CN1219334C - γ－LiAlO2/α－Al2O3柔性衬底材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种适合于GaN外延生长的γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底材料及其制备方法，该柔性衬底材料是在白宝石α-Al2O3上设有一层四方相的铝酸锂γ-LiAlO2构成。该柔性衬底材料的制备方法是：先将清洗的α-Al2O3衬底送入脉冲激光淀积(PLD)***，在富锂的环境气氛下淀积Li2O薄膜，然后将上步骤中得到的Li2O/α-Al2O3样品放入退火炉中，在富锂的反应气氛下，Li2O与α-Al2O3在高温下发生固相反应得到γ-LiAlO2覆盖层，通过控制退火时间得到具有不同厚度的γ-LiAlO2覆盖层，再利用去离子水溶解清洗掉未反应的Li2O，从而得到γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底。
Description
技术领域
本发明涉及一种γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底材料及制备方法。γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底材料主要用作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)，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USP6218280，Kryliouk Olga，Anderson Tim，Chai Bruce，“Method and apparatus forproducing group-III nitrides”)。
上述在先技术衬底(α-Al2O3或γ-LiAlO2)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13.8％，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，而且，衬底的加工过程造成了大量的原材料的浪费。
发明内容
本发明的目的是：利用Li2O与α-Al2O3的固相反应制备具有LiAlO2覆盖层的α-Al2O3柔性衬底γ-LiAlO2/α-Al2O3，用于外延生长高质量的GaN。
目前GaN的外延生长主要在α-Al2O3异质衬底上进行。然而α-Al2O3和GaN之间存在较大的晶格失配和热失配，导致GaN外延膜中产生较高的位错密度和大量的点缺陷。为了降低GaN外延膜中的位错密度，一种所谓的柔性衬底技术应运而生。柔性衬底是根据弹性应变能在“衬底”和外延层间的分配与平衡关系提出的。对无限厚衬底来说，在失配条件下进行异质外延，外延层的厚度存在一个临界值，当外延层的厚度小于临界值时，***中的晶格失配主要由外延层弹性应变，在外延层中储存弹性能来补偿。当外延层厚度大于临界值时，***中的晶格失配则会导致外延层中位错的产生。如果衬底的厚度是有限的，则外延层的临界厚度会增加。所谓“柔性衬底”正是厚度很小的“衬底”，这个厚度越小，外延层的临界厚度越大。如果衬底很薄，则由于“镜像力”的作用，***中即使发生了位错，位错也主要分布在“衬底”中。近来，四方相的LiAlO2(即γ-LiAlO2)作为GaN的外延衬底获得了广泛的研究，γ-LiAlO2与GaN外延膜的晶格失配度较小(1.4％)，远远低于α-Al2O3与GaN外延膜的晶格失配度(13.8％)，这使得它有望成为优于α-Al2O3的GaN外延衬底。基于以上考虑，在本发明的关键是：利用脉冲激光淀积(PLD：pulsed laser deposition)技术和Li2O与α-Al2O3之间的固相反应，在α-Al2O3衬底上生成γ-LiAlO2覆盖层，再利用去离子水溶解清洗掉未反应的Li2O，从而得到γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底。在这里，α-Al2O3既作为反应物参加固相反应，又起支撑其上的γ-LiAlO2薄层的作用。此种结构的柔性衬底(γ-LiAlO2/α-Al2O3)适合于高质量GaN的外延生长。
本发明主要包括两个步骤：首先是α-Al2O3衬底上Li2O薄膜的制备，然后是α-Al2O3衬底上γ-LiAlO2覆盖层的制备。
图1是脉冲激光淀积(PLD)***的示意图。PLD法的机理是首先将脉宽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Li2O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对置的适当被加热的α-Al2O3衬底上附着、堆积从而淀积成Li2O薄膜。
本发明的脉冲激光淀积(PLD)技术制备柔性衬底材料γ-LiAlO2/α-Al2O3的具体工艺流程如下：
先将清洗的α-Al2O3衬底送入脉冲激光淀积(PLD)***，在a-Al2O3衬底上制备Li2O薄膜，Li源采用99.999％以上的高纯Li2O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，经光学窗口照射到装置内的Li2O靶材，在富锂的环境气氛下淀积Li2O薄膜。然后将上步骤中得到的Li2O/α-Al2O3样品放入退火炉中，在1100℃左右退火，为了抑制Li2O的挥发，仍采用富锂的反应气氛，Li2O与α-Al2O3在高温(约1100℃)下发生固相反应得到了γ-LiAlO2覆盖层，通过控制退火时间得到具有不同厚度的γ-LiAlO2覆盖层，再利用去离子水溶解清洗掉未反应的Li2O，从而得到γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底。此种结构的柔性衬底适合于高质量GaN的外延生长。
本发明的技术特点是：
1、采用脉冲激光淀积(PLD)技术制备Li2O薄膜。Li2O的熔点高(大于1700℃)，脉冲激光淀积(PLD)技术可以蒸发高熔点材料。由于激光束的能量高度集中，功率密度足够大，加热升温的速度快，能够在极短的时间内使靶材物质的聚集态迅速发生变化，从而获得很高的蒸发速率，膜的生长速率较快，膜厚也易于精确控制。脉冲激光淀积(PLD)技术采用非接触式加热，在制备过程中不易引入杂质。此外，脉冲激光淀积(PLD)***的环境气氛灵活可变，可根据需要设定***为或真空或惰性气氛或活泼气氛，这正好满足了本专利中需要采用富锂的环境气氛的要求。
2、在用脉冲激光淀积(PLD)技术制备Li2O薄膜时，为了抑制Li2O的挥发，脉冲激光淀积***采用富锂的环境气氛；在后续的Li2O与α-Al2O3之间的高温退火工艺固相反应过程中，为了抑制Li2O的挥发，仍采用富锂的反应气氛。
3、在γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底的结构中，α-Al2O3既作为反应物参加固相反应，又起支撑其上的γ-LiAlO2薄层的作用。此种结构的柔性衬底适合于高质量GaN的外延生长。
附图说明
图1是脉冲激光淀积(PLD)***的示意图。
图中：1-KrF准分子激光器(激射波长为248nm)，2-靶材，3-衬底。
具体实施方式
用上述的脉冲激光淀积(PLD)实验装置和具体的工艺流程制备γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底材料。
先将清洗的α-Al2O3衬底送入脉冲激光淀积(PLD)***，在α-Al2O3衬底上制备Li2O薄膜，Li源采用99.999％以上的高纯Li2O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，经光学窗口照射到装置内的Li2O靶材，在富锂的环境气氛下淀积Li2O薄膜。然后将上步骤中得到的Li2O/α-Al2O3样品放入退火炉中，在1100℃左右退火，为了抑制Li2O的挥发，仍采用富锂的反应气氛，Li2O与α-Al2O3在高温(约1100℃)下发生固相反应得到了γ-LiAlO2覆盖层，通过控制退火时间得到具有不同厚度的γ-LiAlO2覆盖层，再利用去离子水溶解清洗掉未反应的Li2O，从而得到了γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底。
Claims (4)
1、一种适合于GaN外延生长的γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底材料，其特征是在白宝石α-Al2O3上设有一层四方相的铝酸锂γ-LiAlO2，构成γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底。
2、权利要求1所述的γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底材料的制备方法，其特征是先将清洗的α-Al2O3衬底送入脉冲激光淀积***，在α-Al2O3衬底上制备Li2O薄膜，Li源采用99.999％以上的高纯Li2O靶材，***采用脉宽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，经光学窗口照射到装置内的Li2O靶材，在富锂的环境气氛下淀积Li2O薄膜，然后将上步骤中得到的Li2O/α-Al2O3样品放入退火炉中，在1100℃左右退火，为了抑制Li2O的挥发，仍采用富锂的反应气氛，Li2O与α-Al2O3在高温下发生固相反应得到了γ-LiAlO2覆盖层，通过控制退火时间得到具有不同厚度的γ-LiAlO2覆盖层，经清洗，从而得到了γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底。
3、根据权利要求2所述的γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底材料制备方法，其特征是Li2O与α-Al2O3在高温1100℃下发生固相反应，反应时间为10-20分钟，此时得到单一(100)取向的、具有岛状表面形貌的尖晶石γ-LiAlO2覆盖层。
4、根据权利要求2所述的γ-LiAlO2/α-Al2O3柔性衬底材料制备方法，其特征是利用去离子水溶解掉未反应的Li2O。
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