專利名稱：Cd(In,Ga)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及InN-GaN基藍光半導體外延生長，特別是一種用于InN-GaN基藍光半導體外延生長的Cd(In，Ga)2O4/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族化合物半導體材料正在受到越來越多的關(guān)注，它們將在藍、綠光發(fā)光二極管(LEDs)和激光二極管(LDs)、高密度信息讀寫、水下通信、深水探測、激光打印、生物及醫(yī)學工程，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熔點高、硬度大、飽和蒸汽壓高，故要生長大尺寸的GaN體單晶需要高溫和高雅，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。在目前，要生長大尺寸的GaN體單晶的技術(shù)更不成熟，且生長的成本高，離實際應(yīng)用尚有相當長的距離。
藍寶石晶體(α-Al2O3)，易于制備，價格便宜，且具有良好的高溫穩(wěn)定性等特點，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，熔點為2130℃。因MgAl2O4晶體與GaN的晶格失配達9％，且其綜合性質(zhì)不如α-Al2O3顧很少使用。
目前，典型的GaN基藍光LED是在藍寶石襯底上制作的。其結(jié)構(gòu)從上到下如下所示p-GaN/AlGaN barrer layer/InGaN-GaN quantumwells/AIGaN barrier layer/n-GaN/4μm GaN。由于藍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，同時也增大了器件的體積。根據(jù)有關(guān)資料，對于一片直徑2英寸大小的藍寶石襯底而言，目前的技術(shù)只能制作出GaN器件約l萬粒左右，而如果襯底材料具有合適的電導率，則在簡化器件制作工藝的同時，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)存在顯著缺點(1)用α-Al2O3作襯底，α-Al2O3和GaN之間的晶格失配度高達14％，是制備的GaN薄膜具有較高的位錯密度和大量的點缺陷；(2)由于MgAl2O4晶體與GaN的晶格失配達9％，再加上綜合性能不如α-Al2O3，因而使用較少；(3)以上透明氧化物襯底均不導電，器件制作難度大，同時也增大了器件的體積，造成了大量的原材料的浪費。

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，提供一種用作InN-GaN基藍光半導體外延生長的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料及其制備方法。
本發(fā)明的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料實際上是在MgAl2O4單晶上設(shè)有一層Cd(In，Ga)2O4而構(gòu)成，該復(fù)合襯底適合于外延生長高質(zhì)量InN-GaN基藍光半導體薄膜。
Cd(In，Ga)2O4是CdIn2O4和CdGa2O4所形成的固溶體化合物，屬于立方晶系，尖晶石型結(jié)構(gòu)。Cd(In，Ga)2O4(111)與GaN的晶格失配度很小，當CdIn2O4和CdGa2O4以適當?shù)谋壤纬晒倘荏w時，其(111)面可以與GaN完全匹配，但由于Cd(In，Ga)2O4大尺寸體單晶生長困難，本發(fā)明提出利用脈沖激光淀積的方法，在MgAl2O4單晶襯底上生長Cd(In，Ga)2O4覆蓋層，從而得到Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底。在這里，MgAl2O4單晶起支撐其上的Cd(In，Ga)2O4透明導電薄膜的作用。此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合襯底[Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4]適合于外延生長高質(zhì)量的GaN。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種Cd(In，Ga)2O4/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Cd(In，Ga)2O4薄膜，通過高溫退火，在MgAl2O4單晶襯底上形成Cd(In，Ga)2O4單晶覆蓋層。
本發(fā)明Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的制備材料的制備方法，其特征在于它包括下列具體步驟<1>在MgAl2O4單晶襯底上制備Cd(In，Ga)2O4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)，Cd(In，Ga)2O4源采用Cd(In，Ga)2O4多晶靶材；采用脈寬25-30ns的KrF準分子激光器，激射波長為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學窗口照射到真空裝置內(nèi)的Cd(In，Ga)2O4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Cd(In，Ga)2O4薄膜，膜厚大于100nm。
<2>高溫退火將得到的Cd(In，GA)2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，升溫，在700～1500℃和富氧的氣氛下，退火處理，得到Cd(In，Ga)2O4單晶的覆蓋層，形成Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料。
所述的Cd(In，Ga)2O4多晶靶材所用原料及其比例為CdO∶In2O3∶Ga2O3＝2∶1∶1，所得多晶靶材的純度優(yōu)于99.999％。
所述的高溫退火處理，退火爐內(nèi)的最佳溫度為1000℃。
本發(fā)明的特點是(1)提出了一種用于InN-GaN基藍光半導體外延生長的Cd(In，Ga)2O4襯底材料，該襯底與在先襯底相比，其與GaN(111)的晶格失配度小，適當改變Mg和Cd的比例可以使其與與GaN(111)的晶格相匹配，且該材料為透明導電氧化物材料。
(2)本發(fā)明提出利用脈沖激光淀積(PLD)技術(shù)，在MgAl2O4單晶襯底上生成Cd(In，Ga)2O4覆蓋層，從而得到了Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底，該復(fù)合襯底的制備工藝簡單、易操作，此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合襯底[Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4]適合于高質(zhì)量的GaN的外延生長。


圖1是脈沖激光淀積(PLD)系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
圖1是脈沖激光淀積(PLD)系統(tǒng)的示意圖。PLD的機理是首先將脈寬25-30ns的KrF準分子激光器波長為248nm的激光通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學窗口照射到真空裝置內(nèi)的Cd(In，Ga)2O4多晶靶材，靶材吸收激光后，由于電子激勵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散，在離靶材的數(shù)厘米處放置的適當被加熱的MgAl2O4單晶襯底上，附著、堆積從而淀積成Cd(In，Ga)2O4薄膜。膜厚大于100nm。
本發(fā)明的脈沖激光淀積(LPD)技術(shù)制備復(fù)合襯底材料Cd(In，Ga)2O4/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)制備Cd(In，Ga)2O4薄膜，在MgAl2O4單晶襯底上制備Cd(In，Ga)2O4薄膜，Cd(In，Ga)2O4源采用99.999％以上的Cd(In，Ga)2O4多晶靶材，靶材所用原料為CdO∶In2O3∶Ga2O3＝2∶1∶1。系統(tǒng)采用脈寬25-30ns的KrF準分子激光器，激射波長為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學窗口照射到真空裝置中的Cd(In，Ga)2O4靶材，在富氧的氣氛下淀積Cd(In，Ga)2O4薄膜，膜厚大于100nm。
<2>然后將上步驟中得到的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，在700～1500℃退火，可以得到Cd(In，Ga)2O4的單晶覆蓋層，從而得到了Cd(In，Ga)2O4/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。
用圖1所示的脈沖激光淀積(PLD)實驗裝置制備Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的方法，以較佳實施例說明如下實施例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)制備Cd(In，Ga)2O4薄膜，Cd(In，Ga)2O4源采用99.999％以上的Cd(In，Ga)2O4多晶靶材。系統(tǒng)采用脈寬25-30ns的KrF準分子激光器，激射波長為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學窗口照射到真空裝置中的Cd(In，Ga)2O4靶材，在富氧的氣氛下淀積Cd(In，Ga)2O4薄膜，MgAl2O4單晶襯底溫度為300℃，控制Cd(In，Ga)2O4薄膜的厚度為300nm。然后將上步驟中得到的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，升溫至1000℃退火處理，即得到Cd(In，Ga)2O4的單晶覆蓋層，從而得到Cd(In，Ga)2O4/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。
實施例2將拋光、清洗過的MgAl2O4單晶襯底送入脈沖激光淀積PLD系統(tǒng)制備Cd(In，Ga)2O4薄膜，Cd(In，Ga)2O4源采用99.999％以上的Cd(In，Ga)2O4多晶靶材。系統(tǒng)采用脈寬25-30ns的KrF準分子激光器，激射波長為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學窗口照射到真空裝置中的Cd(In，Ga)2O4靶材，在富氧的氣氛下淀積Cd(In，Ga)2O4薄膜，MgAl2O4單晶襯底溫度為100℃，控制Cd(In，Ga)2O4薄膜的厚度為100nm。然后將上步驟中得到的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，升溫至700℃退火處理，即得到Cd(In，Ga)2O4的單晶覆蓋層，從而得到Cd(In，Ga)2O4/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。
實施例3將拋光、清洗過的MgAl2O4單晶襯底送入脈沖激光淀積PLD系統(tǒng)制備Cd(In，Ga)2O4薄膜，Cd(In，Ga)2O4源采用99.999％以上的Cd(In，Ga)2O4多晶靶材。系統(tǒng)采用脈寬25-30ns的KrF準分子激光器，激射波長為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學窗口照射到真空裝置中的Cd(In，Ga)2O4靶材，在富氧的氣氛下淀積Cd(In，Ga)2O4薄膜，MgAl2O4單晶襯底溫度為300℃，控制Cd(In，Ga)2O4薄膜的厚度為500nm。然后將上步驟中得到的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐中，升溫至1500℃退火處理，即得到Cd(In，Ga)2O4的單晶覆蓋層，從而得到Cd(In，Ga)2O4/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。
權(quán)利要求
1.一種Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料，其特征是在MgAl2O4單晶上設(shè)有一層Cd(In，Ga)2O4的晶化薄膜而構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合材料的制備方法，其特征是利用脈沖激光淀積方法在MgAl2O4單晶襯底上制備Cd(In，Ga)2O4薄膜，然后再通過高溫退火，在MgAl2O4單晶襯底上形成的晶化膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的制備方法，其特征是所述的脈沖激光淀積方法是利用脈寬25-30ns的KrF準分子激光，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學窗口照射到真空裝置內(nèi)的Cd(In，Ga)2O4源，該Cd(In，Ga)2O4源被蒸發(fā)氣化，在加熱的MgAl2O4單晶襯底上，淀積成Cd(In，Ga)2O4薄膜，膜厚大于100nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Cd(In，Ga)2O4/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Cd(In，Ga)2O4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Cd(In，Ga)2O4靶材，采用脈寬25-30ns的KrF準分子激光器，激射波長為248nm，通過透鏡以約10J/cm2的能量密度聚光，經(jīng)光學窗口照射到真空裝置內(nèi)的Cd(In，Ga)2O4靶材，在富氧的反應(yīng)氣氛下，在加熱的MgAl2O4單晶襯底上淀積Cd(In，Ga)2O4薄膜，膜厚大于100nm；<2>Cd(In，Ga)2O4薄膜的晶化將得到的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4樣品放入退火爐內(nèi)，升溫，在700～1500℃進行退火，得到Cd(In，Ga)2O4晶化層，形成Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的制備方法，其特征在于先用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)合成方法合成所述的Cd(In，Ga)2O4靶材，靶材所用原料為CdO∶In2O3∶Ga2O3＝2∶1∶1。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Cd(In，Ga)2O4/MgAl2O4復(fù)合襯底材料的制備方法，其特征在于所述的Cd(In，Ga)2O4晶化高溫退火的最佳溫度為1000℃。
全文摘要
一種Cd(In，Ga)
文檔編號H01L33/00GK1588615SQ20041006713
公開日2005年3月2日 申請日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者夏長泰, 張俊剛, 徐軍, 周國清, 吳鋒, 彭觀良 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所