способ получения шихты для выращивания монокристаллов с вюрцитной структурой

Формула изобретения

Способ получения шихты для выращивания монокристаллов с вюрцитной структурой состава LiMeO₂, включающий смешивание оксида металла, входящего в состав формулы монокристалла, с карбонатом лития, взятых в стехиометрическом соотношении и спекание в тигле, отличающийся тем, что перед смешиванием соединения элементов, входящих в состав формулы монокристалла LiMeO₂, где Ме - алюминий или галлий, предварительно подвергают измельчению до размера частиц не более 2 мкм и нагреванию в пределах устойчивости этих соединений, а спекание осуществляют при температуре, составляющей 87-88% от температуры плавления соответствующего монокристалла, в течение 6 ч в алундовом тигле.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к получению поликристаллической шихты для выращивания оксидных монокристаллов из расплавов, а именно монокристаллов с вюрцитной структурой состава LiMeO ₂ - перспективных материалов для изготовления подложек для эпитаксиального роста нитрида галлия.

Известен способ получения соединений с вюрцитной структурой, например метаалюмината лития, путем спекания карбоната лития с оксидом алюминия в расплаве карбонатов натрия и калия эвтектического состава (Kinoshita B.A., Sim W., Askerman J.P. Preparation and characterization of Li-auminate//Mat. Ress. Bull. 1978. V.13. N.5. P.445-455). Bpeмя синтеза при 640°С составляет 72 ч. Недостатком данного способа получения метаалюмината лития является невозможность получения его в компактном виде, продолжительное время синтеза, а также загрязнение калием и натрием, которые являются нежелательными примесями при выращивании монокристаллов метаалюмината лития.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ получения моноалюмината лития с вюрцитной структурой путем спекания карбоната лития с оксидом алюминия (Н.А.Lеnmann, H.Hesselbarth. Uber eine neue Modifikation des LiAlO₂// Z.Anorg. Allgem.Chem. 1961. Bd. 313. S.117-120). По этому способу спекание соединений проводят при температуре 600°С в течение длительного времени 86-120 часов. Недостатком данного способа является низкая температура синтеза, что не позволяет получить поликристаллическую шихту в компактном рациональном виде.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительного, экономически выгодного способа получения шихты в компактном рациональном виде - в форме профилированных таблеток любого диаметра с целью выращивания высококачественных монокристаллов с вюрцитной структурой состава LiMeO₂, использующихся для изготовления подложек для эпитаксиального роста нитрида галлия.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в известном способе получения шихты для выращивания монокристаллов с вюрцитной структурой состава LiMeO₂, включающем смешивание оксида металла, входящего в состав формулы монокристалла, с карбонатом лития (Li₂ CO₃), взятых в стехиометрическом соотношении, и термообработку в тигле, перед смешиванием соединения элементов, входящих в состав формулы монокристалла LiMeO₂, где Me - алюминий (Al) или галлий (Ga), предварительно подвергают измельчению до размера частиц не более 2 мкм и нагреванию в пределах устойчивости этих соединений, а спекание осуществляют при температуре, составляющей 87-88% от температуры плавления соответствующего монокристалла в течение 6 часов в алундовом тигле.

Сопоставительный анализ предполагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что перед смешиванием соединения элементов, входящих в состав формулы монокристалла LiMeO ₂, где Ме - Аl (алюминий) или Ga (галлий), подвергают измельчению до размера частиц не более 2 мкм и нагреванию в пределах устойчивости этих соединений, а спекание осуществляют при температуре, составляющей 87-88% от температуры плавления соответствующего монокристалла, в течение 6 часов в алундовом тигле.

Предварительное измельчение соединений карбоната лития Li₂CO₃ и оксида металла Аl₂О₃ или Ga₂О₃ до смешивания позволяет увеличить площадь взаимодействия реагирующих частиц, что в конечном итоге увеличивает скорость синтеза соединений, тем самым увеличивает производительность процесса. Измельчение соединений до размера частиц не более 2 мкм обеспечивает оптимальные результаты. Недостаточное измельчение частиц, а именно до размера более 2 мкм, замедляет скорость взаимодействия этих частиц или увеличивает время, необходимое для этого взаимодействия, а это экономически невыгодно.

После измельчения, соединения элементов, перед смешиванием, каждый по отдельности, подвергают нагреванию в пределах устойчивости каждого из них, достигая верхней границы этого предела и не превышая его, что предотвращает последующее нарушение стехиометрии расплава, а следовательно, обуславливает исключение выращивания некондиционных кристаллов. Нагревание до температуры выше предела устойчивости хотя бы одного из них приводит к нарушению стехиометрии расплава при наплавлении синтезированной шихты, что в конечном итоге ухудшает качество выращиваемых монокристаллов.

Спекание смесей карбоната лития с оксидом алюминия (Li ₂СО₃+Аl₂О₃) или карбоната лития с оксидом галлия (Li₂СО₃+Ga₂ O₃) при температурах, составляющих 87-88% от температуры плавления соответствующего кристалла, позволяет предотвратить расплавление шихты на стадии ее синтеза, а следовательно, ее взаимодействие со стенками тигля, и позволяет получать ее в рациональном компактном виде - в форме профилированных таблеток. Спекание смесей при температурах ниже нижнего предельного значения не позволяет получать шихту в компактном виде в форме профилированных таблеток диаметром 86-100 мм, а следовательно, обеспечить полную загрузку тигля, из которого осуществляется последующий рост соответствующего монокристалла. Спекание же смесей при более высокой температуре, выше верхнего предельного значения, приводит к прилипанию их к стенкам тигля, что свидетельствует о начале их взаимодействия с материалом тигля, и, как следствие этого, происходит загрязнение полученной шихты и последующий рост некачественных кристаллов.

Спекание смесей в течение 6 часов достаточно для получения шихт в рациональном экономическом виде в форме профилированных таблеток металюмината лития - LiAlO₂ или метагаллата лития - LiGaO₂ диаметром 86-100 мм, которые позволяют при выращивании соответствующих монокристаллов получать более качественные кристаллы за счет исключения нарушения стехиометрического состава шихт.

Спекание смесей менее 6 часов не дает возможности получать таблетированную шихту (таблетки рассыпаются), обуславливающую высокое качество выращиваемых кристаллов, а выдержка более 6 часов экономически нецелесообразна.

Пример конкретного выполнения.

Исходные соединения элементов - карбонат лития (Li₂СО₃) и оксид металла, входящий в состав формулы монокристаллов - оксид алюминия (Аl₂О ₃) или оксид галлия (Ga₂О₃) до смешивания, каждый по отдельности, подвергают измельчению до размера частиц не более 2 мкм, а затем нагреванию в пределах устойчивости этих соединений. Нагревание карбоната лития проводят при температуре в пределах устойчивости этого соединение, достигая его верхней границы - 100°С, чтобы исключить разложение на оксид лития и углекислый газ. Нагревание оксида алюминия и оксида галлия проводят, нагревая соеднение до температуры 600°С, при которой данные оксиды устойчивы. После предварительной обработки соединений готовят 1240,4 г смеси (масса каждой их трех таблеток), содержащей карбонат лития и соответствующий оксид металла в стехиометрическом соотношении 1:1. Смесь тщательно перемешивают в полиэтиленовой банке с использованием смесителя типа “пьяная бочка”. Затем смесь загружают в алундовый тигель, а именно в пространство между его внутренними стенками и алундовой трубкой, установленной в центральной части тигля. Подготовленный тигель со смесью соединений подвергают спеканию при температуре, составляющей 87-88% от температуры плавления соответствующего получаемого монокристалла (метагаллата или метаалюмината лития), в течение 6 часов. В результате получаем профилированные таблетки шихты для выращивания монокристаллов метаалюмината или метагаллата лития с вюрцитной структурой. Результаты опытов сведены в таблицу.

Предложен высокопроизводительный, экономически выгодный способ получения шихты для выращивания монокристаллов с вюрцитной структурой состава LiMeO₂ , где Me - Al или Ga, позволяющий:

- получать профилированные таблетки качественной шихты необходимой массы и размеров при выращивании из него монокристалла;

- избежать нарушения стехиометрии расплава, так как синтезированные таблетки полностью используются при наплавлении их в иридиевый тигель для последующего выращивания монокристаллов, а следовательно, получать однородные по своему составу монокристаллы для изготовления подложек для эпитаксиального роста нитрида галлия.