CN1322176C - 具有γ－LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的制备方法，其步骤：先合成制备γ-LiAlO2靶材，然后利用射频磁控溅射方法在α-Al2O3或硅单晶衬底上制备γ-LiAlO2单晶薄膜，本发明方法的工艺简单、易操作，此种具有γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底材料适合于高质量GaN的外延生长。
Description
技术领域
本发明涉及InN-GaN基蓝光半导体外延生长，特别是一种采用射频磁控溅射法制备具有γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的制备方法。
背景技术
以GaN为代表的宽带隙III-V族化合物半导体材料正在受到越来越多的关注，它们具有优异的特性，如稳定的物理和化学性质、高热导和高电子饱和速度、直接带隙材料的光跃迁几率比间接带隙的光跃迁几率高一个数量级，因此宽带隙InN-GaN基半导体在蓝、绿光发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)、高密度信息读写、水下通信、深水探测、激光打印、生物及医学工程，以及超高速微电子器件和超高频微波器件方面具有广泛的应用前景。由于InN-GaN熔点比较高，N2饱和蒸汽压较大，InN-GaN体单晶制备十分困难，因此InN-GaN一般是在异质衬底上用外延技术生长的。
由于GaN熔点高、硬度大、饱和蒸汽压高，故要生长大尺寸的GaN体单晶需要高温和高压，波兰高压研究中心在1600℃的高温和20kbar的高压下才制出了条宽为5mm的GaN体单晶。在当前，要生长大尺寸的GaN体单晶的技术更不成熟，且生长的成本高昂，离实际应用尚有相当长的距离。
白宝石晶体(α-Al2O3)和硅易于制备，价格便宜，且具有良好的高温稳定性等特点，α-Al2O3是目前最常用的InN-GaN基外延衬底材料(参见Jpn.J.Appl.Phys.，第36卷，1997年，第1568页)。
铝酸锂(γ-LiAlO2)是近几年才受到重视的InN-GaN基外延衬底材料，由于其与GaN外延膜的晶格失配度相当小，只有1.4％，这使它有望成为一种相当理想的GaN外延衬底材料，参见美国专利USP6218280B1，Kryliouk Olga，Anderson Tim，Chai Bruce，“Method and apparatus for producing group-III nitrides”。
上述在先技术衬底(α-Al2O3、硅或γ-LiAlO2)存在的显著缺点是：
(1)用α-Al2O3和硅作衬底，该衬底和GaN之间的晶格失配度高，达14％，使制备的GaN薄膜具有较高的位错密度和大量的点缺陷；
(2)由于LiAlO2熔体高温下易发生非化学计量比挥发，晶体生长困难，难以获得大尺寸、高质量的LiAlO2单晶体，最大的蓝宝石直径达到350mm，而LiAlO2的直径都在100mm以下；而且，衬底的加工过程会造成大量原材料的浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用作InN-GaN基蓝光半导体外延生长的具有γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的制备方法，该方法的工艺简单、易操作，所制备的衬底材料适合于高质量GaN的外延生长。
在本发明的关键是：利用射频磁控溅射法，在α-Al2O3或硅衬底上直按生成γ-LiAlO2覆盖层。在这里α-Al2O3或硅起支撑其上的γ-LiAlO2薄层的作用，此种结构衬底适合于高质量GaN薄膜的外延生长。
本发明方法包括两个步骤：首先是γ-LiAlO2的制备，然后利用射频磁控溅射法是α-Al2O3或硅衬底上制备一γ-LiAlO2覆盖层。
本发明的具有γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的制备方法具体工艺流程如下：
<1>称取一定量的LiOH和Al2O3(摩尔比2∶1)放入反应容器中，在空气气氛中加热保持温度在600℃充分反应1.5h(以上)，即可得到γ-LiAlO2，然后将γ-LiAlO2粉压制成靶材。
<2>在单晶衬底上利用射频磁控溅射方法制备γ-LiAlO2薄膜。
射频磁控溅射的机理是Ar+经电场加速后成为高能入射粒子撞击γ-LiAlO2靶材，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程，在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来，在离靶材的表面数厘米处放置的单晶衬底上附着、堆积，从而淀积成γ-LiAlO2薄膜。
本发明的特点是：
<1>、直接采用γ-LiAlO2作靶材利用射频磁控溅射技术，在单晶衬底上生成γ-LiAlO2覆盖层，避免了与衬底进行反应制备γ-LiAlO2薄膜，有利于控制γ-LiAlO2薄膜的厚度和薄膜的均匀性。
<2>、在具有γ-LiAlO2薄膜覆盖层衬底的结构中，α-Al2O3或硅仅起支撑其上的γ-LiAlO2薄层的作用，可选用多种衬底来支撑γ-LiAlO2。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明的射频磁控溅射技术制备的具有γ-LiAlO2薄膜覆盖层衬底的具体工艺流程如下：
<1>称取一定量的LiOH和Al2O3(摩尔比2∶1)放入反应容器中，在空气气氛中加热保持温度在600℃充分反应1.5h(以上)，即可得到γ-LiAlO2，然后将γ-LiAlO2粉压制成靶材。
<2>在单晶衬底上用射频磁控溅射装置制备γ-LiAlO2薄膜。
实施例1
称取一定量的LiOH和Al2O3(摩尔比2∶1)放入反应容器中，在空气气氛中加热，在600℃条件下，保持温度充分反应1.5h(以上)，即可得到γ-LiAlO2，然后将γ-LiAlO2粉压制成靶材；
将抛光、清洗过的α-Al2O3单晶衬底送入Edwards ESM100型射频磁控溅射装置，该装置的真空室的尺寸为φ322×270mm，抽真空系统为机械泵、油扩散泵，附加液氮冷却阱，真空度可达2×10-4Pa，靶座内径100mm，内腔通冷却水，用压圈和螺钉固定靶。基板座φ250mm，内通冷却水，靶与基板之间的距离约60mm。溅射用的射频电源发生器用晶体管控制，功率可在0～1000W范围内调节，输出阻抗为50Ω，频率为13.56MHz。在溅射沉积薄膜时，仪器系统的基础真空压力为2×10-3Pa，射频功率范围为100-250W，靶直径为85mm，厚度3mm，溅射工作气体为纯度≥99.999％的高纯氩气，氩气压强为6.6×10-2Pa，衬底为双面抛光的α-Al2O3单晶片，衬底温度为600℃，薄膜淀积速率为0.063nm/s(合38/min)，采用石英晶振片监控淀积速率，薄膜厚度为500nm。
实施例2
称取一定量的LiOH和Al2O3(摩尔比2∶1)放入反应容器中，在空气气氛中加热保持温度在600℃充分反应1.5h(以上)，即可得到γ-LiAlO2，然后将γ-LiAlO2粉压制成靶材；
将抛光、清洗过的Si单晶衬底送入Edwards ESM100型射频磁控溅射装置，真空度大于2×10-4Pa，溅射用纯度≥99.999％的高纯氩气，氩气压强为6.6×10-2Pa，衬底温度为700℃，薄膜淀积速率为0.063nm/s左右，薄膜厚度为500nm。
经实验证明，该方法的工艺简单、易操作，制备的具有γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底材料适合于高质量GaN的外延生长。
Claims (2)
1、一种具有γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的制备方法，其特征是先制备γ-LiAlO2靶材，然后利用射频磁控溅射方法在α-Al2O3或硅衬底上形成γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层。
2、根据权利要求1所述的具有γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的制备方法，其特征在于包括下列具体步骤：
<1>γ-LiAlO2靶材制备：按摩尔比2∶1称取一定量的LiOH和Al2O3放入反应容器中，在空气气氛中加热，在600℃，保温时间≥1.5小时，以充分反应，得到γ-LiAlO2，然后将γ-LiAlO2粉压制成靶材；
<2>在α-Al2O3或硅单晶衬底上制备γ-LiAlO2薄膜：将抛光、清洗过的α-Al2O3或硅单晶衬底送入射频磁控溅射装置，仪器系统的基础真空压力为2×10-3Pa，溅射工作气体为纯度≥99.999％的高纯氩气，衬底为双面抛光的α-Al2O3或硅单晶片，薄膜淀积速率为0.063nm/s，采用石英晶振片监控淀积速率，得到γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层的衬底材料。
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