作為GaN基LED的襯底材料的Al₂O₃透明陶瓷及其制備方法

專利名稱：作為GaN基LED的襯底材料的Al₂O₃透明陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發明屬于特種陶瓷制備工藝技術領域，涉及一種α-Al2O3透明陶瓷及其制備方法，具體涉及作為GaN基LED的襯底材料的α -Al2O3透明陶瓷及其制備方法。
背景技術：
自從1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出摻Mg的同質結GaN藍光 LED，GaN基LED得到了迅速的發展。GaN基LED以其壽命長、耐沖擊、抗震、高效節能等優異特性在圖像顯示、信號指示、照明以及基礎研究等方面有著極為廣泛的應用前景。通常，GaN基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石單晶Al2O3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，在紫外從190nm至紅外5 μ m區間透光，不吸收可見光，能夠運用在高溫生長過程中；最后，藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。因此，大多數工藝一般都以藍寶石作為襯底。使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產生大量缺陷，同時給后續的器件加工工藝造成困難。盡管如此，藍寶石仍然是GaN最重要和應用最廣的襯底材料。藍寶石沿C軸生長工藝成熟，成本相對較低，物化性能穩定，在C面生長GaN多晶的技術成熟穩定，因此最常用作GaN多晶生長的是C面(0001)這個不具極性的面。C軸是 GaN的極性軸，沿C軸生長會導致GaN基器件有源層量子阱中出現很強的內建電場，發光效率會因此降低。藍寶石R-Plane和M-Plane主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜， 以提高發光效率，發展非極性面GaN外延生長，可以提高發光效率。Al2O3熔點高(2045°C)，單晶的生長成本高，周期長。而Al2O3透明陶瓷具有與單晶相同的晶體結構和相似的物化性能，從紫外190nm至紅外5 μ m區間透光，不吸收可見光，同時陶瓷固相燒結溫度遠低于其熔點，制備成本低，易制備大尺寸樣品，適合規模化生產。并且陶瓷為多晶，各向同性，不存在特定的C-Plane面，有利于生長非極性/半極性面GaN外延薄膜，可以提高發光效率。同時在Al2O3陶瓷制備過程，也可以通過強磁場來控制晶粒的定向生長，提高陶瓷的透明度和獲得適合GaN生長的特定的晶面。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種作為GaN基LED的襯底材料的Al2O3透明陶瓷，該襯底材料與單晶藍寶石具有完全相同晶體結構和物化性能，同時在紫外到紅外區間完全透光、不吸收可見光。本發明還要解決的技術問題是提供上述Al2O3透明陶瓷的制備方法。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下作為GaN基LED的襯底材料的Al2O3透明陶瓷的制備方法，它包括如下步驟
(1)采用高純A1203、MgO為原料，以Al2O3為基體材料，MgO為燒結助劑；所述的高純為純度在99. 9%以上，MgO的摻入質量為Al2O3質量的0. 05 0. 5% ；(2)將步驟(1)所述的基體材料和燒結助劑攪拌混勻，混合料在蒸餾水中混磨8 24小時；(3)將步驟( 得到的物料在100 150°C下烘干，然后加入質量百分濃度為5 8%的粘結劑聚乙烯醇水溶液，加入量為烘干后混合物料質量的3 5 %，并進行造粒；(4)將步驟(3)得到的粉粒在180 220MI^冷等靜壓下壓成片狀試樣，然后在 800 1000°C下預燒5 10小時將粘結劑去除；(5)將步驟(4)預燒后的物料放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進行燒結，燒結溫度范圍為1650 1800°C，燒結時間為5 20小時，獲得致密透明的α -Al2O3陶瓷；(6)將步驟(5)得到的α-Al2O3陶瓷經常規切片、研磨、拋光工序，用作GaN薄膜襯底。作為本發明的一種優選方式，為了獲得適合特定晶向的透明α-Al2O3陶瓷，在步驟⑶和步驟⑷之間，增加一個步驟，即將步驟⑶得到的粉粒在強磁場作用下進行干壓成型。其中，所述的磁場強度為20 30Τ。經過強磁場作用壓制的陶瓷素坯，經高溫燒結后，直線透過率大大提高，說明陶瓷晶粒定向生長。該透明陶瓷可以滿足GaN薄膜沿特定晶面生長的要求。上述制備方法獲得的作為GaN基LED的襯底材料的Al2O3透明陶瓷也在本發明的保護范圍之內。有益效果本發明與現有技術相比具有如下優勢1、本發明的α -Al2O3透明陶瓷具有與Al2O3單晶完全相同的晶體結構和相似的物化性能，從紫外190nm至紅外5 μ m區間透光，不吸收可見光，而陶瓷固相燒結溫度遠低于其熔點，因此α-Al2O3透明陶瓷可采用陶瓷固相燒結工藝制備，而無需采用昂貴的鉬金坩堝和設備。2、在Al2O3陶瓷制備過程，可以通過強磁場來控制晶粒的定向生長，提高陶瓷的透明度和獲得適合GaN生長的特定的晶面。3、陶瓷工藝容易制備大尺寸產品，成本低，適宜規模化生產；最后多晶陶瓷在統計學上的各向同性特性，可能有助于生長非極性/半極性面GaN外延薄膜，提高LED發光效率。
具體實施例方式根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用于說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。實施例1 (1)采用高純Al2O3、高純MgO為原料，以Al2O3為基體材料，MgO為燒結助劑；所述的高純為純度在99. 9%以上，MgO的摻入質量為Al2O3質量的0. 1% ；(2)將步驟(1)所述的基體材料和燒結助劑攪拌混勻，混合料在蒸餾水中混磨M 小時；
4
(3)將步驟(2)得到的物料在150°C下烘干，然后加入質量百分濃度為5%的粘結劑聚乙烯醇水溶液，加入量為烘干后混合物料質量的5 %，并進行造粒；(4)將步驟(3)得到的粉粒在220MI^冷等靜壓下壓成片狀試樣，然后在1000°C下預燒5小時將粘結劑去除；(5)將步驟(4)預燒后的物料放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進行燒結，燒結溫度為 1700°C，燒結時間為10小時，獲得致密透明的α -Al2O3陶瓷；(6)將步驟(5)得到的α-Al2O3陶瓷經常規切片、研磨、拋光工序，用作GaN薄膜襯底。所得透明α-Al2O3陶瓷樣品的體積密度根據Achimedes原理采用排水法測定，計算得到其相對體積密度為99. 6%，接近于理論密度，符合透明陶瓷體積密度要求。樣品放入85%濃度的磷酸進行化學腐蝕后采用SEM觀察顯微形貌，腐蝕條件為 2200C，10分鐘。SEM照片顯示樣品結構致密，晶粒尺寸為40 50 μ m。實施例2 本實施例所用粉體原料的純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于燒結溫度為1650°C，燒結時間為20小時。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。結果顯示本實施例中樣品的相對體積密度為99. 5%，顯微結構致密，晶粒尺寸在40 μ m左右，與實施例1中樣品的基本一致。實施例3 本實施例所用粉體原料的純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于燒結溫度為1800°C，燒結時間為5小時。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。結果顯示本實施例中樣品的相對體積密度為99. 5%，顯微結構較致密，晶粒尺寸在50 60 μ m之間。實施例4 本實施例所用粉體原料的純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于MgO的摻入質量為Al2O3質量的0. 5%。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。結果顯示本實施例中樣品的相對體積密度為99. 7%，比實施例1中樣品有所提高。樣品顯微結構致密，基本不存在微氣孔，晶粒尺寸小于實施例1中樣品，在40 μ m左右。實施例5 本實施例所用粉體原料的純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于MgO的摻入質量為Al2O3質量的0. 05%。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。結果顯示本實施例中樣品的相對體積密度為99. 5%。樣品顯微結構較為致密，基本不存在微氣孔，晶粒尺寸大于實施例1中樣品，在在50 60 μ m之間。實施例6 本實施例所用粉體原料的純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于混合料在蒸餾水中混磨8小時。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。計算得到其相對體積密
5度為99. 6%，符合透明陶瓷體積密度要求。SEM照片顯示樣品結構致密，晶粒尺寸為40 50 μ m0實施例7 本實施例所用粉體原料的純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于混合料在蒸餾水中混磨15小時。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。計算得到其相對體積密度為99. 6%，符合透明陶瓷體積密度要求。SEM照片顯示樣品結構致密，晶粒尺寸為40 50 μ m0實施例8 本實施例所用粉體原料的純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于步驟O)中加入的聚乙烯醇水溶液粘結劑質量百分濃度為8%。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。計算得到其相對體積密度為99. 6%，符合透明陶瓷體積密度要求。樣品結構致密，晶粒尺寸為40 50 μ m。實施例9 本實施例所用粉體原料的純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例1中的完全相同。不同之處在于步驟O)時粘結劑加入量為烘干后混合物料質量的3%。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。計算得到其相對體積密度為99. 6%，晶粒尺寸在40到50 μ m之間，與實施例1中的基本一致。實施例10 (1)采用高純Al2O3、高純MgO為原料，以Al2O3為基體材料，MgO為燒結助劑；所述的高純為純度在99. 9%以上，MgO的摻入質量為Al2O3質量的0. 1% ；(2)將步驟(1)所述的基體材料和燒結助劑攪拌混勻，混合料在蒸餾水中混磨M 小時；(3)將步驟( 得到的物料在100°C下烘干，然后加入質量百分濃度為5%的粘結劑聚乙烯醇水溶液，加入量為烘干后混合物料質量的5 %，并進行造粒；(4)將步驟C3)得到的粉粒在強磁場作用下進行干壓成型，其中，所述的磁場強度為 20T ；(5)將步驟(4)得到的物料在ISOMPa冷等靜壓下壓成片狀試樣，然后在800°C下預燒8小時將粘結劑去除；(6)將步驟(5)預燒后的物料放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進行燒結，燒結溫度為 1700°C，燒結時間為10小時，獲得致密透明的α -Al2O3陶瓷；(7)將步驟(6)得到的α-Al2O3陶瓷經常規切片、研磨、拋光工序，用作GaN薄膜襯底。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。結果顯示本實施例中樣品的相對體積密度為99. 7%左右。樣品顯微結構較為致密，基本不存在微氣孔。在正交偏光顯微鏡下，360°旋轉載物臺，樣品表面出現4次消光，其中70%以上的晶粒在同一角度時消光，說明樣品光軸呈現較好的定向效果。實施例11 本實施例所采用的粉體原料純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例10中的完全相同。不同之處在于步驟中所施加的磁場強度為25T。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。結果顯示本實施例中樣品的相對體積密度為99. 7%左右。樣品顯微結構致密，在正交偏光顯微鏡下，360°旋轉載物臺，樣品表面出現4次消光，其中80%以上的晶粒在同一角度時消光，說明樣品光軸呈現較好的定向效果。實施例12 本實施例所采用的粉體原料純度、陶瓷制備的方法和步驟與實施例10中的完全相同。不同之處在于步驟中所施加的磁場強度為30T。采用實施例1中的方法測試樣品的體積密度及顯微形貌。結果顯示本實施例中樣品的相對體積密度為99. 7%左右。樣品顯微結構致密，在正交偏光顯微鏡下，360°旋轉載物臺，樣品表面出現4次消光，其中80%以上的晶粒在同一角度時消光，說明樣品光軸呈現較好的定向效果。
權利要求
1.作為GaN基LED的襯底材料的Al2O3透明陶瓷的制備方法，其特征在于，它包括如下步驟(1)采用高純A1203、MgO為原料，以Al2O3為基體材料，MgO為燒結助劑；所述的高純為純度在99. 9%以上，MgO的摻入質量為Al2O3質量的0. 05 0. 5% ；(2)將步驟(1)所述的基體材料和燒結助劑攪拌混勻，混合料在蒸餾水中混磨8 M 小時；(3)將步驟( 得到的物料在100 150°C下烘干，然后加入質量百分濃度為5 8% 的粘結劑聚乙烯醇水溶液，加入量為烘干后混合物料質量的3 5 %，并進行造粒；(4)將步驟C3)得到的粉粒在180 220MI^冷等靜壓下壓成片狀試樣，然后在800 1000°C下預燒5 10小時將粘結劑去除；(5)將步驟(4)預燒后的物料放在鉬絲氫氣爐或真空爐中，進行燒結，燒結溫度范圍為 1650 1800°C，燒結時間為5 20小時，獲得致密透明的α -Al2O3陶瓷；(6)將步驟(5)得到的Ci-Al2O3陶瓷經常規切片、研磨、拋光工序，用作GaN薄膜襯底。
2.根據權利要求1所述的GaN薄膜襯底材料Al2O3透明陶瓷，其特征在于，在步驟(3) 和步驟(4)之間，增加一個步驟，即將步驟C3)得到的粉粒在強磁場作用下進行干壓成型。
3.根據權利要求2所述的GaN薄膜襯底材料Al2O3透明陶瓷，其特征在于，所述的磁場強度為20 30Τ。
4.權利要求1 3中任意一項所述的制備方法獲得的作為GaN基LED的襯底材料的 Al2O3透明陶瓷。
全文摘要
本發明公開了一種作為GaN基LED的襯底材料的Al2O3透明陶瓷及其制備方法。本發明采用高純度α-Al2O3為基體材料，以高純度MgO為燒結助劑，在較低溫度下，采用固相燒結法制備α-Al2O3透明陶瓷。本發明方法適于制備大尺寸產品，成本低，適宜規模化生產。
文檔編號C04B35/10GK102503381SQ201110329850
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月27日 優先權日2011年10月27日
發明者張浩佳, 徐軍, 楊秋紅, 汪晨, 陸神洲 申請人:蘇州協鑫工業應用研究院有限公司