射频磁控溅射法制备Γ－LIALOSUB2/SUB单晶薄膜覆盖层衬底的方法.pdf

一种射频磁控溅射法制备γ－LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的方法，先合成制备γ－LiAlO2靶材，然后利用射频磁控溅射法在α－Al2O3或硅等单晶衬底上制备γ－LiAlO2单晶薄膜，本发明的射频磁控溅射法制备γ－LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的工艺简单、易操作，此种具有γ－LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底材料适合于高质量GaN的外延生长。

1、  一种射频磁控溅射法制备γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底的方法，其特征是先制备γ-LiAlO₂靶材，然后利用射频磁控溅射法在α-Al₂O₃或硅衬底上形成γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层。

2、  根据权利要求1所述的射频磁控溅射法制备γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底的方法，其特征在于它包括下列具体步骤：
<1>γ-LiAlO₂靶材制备：按摩尔比2∶1称取一定量的LiOH和Al₂O₃，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1.5小时或1.5小时以上，得到γ-LiAlO₂粉，然后将γ-LiAlO₂粉压制成靶材；
<2>在α-Al₂O₃或硅单晶衬底上制备γ-LiAlO₂薄膜：将抛光、清洗过的α-Al₂O₃或硅单晶衬底送入射频磁控溅射装置，仪器系统的基础真空压力为2×10^-3pa，溅射用纯度≥99.999％的高纯氩气，衬底为双面抛光的α-Al₂O₃或硅单晶片，薄膜淀积速率为0.063nm/s，得到γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层的衬底材料。

射频磁控溅射法制备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，特别是一种射频磁控溅射法制备γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的方法。
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USP6218280，Kryliouk Olga，Anderson Tim，Chai Bruce，“Method and apparatus forproducing 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，该衬底和GaN之间的晶格失配度高，达14％，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，衬底的加工过程造成了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，提供一种用于InN-GaN基蓝光半导体外延生长的具有LiAlO₂单晶薄膜覆盖层的衬底的制备方法，
目前GaN的外延生长主要在α-Al₂O₃异质衬底上进行。然而α-Al₂O₃或硅等和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。基于以上考虑，在本发明的关键是：利用射频磁控溅射技术，在α-Al₂O₃或硅等衬底上直接生成γ-LiAlO₂覆盖层。在这里α-Al₂O₃或硅等起支撑其上的γ-LiAlO₂薄层的作用。
本发明射频磁控溅射法制备γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的方法，主要包括两个步骤：首先是γ-LiAlO₂靶材的制备，然后利用射频磁控溅射技术在α-Al₂O₃或硅等衬底上制备γ-LiAlO₂覆盖层的。
本发明的特点是：
<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>、在具有γ-LiAlO₂薄膜覆盖层衬底的结构中，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。
<3>、本发明方法工艺简单、易操作，此种具有γ-LiAlO₂单晶薄膜覆盖层衬底材料适合于高质量GaN的外延生长。
附图说明
图1是射频磁控溅射装置结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1是本发明使用的射频磁控溅射装置结构示意图。图中：1-冷却水；2-基板座转动机构；3-基板座；4-溅射靶；5-靶座；6-接地屏蔽；7-磁铁；8-射频电源发生器；9-冷却水；10-真空室；11-挡板；12-氩气；13-抽真空系统。
溅射的机理是：Ar⁺经电场加速后成为高能入射粒子撞击γ-LiAlO₂靶材，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程，在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来，在离靶材的表面数厘米处放置的单晶衬底上，附着、堆积从而淀积成γ-LiAlO₂薄膜。
本发明的射频磁控溅射法制备γ-LiAlO2单晶薄膜覆盖层衬底的方法，具体工艺流程如下：
<1>按摩尔比2∶1称取一定量的LiOH和Al₂O₃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1.5小时或1.5小时以上，得到γ-LiAlO₂，然后将γ-LiAlO₂粉压制成靶材；
<2>在单晶衬底上制备γ-LiAlO₂薄膜。
下面通过较佳实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的技术保护范围。
实施例一
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1.5小时，得到γ-LiAlO₂，然后将γ-LiAlO₂粉压制成靶材。
将抛光、清洗过的α-Al₂O₃单晶衬底送入Edwards ESM100型射频磁控溅射装置，该装置的真空室地尺寸为φ322×270mm，抽真空系统为机械泵、油扩散泵，附加液氮冷却阱，真空度可达2×10^-4Pa，靶座内径100mm，内腔通冷却水，用压圈和螺钉固定靶。基板座φ250mm，内通冷却水，靶与基板之间的距离约60mm。溅射用的射频电源发生器用晶体管控制，功率可在0～1000W范围内调节，输出阻抗为50Ω，频率为13.56MHz。在溅射沉积薄膜时，仪器系统的基础真空压力为2×10^-3Pa，射频功率范围为100-250W，靶直径为85mm，厚度3mm，溅射用纯度≥99.999％的高纯氩气，氩气压强为6.6×10^-2Pa，衬底为双面抛光的α-Al₂O₃单晶片，衬底温度为600℃，薄膜淀积速率为0.063nm/s，合38/min，采用石英晶振片监控淀积速率，薄膜厚度为500nm。
实施例之二
按摩尔比2∶1称取一定量的LiOH和Al₂O₃，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1.5小时以上，得到γ-LiAlO₂。然后将γ-LiAlO₂粉压制成靶材。
将抛光、清洗过的Si单晶衬底送入Edwards ESM100型射频磁控溅射装置，真空度大于2×10^-4Pa，溅射用纯度≥99.999％的高纯氩气，氩气压强为6.6×10^-2Pa，衬底温度为700℃，薄膜淀积速率为0.063nm/s左右，薄膜厚度为500nm。