CN100594255C - 一种用于制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的方法，控制衬底的温度在0～500℃范围内，以氮气或氮气和氩气的混合气体作为溅射气体，真空条件下，对掺杂有稀土粉末的金属镓进行磁控溅射，使设在靶位处的衬底沉积上稀土掺杂的氮化镓发光薄膜。本发明还提供了一种制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的磁控溅射装置，包括真空室，真空室内设有可旋转的衬底架和3～5个磁控靶，衬底架上装设有衬底，衬底设在磁控靶上方且使衬底面与磁控靶面平行，每个磁控靶分别接直流电源阴极；磁控靶内设有冷却室，冷却室设有冷却介质进口和出口。本发明具有沉积温度低、成膜面积大、膜—基附着力强、生长速率高、无污染、掺杂工艺简单和无损伤等特点。

Description

一种用于制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的方法和装置。

背景技术

目前国内制备GaN:Re器件一般用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法在800～1100℃高温下在蓝宝石或Si衬底上外延生长而成。金属有机化学气相沉积(MOCVD)的原理为：镓的有机金属化合物与氮气发生反应，生成氮化镓和有机物，是一种平衡化学反应技术；这种技术制备稀土掺杂氮化镓(GaN:Re)发光器件通常需要用离子束技术向氮化镓薄膜中注入稀土元素，稀土元素是质量较大的重元素，离子注入必然引起严重的晶格损伤。分子束外延(MBE)技术则是使纯金属镓在高温下蒸发，与氮气的等离子体发生反应，生成氮化镓薄膜，要制备稀土掺杂氮化镓(GaN:Re)发光器件只需在金属镓中掺入稀土元素或含稀土元素的化合物，但它是在高温下发生反应，是一种高温制备技术。MBE设备和运行成本都十分昂贵。对薄膜晶体显示器和太阳能电池来说，由于一般采用玻璃衬底，制作流程需在较低温度下完成，上述两种方法都不适于这种应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的方法和装置，该方法和装置能在较低温度下在衬底上制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜。

本发明提供的技术方案是：一种制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的方法，利用磁控溅射技术，在0～500℃、真空条件下，以氮气或氮气和氩气的混合气体作为溅射气体，对掺杂有稀土粉末的金属镓进行磁控溅射，使设在靶位处的衬底沉积上稀土掺杂的氮化镓发光薄膜。

本发明可先在室温下使衬底沉积一层氮化镓薄膜；然后使衬底的温度加热到500℃或500℃以下，对衬底加上0～1000V的负偏压，并在衬底沉积的氮化镓薄膜上沉积稀土掺杂的氮化镓薄膜。

上述稀土为Tm、Er或/和Pr粉末，所述稀土的比掺杂量≤10atm.％。

上述真空条件为0.1～4Pa。

本发明还提供了一种制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的磁控溅射装置，包括真空室，真空室内设有可旋转的衬底架和3～5个磁控靶，衬底架上装设有衬底，衬底设在磁控靶上方且使衬底面与磁控靶面平行，每个磁控靶分别接直流电源阴极；磁控靶内设有冷却室，冷却室设有冷却介质进口和出口。

上述衬底架上设有衬底加热装置。

上述衬底加有0-1000V内连续可调的负偏压。

本发明具有沉积温度低、成膜面积大、膜-基附着力强、生长速率高、无污染、掺杂工艺简单和无损伤等特点，尤其适合于在玻璃衬底上制备稀土掺杂氮化镓(GaN:Re)发光器件。本发明采用磁控溅射技术，利用磁场改变电子的运动方向，束缚和延长电子运动轨迹，在形成高密度等离子体的异常辉光放电中，正离子对靶材轰击引起靶材溅射，使其具有高速、低温两大特点。

附图说明

图1为本发明磁控溅射装置的结构示意图；

图2为图1的A-A放大视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明包括真空室14，真空室14设有抽真空口4，真空室14内设有3个水平放置的磁控靶5和可旋转的衬底架13(衬底架13固定在由驱动机构驱动的旋转轴9上)，衬底架13与磁控靶5相对且平行放置，且距离可调(可通过上下调节衬底架13的旋转轴9来实现)，以便优化工艺参数。衬底架13上装设有衬底12，衬底12设在磁控靶5上方且使衬底面与磁控靶面平行，每个磁控靶5分别接直流电源阴极8；磁控靶5内设有冷却室6，冷却室6设有冷却介质7进口和出口。真空室内有磁控靶池，通过衬底架的旋转，可使其上的衬底位于任意靶位(即对准磁控靶5)，从而可在同一片衬底上溅射沉积掺杂不同稀土元素的GaN:Re薄膜。并通过调节衬底位于不同靶位的时间，调节掺杂不同元素薄膜的厚度。

磁控靶5的靶池3底板采用导热性良好的紫铜，各个靶池3下面用分离的管道通水通电，以对靶池进行循环冷却和偏压控制。每个磁控靶背面放置铁硼强磁铁，磁场布置方向相同，形成闭合场，靶面磁场强度500Gauss；同时每个单独的靶磁场布局方式都为非平衡磁场。同时为了进一步提高膜-基附着力，本装置的衬底架13安装0-1000V的负偏压2。本装置还可以增加靶池数量，达到制备复杂光电器件的目的。

本发明中的衬底架安装加热器和热电偶1，可精确控制衬底温度。气体10流量可通过质量流量计11控制。真空***可由扩散泵和机械泵组成，也可以采用分子泵。沉积时工作气体为氮气、氩气混合气体。用质量流量计11对气体10的流量进行控制。

本发明与目前国内外通用的器件制备装置不同，它是一种多靶位磁控溅射技术，可用于在玻璃衬底上低温沉积GaN:Re薄膜，为直流磁控溅射技术。可准确控制GaN:Re薄膜的层数和厚度，每一层可准确掺杂一种或几种稀土元素。

总之，本发明提供的技术具有多靶位沉积掺杂不同稀土元素的特点GaN的优点，沉积温度在500℃以下。克服了目前国际上普遍采用的高温生长方法的缺陷和不能灵活控制掺杂重元素的缺点，是一种适合于在玻璃衬底上制备稀土掺杂氮化镓(GaN:Re)发光器件的低温沉积技术。

实施例1

在真空室内有3个磁控靶池，其中2个靶池内的金属镓中分别掺杂Tm和Er的单一稀土粉末(粒径10μm)。Tm对靶的掺杂比例为1at.％，Er对靶的掺杂比例为10at.％。另一靶池不掺杂稀土元素。调整衬底架到靶面的距离为11cm。抽真空到10^-4Pa以下，真空度稳定后，通氮气和氩气1∶99(体积比)的混合气体，使工作真空达到4.0Pa，保持此时的真空度不变。打开冷水机，使靶池的温度冷却至10℃以下。先使衬底旋转到没掺杂稀土元素的靶池上方，打开此靶的直流溅射电源，不对衬底进行加热，先低温沉积一层无定形氮化镓薄膜，沉积5分钟。打开加热装置，使衬底的温度加热到500℃。打开偏压电源，在衬底架上加上50V的负偏压。接通掺杂有Tm的磁控靶池的直流电源，对掺杂有Tm的金属镓靶进行辉光放电30分钟。断开掺杂有Tm的磁控靶池的直流电源，开动电动机，使刚沉积过的衬底旋转到掺杂有Er的磁控靶池上方，接通其直流电源，进行磁控溅射30分钟。依次断开直流溅射电源、偏压电源、衬底加热温度和混合气体。在高真空下使衬底冷却到50℃以下，冷却过程中仍然保持通冷却水，直到冷却完毕。对真空室放气，打开炉体即可得到一个在同一衬底上有三层氮化镓薄膜，每层氮化镓薄膜中分别掺杂有Tm和Er的氮化镓薄膜。对薄膜进行进一步加工即可得到发蓝绿光的氮化镓发光器件。

实施例2

在真空室内有3个磁控靶池，先在一个靶池内的金属镓中掺杂Tm和Er的稀土纳米粉末(粒径100nm)。Tm的掺杂量为0.8at.％，Er的掺杂量为1at.％。第二个靶池掺杂带有Eu元素的稀土纳米粉末(粒径80nm)，Eu元素的稀土纳米粉末的质量含量为0.5at.％。第三个靶池不掺杂稀土元素。调整衬底架到靶面的距离为10cm。抽真空到10-4Pa以下，直到真空度稳定。通氮气和氩气3∶5(体积比)的混合气体，使工作真空达到0.1Pa，保持此时的真空度不变。打开冷水机，使靶池的温度冷却至10℃以下。先使衬底旋转到没掺杂稀土元素的靶池上方，打开此靶的直流溅射电源，不对衬底加热，不加偏压，先低温沉积一层无定形氮化镓薄膜，沉积5分钟。打开加热装置，使衬底的温度加热到300℃。打开偏压电源，在衬底架上加上100V的负偏压。接通掺杂有Tm的磁控靶池的直流电源，对掺杂有Tm的金属镓靶进行辉光放电40分钟。断开掺杂有Tm的磁控靶池的直流电源，开动电动机，使刚沉积过的衬底旋转到掺杂有Er的磁控靶池上方，接通其直流电源，进行磁控溅射40分钟。依次断开直流溅射电源、偏压电源、衬底加热温度和混合气体。在高真空下使衬底冷却到50℃以下，冷却过程中仍然保持通冷却水，直到冷却完毕。对真空室放气，打开炉体即可得到一个在同一衬底上沉积有二层氮化镓的薄膜，一层掺杂有Tm和Er，另一层掺杂有Eu。对薄膜进行进一步加工即可得到发自光的氮化镓发光器件。

实施例3

在真空室内有3个磁控靶池，先在一个靶池内的金属镓中掺杂Tm和Er的稀土纳米粉末(粒径50nm)，Tm的掺杂量为0.5at.％，Er的掺杂量为2.0at.％。第二个靶池掺杂带有Eu元素的稀土纳米粉术(粒径50nm)和Tm的纳米粉术(粒径50nm)，Eu元素的稀土纳米粉末的质量含量为1.0at.％，Tm掺杂量为1.0at.％。第三个靶池不掺杂稀土元素。调整衬底架到靶面的距离为8cm。抽真空到10^-4Pa以下，真空度稳定后。通氮气，使工作真空达到0.5Pa，保持此时的真空度不变。打开冷水机，使靶池的温度冷却至10℃以下。先使衬底旋转到没掺杂稀土元素的靶池上方，打开此靶的直流溅射电源，不对衬底加热，不加偏压，先低温沉积一层无定形氮化镓薄膜，沉积5分钟。打开加热装置，使衬底的温度加热到300℃。打开偏压电源，在衬底架上加上100V的负偏压。接通掺杂有Tm的磁控靶池的直流电源，对掺杂有Tm的金属镓靶进行辉光放电40分钟。断开掺杂有Tm的磁控靶池的直流电源，开动电动机，使刚沉积过的衬底旋转到掺杂有Er的磁控靶池上方，接通其直流电源，进行磁控溅射40分钟。依次断开直流溅射电源、偏压电源、衬底加热温度和混合气体。在高真空下使衬底冷却到50℃以下，冷却过程中仍然保持通冷却水，直到冷却完毕。对真空室放气，打开炉体即可得到一个在同一衬底上沉积有二层氮化镓的薄膜，一层掺杂有Tm和Er，另一层掺杂有Tm和Eu。对薄膜进行进一步加工即可得到发白光的氮化镓发光器件。

Claims (6)

1.一种用于制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的方法，其特征在于：利用磁控溅射技术，在真空室内设有可旋转的衬底架和3～5个磁控靶，每个磁控靶背面放置铁硼强磁铁，磁场布置方向相同，形成闭合场；其中一个磁控靶上放置金属镓，其余磁控靶上放置掺杂有稀土粉末的金属镓；在真空条件下，以氮气或氮气和氩气的混合气体作为溅射气体，先在室温下对金属镓进行磁控溅射，使设在靶位处的衬底沉积一层氮化镓薄膜；然后将衬底的温度加热到500℃或500℃以下，对衬底加上0～1000V的负偏压，对掺杂有稀土粉术的金属镓进行磁控溅射，使设在靶位处的衬底沉积的氮化镓薄膜上沉积稀土掺杂的氮化镓薄膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述稀土为Tm、Er或/和Pr粉末，所述稀土的比掺杂量≤10atm.％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：上述真空条件为0.1～4Pa。

4.一种制备稀土掺杂氮化镓发光薄膜的磁控溅射装置，包括真空室，其特征在于：真空室内设有可旋转的衬底架和3～5个磁控靶，每个磁控靶背面放置铁硼强磁铁，磁场布置方向相同，形成闭合场，衬底架上装设有衬底，衬底设在磁控靶上方且使衬底面与磁控靶面平行，每个磁控靶分别接直流电源阴极；磁控靶内设有冷却室，冷却室设有冷却介质进口和出口。

5.根据权利要求4所述的磁控溅射装置，其特征在于：衬底架上设有衬底加热装置。

6.根据权利要求4或5所述的磁控溅射装置，其特征在于：衬底加有0-1000V内连续可调的负偏压。

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