專利名稱：Yb的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種YB2單晶的用途，特別是作為外延GaN單晶薄膜的襯底材料使用。
近年來，III-V族氮化物半導體(Ga、In、Al)N作為蘭、蘭綠、紫外波段發光器件的候選材料，引起了人們的極大關注。但一直沒有找到非常合適的外延生長GaN基半導體單晶薄膜的襯底材料。
目前已經使用過外延GaN單晶薄膜用的襯底材料有GaN、Al2O3、SiC、ZnO、LiGaO2等十多種晶體。如文獻1(Proceedings of thesecond international conference of nitride semiconductors，Toksushima，Japan，October 27-31，1997)報道其中Al2O3單晶易于生長，成本低，外延溫度下不揮發、不變價而被廣泛使用。但因其對GaN晶格失配率高達16％，使得外延生長的GaN單晶薄膜中的位錯密度高達1011-13/cm2，是導致制成的發光管、激光管性能不夠滿意，成品率不高的主要原因。為了降低外延生長GaN單晶薄膜中的位錯密度，人們使用對GaN晶格失配率小的其它一些襯底材料如GaN、SiC、ZnO、LiGaO2、LiAlO2替代Al2O3。但GaN、SiC、ZnO單晶生長困難，成本高，如SiC熔點高達2700℃，不僅單晶生長困難，而且生長出的晶體中存在微管缺陷，使得它作為襯底材料使用不夠理想；LiGaO2、LiAlO2雖對GaN的晶格失配率僅1-2％，但因Li在外延溫度下易于揮發，污染外延真空室。
本發明的目的是將YB2單晶用作外延生長GaN單晶薄膜的襯底材料使用，特別是用作MOCVD外延生長的GaN單晶薄膜的襯底材料。
YB2單晶與GaN同屬六方晶系，空間群P6/mmm，晶格常數a＝3.299，c＝3.826，對GaN晶格失配率僅-3.4％；熔點高達2100℃，低于2000℃不會揮發；具有金屬特性，電阻率低，熱導率很高。過去YB2一直作為高溫耐熱陶瓷材料使用。YB2的晶體結構，特別是其晶格常數和GaN很接近，且物化性能穩定、熱導率高及其單晶比較容易生長。這里我們首次提出以YB2單晶作為GaN單晶薄膜的襯底材料使用。
本發明的目的是這樣實現的1.利用熔鹽籽晶提拉法或區熔法生長YB2單晶。熔鹽籽晶提拉法生長YB2單晶已由本申請人申請專利，申請號00130361.9，其內容本文結合引用。
2.YB2單晶經定向、切割、拋光制成單晶片，作為外延GaN單晶薄膜的襯底。對該單晶的取向沒有特別限制，優選(0001)面為主表面，但并不排除其他面。
3.在YB2襯底面，如(0001)面上利用外延技術生長GaN單晶薄膜。一般的外延生長都可以，例如濺射，CVD(化學氣相沉積)，等離子體CVD，離子鍍等。其中優選MOCVD(金屬有機化學氣相沉積)或MBE(分子束外延)。MOCVD或MBE技術外延生長GaN單晶薄膜都是晶體生長工作者十分熟悉的技術。
由于YB2單晶對GaN(a＝3.186，c＝5.158)的晶格失配率僅-3.4％，與Al2O3襯底相比，YB2作為外延GaN單晶薄膜的襯底材料，可有效地降低GaN單晶薄膜中的位錯密度。YB2的物化性能穩定，熔點高達2100℃，外延溫度(600℃～1000℃)下不會揮發污染外延真空室。YB2中的Y和B均為三價，即便有少量的Y3+及B3-離子在外延過程中進入GaN薄膜中，也不會破壞電價平衡而產生新的載流子。YB2晶體具有金屬特性，電阻率低，熱導率高，利于器件的制作。和GaN，SiC，ZnO晶體相比較，YB2高的熱導率，使之比較容易生長，利用熔鹽籽晶提拉法或區熔法很容易獲得厘米級YB2單晶。
實施例1將YB2單晶經定向后，切割出c向單晶片(即單晶片的主表面垂直(0001)方向)，經拋光制成YB2襯底，利用帶有水平反應室的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)裝置，在YB2襯底上外延生長GaN單晶薄膜。使用鎵的烷基化物(TMGa)作為鎵源，NH3作為氮源，TMGa的摩爾束流速度25μmol/min，NH3與TMGa的摩爾束流比(V/III)為4500，H2作載氣，襯底溫度850℃，TMG和NH3的混合物通過YB2襯底表面時發生熱分解反應，并在YB2襯底(0001)面上外延生長成所需厚度的GaN單晶薄膜。
實施例2
將YB2單晶經定向后，切割出c向單晶片(即單晶片的主表面垂直(0001)方向)，經拋光制成YB2襯底，利用分子束外延(MBE)技術外延生長GaN單晶薄膜。MBE系統配備標準噴射爐蒸發鎵，使用一個射頻(RF)源提供氮的等離子體，射頻源的功率為250W，N2的流速為1.7sccm，襯底溫度900℃，鎵和氮束流通過襯底，便在YB2襯底(0001)面上外延生長成GaN單晶薄膜，生長速率0.4-0.5μm/h，生長成GaN單晶薄膜的厚度為0.6-1.0μm。通過高溫電子衍射儀及X-射線衍射儀監控GaN單晶薄膜生長過程和表征，證實得到的GaN為纖鋅礦結構的GaN單晶薄膜。
晶格失配率的計算YB2對GaN的 Al2O3對GaN的晶格失配率16％，用它作襯底外延生長的GaN單晶薄膜中的位錯密度為1011-13/cm2；6H-SiC對GaN的晶格失配率為3.5％，用6H-SiC作襯底外延生長得到的GaN單晶薄膜中的位錯密度為108/cm2；用GaN單晶片作襯底外延生長的GaN單晶薄膜，其晶格失配率為0，得到的GaN單晶薄膜中的位錯密度可減為106/cm2。
由于YB2對GaN的晶格失配率僅-3.4％，和Al2O3襯底相比，可有效地降低外延生長GaN單晶薄膜中的位錯密度。
權利要求
1.一種YB2單晶的用途，其特征在于用作外延生長GaN單晶薄膜的襯底材料。
2.根據權利要求1所述的用途，其特征在于所述的GaN單晶薄膜可以利用MOCVD技術外延生長。
3.根據權利要求1所述的用途，其特征在于所述的GaN單晶薄膜可以利用MBE技術外延生長。
4.根據權利要求1所述的用途，其特征在于可以在YB2單晶的(0001)面上外延生長GaN單晶薄膜。
5.根據權利要求1所述的用途，其特征在于YB2單晶經定向、切割、拋光后制成襯底。
全文摘要
本發明涉及YB
文檔編號H01L21/18GK1355552SQ00133608
公開日2002年6月26日 申請日期2000年11月28日 優先權日2000年11月28日
發明者宋有庭, 吳星, 倪代秦 申請人:中國科學院物理研究所