專利名稱：一種制取分子束外延級高純度金屬鎵的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制取金屬鎵的方法，尤其涉及一種制取分子?xùn)|外延級高純 度金屬鎵的方法。
背景技術(shù)：
分子?xùn)|外延是制造優(yōu)質(zhì)化合物、合金、層狀結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵技術(shù)，對于微 結(jié)構(gòu)化合物半導(dǎo)體的發(fā)展起了決定性的作用，推動了微電子科學(xué)的發(fā)展，并在 催生納電子科學(xué)的誕生，顯示了強大的力量。
分子束外延需要極高純度的金屬鎵作為鎵源,鎵源的純度要達到8N的標(biāo)準(zhǔn)， 我們稱之為分子束外延級金屬鎵。世界上只有極個別的公司可以提供這種分子 束外延級金屬鎵，已經(jīng)倒閉的法國GEO公司是公認的分子?xùn)|外延級金屬鎵的供 應(yīng)商，其產(chǎn)品純度，除C、 N、 0以外，其余可用輝光放電質(zhì)譜檢出的71個雜質(zhì) 元素的含量均在檢出極限以下。分子?xùn)|外延級金屬鎵的生產(chǎn)工藝需要考慮原料 中可能存在的雜質(zhì)、處理過程中可能引入的污染，采取不同的除去雜質(zhì)的工藝 和防止、減少污染的措施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種制取分子?xùn)|外延級高純度金屬 鎵的方法，純度達到可用輝光放電質(zhì)譜檢出的雜質(zhì)元素，包括C、 N、 0在內(nèi)， 含量均在檢出極限以下。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種制取分子束外延級高純度金屬鎵的方法，包 括以下步驟將液態(tài)鎵真空抽慮，除去液態(tài)鎵內(nèi)部包絡(luò)的固體顆粒和表面的氧 化膜浮渣；對液態(tài)鎵進行化學(xué)萃取，除去鎵中的鋅、銅等雜質(zhì)；電解精煉液態(tài) 鎵，進一步提純；采用縱向溫度梯度凝固法，進一步提純；精煉的鎵表面不用 鹽酸保護，不用有機試劑處理，以干燥狀態(tài)保護。
真空抽慮時，液態(tài)鎵溫度為45°C-5(TC。
化學(xué)萃取的容器底部有孔，壓縮氣體通過所述孔鼓入萃取容器。 電解鎵時，電極引線由固體金屬鎵制成，固體金屬鎵引線上設(shè)有冷卻裝置。 電解鎵時，電解槽上部設(shè)有遮蓋裝置，所述電解槽底部設(shè)有指狀隔板，將
3電解槽底部分為相互隔絕的兩部分，分別成為電解時的陰極區(qū)和陽極區(qū)。
電解鎵時包括下列步驟將數(shù)個電解槽與恒壓電源串聯(lián)連接；使電解槽中
的電解液以穩(wěn)定的流速循環(huán)流動；使循環(huán)流動電解液的溫度保持在設(shè)定的電解 溫度。
縱向溫度梯度凝固法提純裝置包括生長區(qū)、放肩區(qū)、籽晶區(qū)三部分，所述 生長區(qū)為一段圓柱形管簡，所述放肩區(qū)為與所述生長區(qū)下端連接的倒錐臺形管 筒，所述籽晶區(qū)為與所述放肩區(qū)下端連接的圓柱形盲管。
縱向溫度梯度凝固法包括如下步驟將金屬鎵籽晶放入所述籽晶區(qū)；將35 。C到4(TC液態(tài)金屬鎵注入所述提純裝置；對所述籽晶區(qū)進行冷卻，所述籽晶區(qū) 的冷卻溫度為0°C-5'C。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是金屬鎵純度達到可用輝光放電 質(zhì)譜檢出的雜質(zhì)元素，包括C、 N、 0在內(nèi)，含量均在檢出極限以下；本發(fā)明裝 置機抅簡單、方法搡作方便、提純定量控制便捷，適合于大規(guī)模生產(chǎn)；大大降 低了極高純度金屬鎵的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，奠定了極高純度金屬鎵材 料的未來廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。


圖i為本發(fā)明流程圖2為半封閉式指狀隔板電解槽結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為縱向溫度梯度凝固法提純裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作詳細描述。
實施例l:如圖1所示， 一種制取分子束外延級高純度金屬鎵的方法，包括 以下步驟液態(tài)鎵過濾，將45'C液態(tài)鎵真空抽慮，除去液態(tài)鎵內(nèi)部包絡(luò)的固體 顆粒和表面的氧化膜浮渣；
液態(tài)鎵化學(xué)萃取，對液態(tài)鎵進行化學(xué)萃取，除去鎵中的鋅、銅等雜質(zhì)，萃 取裝置包括萃取容器，萃取容器底部有孔，壓縮氣體通過所述孔鼓入所述萃取 容器，所述孔設(shè)有單向閥片，防止萃取容器內(nèi)液體流出。壓縮氣體可以是惰性 氣體或者是經(jīng)凈化的空氣，當(dāng)壓縮氣體從萃取容器底部鼓入時，會對處于容器 下部的液態(tài)鎵產(chǎn)生激烈的攪動，使密度較大液態(tài)鎵與密度較小的水溶液化學(xué)試 劑充分接觸，形成氣流擾動萃取效果，大大提高了萃取效率。實驗數(shù)據(jù)表面，將液態(tài)鎵釆用本發(fā)明裝置萃取3次，可以把液態(tài)鎵中鋅、銅的含量，分別從
500-300卯m降低到lppm以下，提純效果非常顯著；
電解精煉液態(tài)鎵，進一步提純，將數(shù)個電解槽與恒壓電源串聯(lián)連接，提髙 恒壓電源的輸出電壓，進一步降低了在每個電解構(gòu)上的^壓波動，達到使電解 電壓、電流恒定的目的；使電解槽中的電解液以穩(wěn)定的流速循環(huán)流動，電解槽 連接循環(huán)泵使電解液循環(huán)流動，控制電解液循環(huán)流動的流速并通過加熱使循環(huán) 流動的電解液保持恒溫，使循環(huán)流動電解液的溫度保持在設(shè)定的電解溫度。電 解溫度設(shè)定在5(TC,電解電壓為12. 5伏特，電解電流為35安培。有利于電解
精煉提純后鎵的一致性和提高電解效率、消除濃差極化現(xiàn)象。如圖2所示，電 解槽上部設(shè)有帶有氣孔l的蓋子2，電解槽底部設(shè)有指狀隔板4，將電解槽底部 分為相互隔絕的兩部分，分別成為電解時的陰極區(qū)3和陽極區(qū)5，陰極區(qū)和陽極 區(qū)電解時分別放置金屬鎵。電解槽加蓋后，大大減少了電解液與空氣的接觸， 避免了空氣中的二氧化碳與堿性電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，延長了電解槽的使用壽 命并大大提高了電解效率，蓋子上的氣孔又可以將電解時產(chǎn)生的氣體排出，從 而形成半封閉式電解槽；電解槽底部設(shè)有指狀隔板，改變了陰極區(qū)、陽極區(qū)分
布結(jié)構(gòu)，避免了電解時濃差極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，節(jié)約了電耗，提升電解效果；用 固態(tài)鎵作為液態(tài)鎵電極的引線，解決了液態(tài)鎵對各種金屬材料引線的腐蝕問題； 固態(tài)金屬鎵引線的使用，徹底消除了鎳對精制鎵的污染；
釆用縱向溫度梯度凝固法，進一步提純，如圖3所示， 一種金屬鎵縱向溫 度梯度凝固提純裝置，包括生長區(qū)3、放肩區(qū)5、籽晶區(qū)l三部分，所述生長3 區(qū)為一段圓柱形管簡，所述放肩區(qū)5為與所述生長區(qū)3下端連接的倒錐臺形管 簡，所述籽晶區(qū)1為與所述放肩區(qū)5下端連接的圓柱形盲管。所述籽晶區(qū)1設(shè) 有冷卻裝置，所述冷卻裝置為冷盤8，其中裝有冷卻液7。所述提純裝置由非極 性塑料Nylon制成。所述生長區(qū)3管壁設(shè)有刻度線4。包括如下步驟將金屬鎵 籽晶6放入所述籽晶區(qū)1;將液態(tài)金屬鎵2注入所述提純裝置；對所述籽晶區(qū)1 進行冷卻。所述籽晶為高純度金屬鎵。所述液態(tài)金屬鎵溫度為35°C。所述籽晶 區(qū)的冷卻溫度為(TC。通過籽晶區(qū)1的冷卻，液態(tài)金屬鎵開始從籽晶區(qū)1向放肩 區(qū)5、生長區(qū)3逐漸凝固，先凝固的固態(tài)鎵純度比后凝固的要高，根據(jù)生產(chǎn)需要， 生長區(qū)3管壁設(shè)有刻度線4可以定量的選擇金屬鎵凝固的比例，以調(diào)整鎵的純 度。為了得到極高純度的金屬鎵，需要對凝固的固態(tài)鎵再次加熱后使用上述裝 置凝固提純，如此方法直到達到要求的純度；
精煉的鎵表面不用鹽酸保護，不用有機試劑處理，以干燥狀態(tài)保護。實施例2:其與實施例1不同之處在于，液態(tài)鎵過濾，將47'C液態(tài)鎵真空抽 慮，除去液態(tài)鎵內(nèi)部包絡(luò)的固體顆粒和表面的氧化膜浮渣；采用縱向墀度梯度 凝固法，進一步提純時，凝固提純裝置由非極性塑料制成，所迷塑料為PE,所 述液態(tài)金屬鎵溫度為37°C。所述籽晶區(qū)的冷卻溫度為3°C。
實施例3:其與實施例1不同之處在于，液態(tài)鎵過濾，將5(TC液態(tài)鎵真空 抽慮，除去液態(tài)鎵內(nèi)部包絡(luò)的固體顆粒和表面的氧化膜浮渣；釆用縱向溫度梯 度凝固法，進一步提純時，凝固提純裝置由非極性塑料Teflon制成，所述液態(tài) 金屬鎵溫度為4(TC。所述籽晶區(qū)的冷卻溫度為5°C。
除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式，凡釆用等同替換或等效 變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制取分子束外延級金屬鎵的方法，其特征在于包括以下步驟將液態(tài)鎵真空抽慮，除去液態(tài)鎵內(nèi)部包絡(luò)的固體顆粒和表面的氧化膜浮渣；對液態(tài)鎵進行化學(xué)萃取，除去鎵中的鋅、銅等雜質(zhì)；電解精煉液態(tài)鎵，進一步提純；采用縱向溫度梯度凝固法，進一步提純；精煉的鎵表面不用鹽酸保護，不用有機試劑處理，以干燥狀態(tài)保護。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種制取分子束外延級金屬鎵的方法，其特征在于真 空抽慮時，液態(tài)鎵溫度為45°C-50°C。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種制取分子?xùn)|外延級金屬鎵的方法，其特征在于化 學(xué)萃取的容器底部有孔，壓縮氣體通過所述孔鼓入萃取容器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種制取分子束外延級金屬鎵的方法，其特征在于電 解鎵時，電極引線由固體金屬鎵制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種制取分子束外延級金屬鎵的方法，其特征在于所 述固體金屬鎵引線上設(shè)有冷卻裝置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種制取分子?xùn)|外延級金屬鎵的方法，其特征在于電 解鎵時，電解槽上部設(shè)有遮蓋裝置，所述電解槽底部設(shè)有指狀隔板，將電解 槽底部分為相互隔絕的兩部分，分別成為電解時的陰極區(qū)和陽極區(qū)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種制取分子束外延級金屬鎵的方法，其特征在于電 解鎵時包括下列步驟將數(shù)個電解槽與恒壓電源串聯(lián)連接；使電解槽中的電 解液以穩(wěn)定的流速循環(huán)流動；使循環(huán)流動電解液的溫度保持在設(shè)定的電解溫 度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種制取分子?xùn)|外延級金屬鎵的方法，其特征在于縱 向溫度梯度凝固法提純裝置包括生長區(qū)、放肩區(qū)、籽晶區(qū)三部分，所述生長 區(qū)為一段圓柱形管簡，所述放肩區(qū)為與所述生長區(qū)下端連接的倒錐臺形管 簡，所述籽晶區(qū)為與所述放肩區(qū)下端連接的圓柱形盲管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種制取分子?xùn)|外延級金屬鎵的方法，其特征在于縱 向溫度梯度凝固法包括如下步驟將金屬鎵籽晶放入所述籽晶區(qū)；將液態(tài)金 屬鎵注入所述提純裝置；對所述籽晶區(qū)進行冷卻。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種制取分子束外延級金屬鎵的方法，其特征在于所 述籽晶區(qū)的冷卻溫度為0°C-5°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制取分子束外延級金屬鎵的方法，包括以下步驟將液態(tài)鎵真空抽慮，除去液態(tài)鎵內(nèi)部包絡(luò)的固體顆粒和表面的氧化膜浮渣；對液態(tài)鎵進行化學(xué)萃取，除去鎵中的鋅、銅等雜質(zhì)；電解精煉液態(tài)鎵，進一步提純；采用縱向溫度梯度凝固法，進一步提純；精煉的鎵表面不用鹽酸保護，不用有機試劑處理，以干燥狀態(tài)保護。制取的金屬鎵純度達到可用輝光放電質(zhì)譜檢出的雜質(zhì)元素，包括C、N、O在內(nèi)，含量均在檢出極限以下。
文檔編號C22B58/00GK101492777SQ20081015568
公開日2009年7月29日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者劉文兵, 張長平, 范家驊, 陸森云, 鹿勤儉 申請人:南京金美鎵業(yè)有限公司