CN1529366A - MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料及其制备方法，该复合衬底材料是在MgAl2O4单晶上设有一层MgIn2O4覆盖层构成。该复合衬底材料的制备方法是：先利用脉冲激光淀积方法在MgAl2O4单晶衬底上形成MgIn2O4覆盖层，然后通过高温退火，在MgAl2O4单晶衬底上得到晶化的MgIn2O4薄膜。本发明的复合衬底材料的制备工艺简单、易操作，此种结构的复合衬底MgIn2O4/MgAl2O4适合于高质量GaN的外延生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于InN-GaN基蓝光半导体外延生长的MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料及其制备方法。
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，它们将在蓝、绿光发光二极管和激光二极管、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，生长大尺寸的GaN体单晶的技术还不成熟，且生长的成本高昂，离实际应用尚有相当长的距离。
蓝宝石晶体(α-Al2O3)，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外延衬底材料(参见Jpn.J.Appl.Phys.，第36卷，1997年，第1568页)。
MgAl2O4晶体属立方晶系，尖晶石型结构，晶格常数为0.8083nm。熔点为2130℃。
目前，典型的GaN基蓝光LED是在蓝宝石衬底上制作的。其结构从上到下如下：p-GaN/AlGaN barrier layer/InGaN-GaN quantumwells/AlGaN barrier layer/n-GaN/4um GaN。由于蓝宝石具有极高的电阻率，所以器件的n-型和p-型电极必须从同一侧引出。这不仅增加了器件的制作难度，同时也增大了器件的体积。根据有关资料，对于一片直径2英寸大小的蓝宝石衬底而言，目前的技术只能制作出GaN器件约1万粒左右，而如果衬底材料具有合适的电导率，则在简化器件制作工艺的同时，其数目可增至目前的3～4倍。
综上所述，在先技术衬底(α-Al2O3和MgAl2O4)存在的显著缺点是：
(1)用α-Al2O3作衬底，α-Al2O3′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MgAl2O4晶体与GaN的晶格失配达9％，再加上综合性能不如α-Al2O3，因而使用较少；
(3)以上氧化物衬底均不导电，器件制作难度大，同时也增大了器件的体积，造成了大量的原材料的浪费。
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MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料及其制备方法。
本发明的MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料实际上是在MgAl2O4单晶上设有一层MgIn2O4而构成，该复合衬底适合于外延生长高质量InN-GaN基蓝光半导体薄膜。
MgIn2O4属立方晶系，尖晶石型结构，晶格常数为0.8864nm，MgIn2O4(111)与GaN的晶格失配度较小，为1.1％。但考虑到MgIn2O4大尺寸体单晶生长困难，本发明提出利用脉冲激光淀积(PLD：pulsed laserdeposition)技术和高温退火方法，在MgAl2O4单晶衬底上生成MgIn2O4覆盖层，从而得到MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底。在这里，MgAl2O4单晶起支撑其上的MgIn2O4透明导电薄层的作用。此种结构的复合衬底(MgIn2O4/MgAl2O4)适合于高质量GaN的外延生长。
本发明的基本思想是：
一种MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料的制备方法，主要是利用脉冲激光淀积方法在MgAl2O4单晶衬底上制备MgIn2O4薄膜，然后通过高温退火，在MgAl2O4单晶衬底上形成MgIn2O4覆盖层。
本发明MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料的制备方法，其特征在于它包括下列具体步骤：
<1>在MgAl2O4单晶衬底上制备MgIn2O4薄膜：将抛光、清洗过的MgAl2O4单晶衬底送入脉冲激光淀积系统，利用MgIn2O4靶材，采用脉宽25-30ns(纳秒)的KrF准分子激光器，激射波长为248nm，通过透镜以约10J/cm2的能量密度聚光，经光学窗口照射到真空装置内的MgIn2O4靶材，在富氧的反应气氛下，在被加热的MgAl2O4单晶衬底上淀积MgIn2O4薄膜；
<2>MgIn2O4/MgAl2O4的高温退火：将得到的MgIn2O4/MgAl2O4样品放入退火炉中，升温至700～1200℃，得到MgIn2O4晶化覆盖层，形成MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料。
所述的MgIn2O4/MgAl2O4的退火时，退火炉中的最佳温度为950℃。
本发明的特点是：
(1)提出了一种用于InN-GaN基蓝光半导体外延生长的MgIn2O4衬底材料，该衬底与在先衬底相比，其与GaN(111)的晶格失配度较小，为1.1％，且该材料为透明导电氧化物材料。
(2)本发明提出利用脉冲激光淀积(PLD)技术和MgIn2O4/MgAl2O4的高温退火，在MgAl2O4单晶衬底上生成MgIn2O4覆盖层，从而得到了MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底，该复合衬底的制备工艺简单、易操作，此种结构的复合衬底(MgIn2O4/MgAl2O4)适合于高质量GaN的外延生长。
附图说明
图1是本发明使用的脉冲激光淀积(PLD)系统的示意图。
具体实施方式
图1是本发明使用的脉冲激光淀积(PLD)系统的示意图。PLD法的机理是首先将脉宽25-30ns的KrF准分子激光器(激射波长为248nm)通过透镜以约10J/cm2的能量密度聚光，经光学窗口照射到真空装置内的MgIn2O4靶材，靶材吸收激光后，由于电子激励而成为高温熔融状态，使材料表面数十纳米(nm)被蒸发气化，气体状的微粒以柱状被放出和被扩散，在离靶材的表面数厘米处放置的适当被加热的MgAl2O4单晶衬底上，附着、堆积从而淀积成MgIn2O4薄膜。
本发明的脉冲激光淀积制备复合衬底材料MgIn2O4/MgAl2O4的具体
工艺流程如下：
<1>将抛光、清洗过的MgAl2O4单晶衬底送入脉冲激光淀积PLD系统，在MgAl2O4单晶衬底上制备MgIn2O4薄膜。系统采用脉宽25-30ns(纳秒)的KrF准分子激光器，激射波长为248nm，通过透镜以约10J/cm2的能量密度聚光，经光学窗口照射到真空装置内的MgIn2O4靶材，在富氧的气氛下淀积MgIn2O4薄膜；
<2>然后将上步中得到的MgIn2O4/MgAl2O4样品放入退火炉中，升温至700～1200℃，为了抑制In2O3的挥发，采用富In的气氛，在高温下退火，得到了MgIn2O4覆盖层，通过控制退火时间得到具有不同厚度的MgIn2O4晶化覆盖层，从而得到了MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底。此种结构的复合衬底适合于高质量GaN的外延生长。
用图1所示的脉冲激光淀积(PLD)装置制备MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料的方法，以较佳实施例说明如下：
将抛光、清洗过的MgAl2O4单晶衬底送入脉冲激光淀积PLD系统，在MgAl2O4单晶衬底上制备MgIn2O4薄膜。该系统采用脉宽25-30ns(纳秒)的KrF准分子激光器，激射波长为248nm，通过透镜以约10J/cm2的能量密度聚光，经光学窗口照射到真空装置内的MgIn2O4靶材，在富氧的反应气氛下淀积MgIn2O4薄膜，MgAl2O4单晶衬底的温度为300℃，控制MgIn2O4薄膜的厚度为500nm。然后将所得到的MgIn2O4/MgAl2O4样品放入退火炉中，升温至950℃，为了抑制In的挥发，采用富In的反应气氛，MgIn2O4/MgAl2O4在高温下退火，得到了MgIn2O4覆盖层，通过控制退火时间得到具有不同厚度的MgIn2O4覆盖层，从而得到了MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底。此种结构的复合衬底适合于高质量GaN的外延生长。
Claims (6)
1、一种MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料，其特征是在MgAl2O4单晶上设有一层MgIn2O4，构成MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底。
2、根据权利要求1所述的MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料制备方法，其特征是利用脉冲激光淀积方法在MgAl2O4单晶衬底上制备MgIn2O4薄膜，然后通过高温退火，在MgAl2O4单晶衬底上形成MgIn2O4晶化层。
3、根据权利要求2所述的MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料制备方法，其特征是所述的脉冲激光淀积方法是利用脉宽25-30ns的KrF准分子激光，通过透镜以约10J/cm2的能量密度聚光，经光学窗口照射到真空装置内的MgIn2O4源，该MgIn2O4源被蒸发气化，在加热的MgAl2O4单晶衬底上，淀积成MgIn2O4薄膜。
4、根据权利要求2所述的MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料制备方法，其特征在于它包括下列具体步骤：
<1>在MgAl2O4单晶衬底上制备MgIn2O4薄膜：将抛光、清洗过的MgAl2O4单晶衬底送入脉冲激光淀积系统，利用MgIn2O4靶材；采用脉宽25-30ns(纳秒)的KrF准分子激光器，激射波长为248nm，通过透镜以约10J/cm2的能量密度聚光，经光学窗口照射到真空装置内的MgIn2O4靶材，在富氧的反应气氛下，在被加热的MgAl2O4单晶衬底上淀积MgIn2O4薄膜；
<2>MgIn2O4膜晶化：将得到的MgIn2O4/MgAl2O4样品放入退火炉中，升温至700～1200℃，得到MgIn2O4晶化层，形成MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料。
5、根据权利要求2所述的MgIn2O4/MgIn2O4复合衬底材料制备方法，其特征在于先陶瓷合成所述的MgIn2O4靶材。
6、根据权利要求2所述的MgIn2O4/MgAl2O4复合衬底材料的制备方法，其特征在于通过高温退火使MgIn2O4晶化，退火炉中的最佳温度为950℃。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN1295747C (zh) * | 2004-10-13 | 2007-01-17 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | (Mg,Cd)In2O4/MgAl2O4复合衬底材料及其制备方法 |
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2003
- 2003-10-21 CN CNA2003101080679A patent/CN1529366A/zh active Pending
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