CN1322175C - 脉冲激光沉积制备γ－LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲激光沉积制备γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底的方法，首先是γ-LiAlO₂的制备，然后利用脉冲激光淀积将γ-LiAlO₂靶材的表层分子熔蒸出来，在加热的α-Al₂O₃或硅等衬底上沉积生成γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层。本发明方法具有工艺简单、易操作，此种结构的衬底适合于高质量GaN的外延生长。

Description

脉冲激光沉积制备γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的方法

技术领域

本发明与InN-GaN基蓝光半导体外延生长有关，特别是一种脉冲激光沉积制备γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底的方法。此衬底材料主要用作InN-GaN基蓝光半导体外延生长。

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)、硅等易于制备，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、硅等作衬底，衬底和GaN之间的晶格失配度高，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，衬底的加工过程将造成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，提供一种脉冲激光沉积制备γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底的方法，该方法应具有工艺简单、易操作，此种结构的衬底适合于高质量GaN的外延生长。

基于以上考虑，在本发明的关键是：利用脉冲激光淀积(PLD：pulsed laserdeposition)技术，在α-Al₂O₃或硅衬底上生成γ-LiAlO₂覆盖层，这里，α-Al₂O₃或硅起支撑其上的γ-LiAlO₂薄层的作用。此种结构的衬底适合于高质量GaN薄膜的外延生长。

本发明方法主要包括两个步骤：首先是γ-LiAlO₂的制备，然后利用脉冲激光淀积在α-Al₂O₃或硅衬底上制备-γ-LiAlO₂覆盖层。

本发明的脉冲激光淀积(PLD)制备γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底的方法的具体工艺流程如下：

<1>γ-LiAlO₂靶材的制备：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。化学反应式如下所示：

2LiOH+Al₂O₃→2γ-LiAlO₂+H₂O↑

然后将γ-LiAlO₂粉压制成靶材。

<2>将清洗的α-Al₂O₃或硅片衬底及γ-LiAlO₂靶材送入脉冲激光淀积装置内；

<3>将腔内抽成超高真空，然后充入氩气气氛；

<4>对衬底进行加热，升温至500～900℃，将KrF准分子激光通过透镜聚焦，经光学窗口照射到装置内的γ-LiAlO₂靶材，靶材表层分子熔蒸后在衬底上沉积，生长一层γ-LiAlO₂单晶薄膜，缓慢降温后即可得到高质量的γ-LiAlO₂薄膜。从而得到具有γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底材料。此种结构的衬底适合于高质量GaN的外延生长。

脉冲激光淀积(PLD)法的机理是：将脉宽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，经光学窗口照射到装置内的γ-LiAlO₂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被加热的α-Al₂O₃或硅衬底上附着、堆积，从而淀积成γ-LiAlO₂薄膜。

本发明的技术特点是：

<1>、直接采用γ-LiAlO₂作靶材，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>、在此结构中，α-Al₂O₃或硅等仅起支撑其上的γ-LiAlO₂薄层的作用，可选用不同的衬底来支撑γ-LiAlO₂，有利于降低成本。此种结构的衬底适合于高质量GaN的外延生长。

附图说明

图1是脉冲激光淀积(PLD)系统的示意图。

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明具有γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底材料制备方法使用的脉冲激光沉积(PLD)装置的示意图。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。该实施例是采用图1的装置，其具体的工艺流程如下：

实施例1

<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>将清洗的α-Al₂O₃或硅衬底及γ-LiAlO₂靶材送入脉冲激光淀积装置内；

<3>将腔内抽成高真空(＞10^-4Pa)，然后充入氩气气氛；

<4>对衬底进行加热，升温至500℃，将脉宽25ns的KrF准分子激光通过透镜以10J/cm²的能量密度聚光，经光学窗口照射到装置内的γ-LiAlO₂靶材，靶材表层分子熔蒸后在衬底上成膜，缓慢降温后即可得到从而得到了γ-LiAlO₂单晶薄膜。

实施例2

<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500℃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>将清洗的α-Al₂O₃或硅衬底及γ-LiAlO₂靶材送入脉冲激光淀积装置内；

<3>将腔内抽成高真空(＞10^-4Pa)，然后充入氩气气氛；

<4>对衬底进行加热，升温至600℃，将脉宽25ns的KrF准分子激光通过透镜以10J/cm²的能量密度聚光，经光学窗口照射到装置内的γ-LiAlO₂靶材，靶材表层分子熔蒸后在衬底上成膜，缓慢降温后即可得到从而得到了γ-LiAlO₂单晶薄膜。

实施例3

<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>将清洗的α-Al₂O₃或硅衬底及γ-LiAlO₂靶材送入脉冲激光淀积装置内；

<3>将腔内抽成高真空(＞10^-4Pa)，然后充入氩气气氛；

<4>对衬底进行加热，升温至900℃，将KrF准分子激光通过透镜以一定的能量密度聚光，经光学窗口照射到装置内的γ-LiAlO₂靶材，靶材表层分子熔蒸后在衬底上成膜，缓慢降温后即可得到γ-LiAlO₂单晶薄膜。

经实验表明，本发明方法具有工艺简单、易操作，此种结构的衬底适合于高质量GaN的外延生长。

Claims (2)

1.一种脉冲激光沉积制备γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底的方法，其特征在于该方法是：首先是γ-LiAlO₂的制备，然后利用脉冲激光淀积在α-Al₂O₃或硅衬底上制备一γ-LiAlO₂覆盖层。

2、根据权利要求1所述的脉冲激光沉积制备γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底的方法，其特征在于该方法包括如下具体步骤：

<1>按摩尔比2∶1的比例称取一定量的LiOH和Al₂O₃放入反应容器中，在空气气氛中加热至600℃，保温时间≥1.5小时，充分反应，以得到γ-LiAlO₂，然后将γ-LiAlO₂粉压制成靶材；

<2>将清洗后的双面抛光或单面抛光的衬底及γ-LiAlO₂靶材送入脉冲激光淀积装置内；

<3>将脉冲激光淀积装置腔内抽成超高真空，然后充入氩气；

<4>对衬底进行加热，升温至500～900℃，将KrF准分子激光通过透镜聚光，经光学窗口照射到装置内的γ-LiAlO₂靶材，靶材表层分子熔蒸后在衬底上淀积，生长一层单晶薄膜，缓慢降温后即得到高质量的具有γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底。

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