Способ выращивания кристаллов оксида цинка

Изобретение относится к производству синтетических кристаллов, в частности к способам получения кристаллов оксида цинка, которые могут быть использованы в пьезотехнике, акустооптоэлектронике и других областях науки и техники. Способ выращивания кристаллов оксида цинка в гидротермальных условиях заключается в перекристаллизации шихты из раствора едкого калия с добавлением ионов Li⁺ в герметичных сосудах из коррозионно-стойкого материла на ориетированные параллельно моноэдрическим граням (0001) затравочные пластины, вырезанные из предварительно выращенных гидротермальных кристаллов оксида цинка, при этом в шихту дополнительно вводят нитрид галлия в количестве 0,01-0,5% от ее веса. Использование в шихте азотсодержащего вещества приводит к тому, что при захвате ионов азота решеткой в оксиде цинка возникает дырочная проводимость. Но этот захват осуществляется только при наличии ионов галлия, необходимых для попадания азота именно в решетку, а не в междоузлия, что обеспечивает кристаллам проводимость р-типа.

 

Изобретение относится к производству синтетических кристаллов, в частности к способам получения кристаллов оксида цинка, которые обладают пьезоэлектрическими и полупроводниковыми свойствами, а также имеют высокий коэффициент электромеханической связи и могут быть использованы в пьезотехнике, акустооптоэлектронике и других областях науки и техники.

Известен способ получения кристаллов оксида цинка, включающий гидротермальное выращивание монокристаллов оксида цинка из щелочного раствора в присутствии ионов Li⁺ на затравочные пластинки оксида цинка (ZnO), вырезанные параллельно (0001) и (10-10) из выращенных предварительно гидротермальных кристаллов оксида цинка, в автоклавах, футерованных серебряным вкладышем «плавающего» типа, закрывающимся тефлоновой крышкой (Лобачев А.Н. и др. Окись цинка. Выращивание и некоторые физические свойства». В сб.: «Рост кристаллов из высокотемпературных водных растворов». М., «Наука», 1977, с.158).

Однако при проведении синтеза кристаллов в соответствии с этим способом возникают проблемы с герметизацией таких футеровок из-за низкой прочности благородных металлов, что приводит к образованию большого количества кристаллов спонтанного зарождения и затрудняет получение высококачественных кристаллов.

Известен также способ выращивания кристаллов оксида цинка в гидротермальных условиях путем перекристаллизации шихты оксида цинка из раствора едкого калия с добавлением ионов Li⁺ на ориетированные параллельно моноэдрическим граням (0001) затравочные пластины, вырезанные из предварительно выращенных гидротермальных кристаллов оксида цинка в герметичных сосудах с футеровкой из титанового сплава или никеля (патент РФ №2198250, МПК С30В 7/10, С30В 29/16, 2003).

Данный способ является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату.

Однако в соответствии с этим способом можно получить только объемные кристаллы с n-проводимостью, в то время как для некоторых перспективных электронных устройств необходимо наличие p-n-переходов, т.е. слои с p-типом проводимости.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение в гидротермальных условиях кристаллов оксида цинка с проводимостью p-типа.

Поставленная техническая задача в соответствии с предлагаемым изобретением решается тем, что в способе выращивания кристаллов оксида цинка в гидротермальных условиях путем перекристаллизации шихты из раствора едкого калия с добавлением ионов Li⁺ в герметичных сосудах из коррозионно-стойкого материла на ориентированные параллельно моноэдрическим граням (0001) затравочные пластины, вырезанные из предварительно выращенных гидротермальных кристаллов оксида цинка, в шихту дополнительно вводят нитрид галлия в количестве 0,01-0,5% от ее веса.

Способ выращивания кристаллов оксида цинка осуществляется следующим образом.

В герметичный сосуд из коррозионно-стойкого материала, в нижнюю его часть, помещают шихту из оксида цинка, в которую добавляют 0,01-0,5% от ее веса нитрида галлия, затем в сосуд заливают водный раствор едкого калия. При нагреве шихта растворяется и конвекцией переносится в верхнюю часть сосуда, где подвешены затравочные кристаллы, на которых происходит рост кристаллов.

Пример конкретного осуществления способа.

В нижнюю часть (зону растворения) вкладыша из титанового сплава или никеля емкостью 2 л помещают шихту из оксида цинка марки «ОСЧ» и добавляют нитрид галлия (GaN) в количестве 2-10 г. В верхнюю часть (зону кристаллизации) подвешивают затравочные кристаллы в виде пластинок, ориентированных параллельно моноэдрическим граням (0001). Во вкладыш заливают водный раствор 4 моль КОН+0,5 моль LiOH. Футеровку герметизируют и помещают в автоклав емкостью 24 л, который заливают дистиллированной водой. Автоклав герметизируют и нагревают. В режиме устанавливают температуру зоны кристаллизации 420°С, зоны растворения 430°С, температурный перепад 10°С. Длительность выращивания 100 суток. Затем автоклав охлаждают и извлекают выращенные кристаллы.

Использование в предлагаемом способе азотсодержащего вещества приводит к тому, что при захвате ионов азота решеткой в оксиде цинка возникает дырочная проводимость. Но этот захват осуществляется только при наличии ионов галлия, необходимых для попадания азота именно в решетку, а не в междуузлия, т.е. предлагаемый способ позволяет обеспечить наличие в кристаллах дырочной проводимости, что было подтверждено проведенными экспериментами.

Способ выращивания кристаллов оксида цинка в гидротермальных условиях путем перекристаллизации шихты из раствора едкого калия с добавлением ионов Li⁺ в герметичных сосудах из коррозионно-стойкого материла на ориентированные параллельно моноэдрическим граням (0001) затравочные пластины, вырезанные из предварительно выращенных гидротермальных кристаллов оксида цинка, отличающийся тем, что в шихту дополнительно вводят нитрид галлия в количестве 0,01-0,5% от ее веса.