的反应装置放入一端开口的石英试管中，其中，布置好后的反应装置的轴线和一端开口的石英试管的轴线平行，并且反应舟放入Ga液的一端远离石英试管的开口；(2)将装有反应装置的石英试管置于水平石英管式炉的反应区，密闭，开始抽真空；当水平石英管式炉的真空度≤5Pa，通入氩气，氩气的通入流量为300～700sccm，氩气流保持10～15min后，调节氩气通入流量为40～60sccm，同时，通入氨气，按流量比，氩气：氨气＝1:1，然后开始对反应系统进行加热，升温速率为30～50℃/min，当反应系统的炉温达到设定温度为950～1000℃时，保持1～3h后，停止加热；(3)随炉冷却，当温度降至650～750℃，关闭氨气流量，持续通入氩气，保证氩气氛围，随炉冷却至室温；(4)完全冷却后，取出反应装置，沉积在薄层铝粉硅基片表面上物质即为AlxGa1-xN三元合金微晶球。所述的步骤1(1)中，所述的对硅基片进行超声处理具体步骤为：用去离子水或乙醇对硅基片进行超声清洗，其目的在于超声清洗硅基片的表面杂质。所述的步骤1(1)中，所述的铝粉的纯度为≥99.999％，其平均粒径为5～10μm。所述的步骤1(1)中，所述的铝粉超声震荡的试剂为乙醇、甲醇、丙酮或己烷中的一种或几种混合，试剂的加入量为以铝粉在试剂中充分分散为准；所述的步骤1(1)中，所述的超声震荡的时间为10～60min。所述的步骤2中，所述的金属Al粉的纯度为≥99.999％，其平均粒径为5～10μm。所述的步骤2中，将沉积有薄层铝粉的硅基片作为生长衬底。所述的步骤2中，所述的反应舟为氧化铝陶瓷舟。所述的步骤3(2)中，所述的当水平石英管式炉的真空度≤5Pa，通入氩气的目的在于，对反应系统进行洗气，通入时间为10～15min。上述，通入气体的流量控制采用质量流量计。本专利技术的一种高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球及其制备方法，相比于现有技术，其有益效果在于：1.本专利技术的合成方法为一种气相传输沉积方法，其在硅基片上预沉积的一层薄铝粉是AlxGa1-xN三元合金微晶球能在硅基片衬底上外延生长的关键，硅基片上沉积的一层薄铝粉是一方面可以使AlN在硅衬底上自催化成核，从而实现AlxGa1-xN合金微晶球的外延生长，克服了常压条件下，900℃-1000℃温区纯金属源和NH3反应体系中硅衬底上无法成核、成核率低及结合力差的困难；另一方面可以提供富Al的生长环境，促使高Al组分AlxGa1-xN半导体合金的生长，且抑制相分离的现象。2.本专利技术采用的一端开口的石英试管有助于浓缩金属Ga和Al的蒸汽压浓度，金属Ga液滴与硅基片距离的不同，导致了不同Al组分AlxGa1-xN合金的形成。3.本专利技术具有反应原料简单，制备工艺简单、沉积范围较大、重复性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高Al组分AlxGa1‑xN三元合金微晶球，其特征在于，该高Al组分AlxGa1‑xN三元合金微晶球是不同Al组分纤锌矿结构AlxGa1‑xN三元合金晶体，Al组分可调范围为0.77≤x＜1，该微晶球具有规则且大小均一的球状结构，平均直径为5.0μm。

【技术特征摘要】
1.一种高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球，其特征在于，该高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球是不同Al组分纤锌矿结构AlxGa1-xN三元合金晶体，Al组分可调范围为0.77≤x＜1，该微晶球具有规则且大小均一的球状结构，平均直径为5.0μm。2.如权利要求1所述的高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球，其特征在于，所述的Al组分可调节的方式为，根据反应温度和Ga液同沉积有薄层铝粉的硅基片的距离不同可以进行调节。3.权利要求1所述的高Al组分AlxGa1-xN三元合金微晶球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，预沉积薄层铝粉(1)对硅基片进行超声处理，得到超声后的硅基片；将铝粉加入试剂中，进行超声震荡分散均匀，得到超声后的铝粉混合液；(2)将超声后的硅基片放入超声后的铝粉混合液中，自然风干，得到沉积有薄层铝粉的硅基片；其中，薄层铝粉的沉积厚度为0.5～1.0mm；步骤2，制备准备工作将金属Al粉均匀平铺于反应舟一端，将沉积有薄层铝粉的硅基片置于金属Al粉正上方垂直距离为5～6mm处，沉积有薄层铝粉的一面朝上；将Ga液滴置于反应舟另一端，Ga液与沉积有薄层铝粉的硅基片靠近Ga液端的水平距离为10～15mm；其中，按质量比，金属Al粉：Ga＝(1～2):1；将整个反应装置按上述方法布置好后，备用；步骤3，抽真空，通气，加热(1)将布置好后的反应装置放入一端开口的石英试管中，其中，布置好后的反应装置的轴线和一端开口的石英试管的轴线平行，并且反应舟放入Ga液的一端远离石英试管的开口；(2)将装有反应装置的石英试管置于水平石英管式炉的反应区，密闭，开始抽真空；当水平石英管式炉的真空度≤5Pa，通入氩气，氩气的通入流量为300～700sccm，氩气流保持10～15min后，调节氩气通入流量为40～60sccm，同时，通入氨气，按流量比，氩...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈龙海，吕伟，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21