專利名稱：MgIn的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于InN-GaN基藍(lán)光半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)的MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
以GaN為代表的寬帶隙III-V族化合物半導(dǎo)體材料正在受到越來越多的關(guān)注，它們將在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管和激光二極管、高密度信息讀寫、水下通信、深水探測(cè)、激光打印、生物及醫(yī)學(xué)工程，以及超高速微電子器件和超高頻微波器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
由于GaN熔點(diǎn)高、硬度大、飽和蒸汽壓高，故要生長(zhǎng)大尺寸的GaN體單晶需要高溫和高壓，波蘭高壓研究中心在1600℃的高溫和20kbar的高壓下才制出了條寬為5mm的GaN體單晶。在當(dāng)前，生長(zhǎng)大尺寸的GaN體單晶的技術(shù)還不成熟，且生長(zhǎng)的成本高昂，離實(shí)際應(yīng)用尚有相當(dāng)長(zhǎng)的距離。
藍(lán)寶石晶體(α-Al2O3)，易于制備，價(jià)格便宜，且具有良好的高溫穩(wěn)定性等特點(diǎn)，α-Al2O3是目前最常用的InN-GaN外延襯底材料(參見Jpn.J.Appl.Phys.，第36卷，1997年，第1568頁)。
MgAl2O4晶體屬立方晶系，尖晶石型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.8083nm。熔點(diǎn)為2130℃。
目前，典型的GaN基藍(lán)光LED是在藍(lán)寶石襯底上制作的。其結(jié)構(gòu)從上到下如下p-GaN/AlGaN barrier layer/InGaN-GaN quantumwells/AlGaN barrier layer/n-GaN/4um GaN。由于藍(lán)寶石具有極高的電阻率，所以器件的n-型和p-型電極必須從同一側(cè)引出。這不僅增加了器件的制作難度，同時(shí)也增大了器件的體積。根據(jù)有關(guān)資料，對(duì)于一片直徑2英寸大小的藍(lán)寶石襯底而言，目前的技術(shù)只能制作出GaN器件約1萬粒左右，而如果襯底材料具有合適的電導(dǎo)率，則在簡(jiǎn)化器件制作工藝的同時(shí)，其數(shù)目可增至目前的3～4倍。
綜上所述，在先技術(shù)襯底(α-Al2O3和MgAl2O4)存在的顯著缺點(diǎn)是(1)用α-Al2O3作襯底，α-Al2O3′和GaN之間的晶格失配度高達(dá)14％，使制備的GaN薄膜具有較高的位錯(cuò)密度和大量的點(diǎn)缺陷；(2)由于MgAl2O4晶體與GaN的晶格失配達(dá)9％，再加上綜合性能不如α-Al2O3，因而使用較少；(3)以上氧化物襯底均不導(dǎo)電，器件制作難度大，同時(shí)也增大了器件的體積，造成了大量的原材料的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種用作InN-GaN基藍(lán)光半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)的MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料及其制備方法。
本發(fā)明的MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料實(shí)際上是在MgAl2O4單晶上設(shè)有一層MgIn2O4而構(gòu)成，該復(fù)合襯底適合于外延生長(zhǎng)高質(zhì)量InN-GaN基藍(lán)光半導(dǎo)體薄膜。
MgIn2O4屬立方晶系，尖晶石型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.8864nm，MgIn2O4(111)與GaN的晶格失配度較小，為1.1％。但考慮到MgIn2O4大尺寸體單晶生長(zhǎng)困難，本發(fā)明提出利用脈沖激光淀積(PLDpulsed laserdeposition)技術(shù)和高溫退火方法，在MgAl2O4單晶襯底上生成MgIn2O4覆蓋層，從而得到MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底。在這里，MgAl2O4單晶起支撐其上的MgIn2O4透明導(dǎo)電薄層的作用。此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合襯底(MgIn2O4/MgAl2O4)適合于高質(zhì)量GaN的外延生長(zhǎng)。
本發(fā)明的基本思想是一種MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的制備方法，主要是利用脈沖激光淀積方法在MgAl2O4單晶襯底上制備MgIn2O4薄膜，然后通過高溫退火，在MgAl2O4單晶襯底上形成MgIn2O4覆蓋層。
本發(fā)明MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的制備方法，其特征在于它包括下列具體步驟
<1>在MgAl2O4單晶襯底上制備MgIn2O4薄膜將拋光、清洗過的MgAl2O4單晶襯底送入脈沖激光淀積系統(tǒng)，利用MgIn2O4靶材，采用脈寬25-30ns(納秒)的KrF準(zhǔn)分子激光器，激射波長(zhǎng)為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學(xué)窗口照射到真空裝置內(nèi)的MgIn2O4靶材，在富氧的反應(yīng)氣氛下，在被加熱的MgAl2O4單晶襯底上淀積MgIn2O4薄膜；<2>MgIn2O4/MgAl2O4的高溫退火將得到的MgIn2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，升溫至700～1200℃，得到MgIn2O4晶化覆蓋層，形成MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料。
所述的MgIn2O4/MgAl2O4的退火時(shí)，退火爐中的最佳溫度為950℃。
本發(fā)明的特點(diǎn)是(1)提出了一種用于InN-GaN基藍(lán)光半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)的MgIn2O4襯底材料，該襯底與在先襯底相比，其與GaN(111)的晶格失配度較小，為1.1％，且該材料為透明導(dǎo)電氧化物材料。
(2)本發(fā)明提出利用脈沖激光淀積(PLD)技術(shù)和MgIn2O4/MgAl2O4的高溫退火，在MgAl2O4單晶襯底上生成MgIn2O4覆蓋層，從而得到了MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底，該復(fù)合襯底的制備工藝簡(jiǎn)單、易操作，此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合襯底(MgIn2O4/MgAl2O4)適合于高質(zhì)量GaN的外延生長(zhǎng)。


圖1是本發(fā)明使用的脈沖激光淀積(PLD)系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明使用的脈沖激光淀積(PLD)系統(tǒng)的示意圖。PLD法的機(jī)理是首先將脈寬25-30ns的KrF準(zhǔn)分子激光器(激射波長(zhǎng)為248nm)通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學(xué)窗口照射到真空裝置內(nèi)的MgIn2O4靶材，靶材吸收激光后，由于電子激勵(lì)而成為高溫熔融狀態(tài)，使材料表面數(shù)十納米(nm)被蒸發(fā)氣化，氣體狀的微粒以柱狀被放出和被擴(kuò)散，在離靶材的表面數(shù)厘米處放置的適當(dāng)被加熱的MgAl2O4單晶襯底上，附著、堆積從而淀積成MgIn2O4薄膜。
本發(fā)明的脈沖激光淀積制備復(fù)合襯底材料MgIn2O4/MgAl2O4的具體工藝流程如下<1>將拋光、清洗過的MgAl2O4單晶襯底送入脈沖激光淀積PLD系統(tǒng)，在MgAl2O4單晶襯底上制備MgIn2O4薄膜。系統(tǒng)采用脈寬25-30ns(納秒)的KrF準(zhǔn)分子激光器，激射波長(zhǎng)為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學(xué)窗口照射到真空裝置內(nèi)的MgIn2O4靶材，在富氧的氣氛下淀積MgIn2O4薄膜；<2>然后將上步中得到的MgIn2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，升溫至700～1200℃，為了抑制In2O3的揮發(fā)，采用富In的氣氛，在高溫下退火，得到了MgIn2O4覆蓋層，通過控制退火時(shí)間得到具有不同厚度的MgIn2O4晶化覆蓋層，從而得到了MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底。此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合襯底適合于高質(zhì)量GaN的外延生長(zhǎng)。
用圖1所示的脈沖激光淀積(PLD)裝置制備MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的方法，以較佳實(shí)施例說明如下將拋光、清洗過的MgAl2O4單晶襯底送入脈沖激光淀積PLD系統(tǒng)，在MgAl2O4單晶襯底上制備MgIn2O4薄膜。該系統(tǒng)采用脈寬25-30ns(納秒)的KrF準(zhǔn)分子激光器，激射波長(zhǎng)為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學(xué)窗口照射到真空裝置內(nèi)的MgIn2O4靶材，在富氧的反應(yīng)氣氛下淀積MgIn2O4薄膜，MgAl2O4單晶襯底的溫度為300℃，控制MgIn2O4薄膜的厚度為500nm。然后將所得到的MgIn2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，升溫至950℃，為了抑制In的揮發(fā)，采用富In的反應(yīng)氣氛，MgIn2O4/MgAl2O4在高溫下退火，得到了MgIn2O4覆蓋層，通過控制退火時(shí)間得到具有不同厚度的MgIn2O4覆蓋層，從而得到了MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底。此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合襯底適合于高質(zhì)量GaN的外延生長(zhǎng)。
權(quán)利要求
1.一種MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料，其特征是在MgAl2O4單晶上設(shè)有一層MgIn2O4，構(gòu)成MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料制備方法，其特征是利用脈沖激光淀積方法在MgAl2O4單晶襯底上制備MgIn2O4薄膜，然后通過高溫退火，在MgAl2O4單晶襯底上形成MgIn2O4晶化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料制備方法，其特征是所述的脈沖激光淀積方法是利用脈寬25-30ns的KrF準(zhǔn)分子激光，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學(xué)窗口照射到真空裝置內(nèi)的MgIn2O4源，該MgIn2O4源被蒸發(fā)氣化，在加熱的MgAl2O4單晶襯底上，淀積成MgIn2O4薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料制備方法，其特征在于它包括下列具體步驟<1>在MgAl2O4單晶襯底上制備MgIn2O4薄膜將拋光、清洗過的MgAl2O4單晶襯底送入脈沖激光淀積系統(tǒng)，利用MgIn2O4靶材；采用脈寬25-30ns(納秒)的KrF準(zhǔn)分子激光器，激射波長(zhǎng)為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學(xué)窗口照射到真空裝置內(nèi)的MgIn2O4靶材，在富氧的反應(yīng)氣氛下，在被加熱的MgAl2O4單晶襯底上淀積MgIn2O4薄膜；<2>MgIn2O4膜晶化將得到的MgIn2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，升溫至700～1200℃，得到MgIn2O4晶化層，形成MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MgIn2O4/MgIn2O4復(fù)合襯底材料制備方法，其特征在于先陶瓷合成所述的MgIn2O4靶材。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MgIn2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的制備方法，其特征在于通過高溫退火使MgIn2O4晶化，退火爐中的最佳溫度為950℃。
全文摘要
一種MgIn
文檔編號(hào)H01L21/00GK1529366SQ20031010806
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月21日
發(fā)明者周圣明, 徐軍, 李抒智, 楊衛(wèi)橋, 彭觀良, 周國(guó)清, 司繼良, 杭寅, 趙廣軍, 劉世良, 鄒軍, 趙志偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所