CN1694225A - GaN/β－Ga2O3复合衬底的材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN/β－Ga2O3复合衬底的材料及其制备方法，它是在β－Ga2O3单晶上设有一层GaN覆盖层构成。该复合衬底材料的制备方法是：用利用高真空氮化处理炉在β－Ga2O3单晶衬底上形成GaN覆盖层，再通过退火工艺处理，在β－Ga2O3单晶衬底得到晶化的GaN薄膜。本发明的复合衬底材料的制备工艺简单，易操作，适用于高质量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，特别式一种GaN/β-Ga2O3复合衬底的材料及其制备方法。
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(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。在目前，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，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℃。因MgAl2O4晶体与GaN的晶格失配达9％，且其综合性质不如α-Al2O3，故很少使用。
目前，典型的GaN基蓝光LED是在蓝宝石衬底上制作的。其结构从上到下为：p-GaN/AlGaN barrer layer/InGaN-GaN quantum wells/AlGaNbarrier layer/n-GaN/4μm 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，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％，是制备的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)以上透明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GaN/β-Ga2O3复合衬底材料及其制备方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种GaN/β-Ga2O3复合衬底材料，是在β-Ga2O3单晶上设有一层GaN，构成GaN/β-Ga2O3复合衬底。
所述的GaN/β-Ga2O3复合衬底材料的制备方法，是利用高真空氮化处理炉在β-Ga2O3单晶衬底上制备一层GaN薄膜，然后再通过高温退火，在β-Ga2O3单晶衬底上形成的晶化膜。
所述的GaN/Ga2O3复合衬底材料的制备方法，包括下列具体步骤：
<1>在β-Ga2O3单晶衬底上制备GaN薄膜：将抛光、清洗过的β-Ga2O3单晶衬底送入氮化处理炉，在真空度＞10-5Torr的条件下，在温度＞700℃时不断地通入NH3，NH3的分压应大于1atm，发生化学反应： ，在被加热温度T＞700℃的β-Ga2O3单晶衬底上形成膜厚＞100nm的GaN薄膜；
<2>GaN薄膜的晶化：将得到的GaN/β-Ga2O3样品放入退火炉内，升温至700～1500℃，得到GaN晶化层，形成GaN/β-Ga2O3复合衬底材料。
退火炉中的最佳温度为1000℃。
本发明的GaN/β-Ga2O3复合衬底材料实际上是在β-Ga2O3单晶上设有一层GaN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。
GaN大尺寸体单晶生长困难，本发明提出利用高真空氮化处理炉在β-Ga2O3单晶衬底上制备一层GaN薄膜从而得到GaN/β-Ga2O3复合衬底。在这里，β-Ga2O3单晶起支撑其上的GaN透明导电薄膜的作用。此种结构的复合衬底GaN/β-Ga2O3适合于外延生长高质量的GaN。
本发明的特点是：
(1)本发明的GaN/β-Ga2O3复合衬底材料适用于InN-GaN基蓝光半导体外延生长，该衬底与在先衬底相比，与GaN(111)的晶格失配度小，且该材料为透明导电氧化物材料。
(2)本发明复合衬底的制备工艺简单、易操作。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
本发明GaN/β-Ga2O3复合衬底材料的制备方法，具体工艺流程如下：
<1>在β-Ga2O3单晶衬底上制备GaN薄膜：将抛光、清洗过的β-Ga2O3单晶衬底送入氮化处理炉，在真空度＞10-5Torr的条件下，在温度＞700℃时不断地通入NH3，NH3的分压应大于1atm，发生化学反应： ，在被加热温度T＞700℃的β-Ga2O3单晶衬底上形成膜厚＞100nm的GaN薄膜；
<2>GaN薄膜的晶化：将得到的GaN/β-Ga2O3样品放入退火炉内，升温至700～1500℃，得到GaN晶化层，形成GaN/β-Ga2O3复合衬底材料。
退火炉中的最佳温度为1000℃。
实施例1：
在β-Ga2O3单晶衬底上制备GaN薄膜：将抛光、清洗过的β-Ga2O3单晶衬底送入氮化处理炉，在高真空的条件下(＞10-5Torr)，在高温时700℃不断地通入NH3，(NH3的分压应大于1atm)在高温下发生化学反应： ，在被加热的的β-Ga2O3单晶衬底上形成GaN薄膜，控制GaN膜厚度为300nm。然后将上步骤中得到的得到的GaN/β-Ga2O3样品放入退火炉内，升温至700℃退火处理，从而得到GaN晶化层，形成GaN/β-Ga2O3复合衬底材料。此种结构的复合衬底适合于高质量GaN的外延生长。
实施例2：
在β-Ga2O3单晶衬底上制备GaN薄膜：将抛光、清洗过的β-Ga2O3单晶衬底送入氮化处理炉，在高真空的条件下(＞10-5Torr)，在高温时900℃不断地通入NH3，(NH3的分压应大于1atm)在高温下发生化学反应： ，在被加热的β-Ga2O3单晶衬底上形成GaN薄膜，控制GaN膜厚度为100nm。然后将上步骤中得到的得到的GaN/β-Ga2O3样品放入退火炉内，升温至1000℃退火处理，从而得到GaN晶化层，形成GaN/β-Ga2O3复合衬底材料。此种结构的复合衬底适合于高质量GaN的外延生长。
实施例3：
在β-Ga2O3单晶衬底上制备GaN薄膜：将抛光、清洗过的β-Ga2O3单晶衬底送入氮化处理炉，在高真空的条件下(＞10-5Torr)，在高温时900℃不断地通入NH3，(NH3的分压应大于1atm)在高温下发生化学反应： ，在被加热的β-Ga2O3单晶衬底上形成GaN薄膜；控制GaN膜厚度为300nm。然后将上步骤中得到的得到的GaN/β-Ga2O3样品放入退火炉内，升温至1500℃退火处理，从而得到GaN晶化层，形成GaN/β-Ga2O3复合衬底材料。此种结构的复合衬底适合于高质量GaN的外延生长。
Claims (4)
1、一种GaN/β-Ga2O3复合衬底材料，其特征是在β-Ga2O3单晶上设有一层GaN，构成GaN/β-Ga2O3复合衬底。
2、权利要求1所述的GaN/β-Ga2O3复合衬底材料的制备方法，其特征是利用高真空氮化处理炉在β-Ga2O3单晶衬底上制备一层GaN薄膜，然后再通过高温退火，在β-Ga2O3单晶衬底上形成的晶化膜。
3、根据权利要求2所述的GaN/Ga2O3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β-Ga2O3单晶衬底上制备GaN薄膜：将抛光、清洗过的β-Ga2O3单晶衬底送入氮化处理炉，在真空度＞10-5Torr的条件下，在温度＞700℃时不断地通入NH3，NH3的分压应大于1atm，发生化学反应： ，在被加热温度T＞700℃的β-Ga2O3单晶衬底上形成膜厚＞100nm的GaN薄膜；
<2>GaN薄膜的晶化：将得到的GaN/β-Ga2O3样品放入退火炉内，升温至700～1500℃，得到GaN晶化层，形成GaN/β-Ga2O3复合衬底材料。
4、根据权利要求3所述的GaN/β-Ga2O3复合衬底材料的制备方法，其特征在于通过高温退火使GaN晶化，退火炉中的温度为1000℃。
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