專利名稱：脈沖激光沉積制備γ－LiAlO的制作方法
技術領域：
本發明與InN-GaN基藍光半導體外延生長有關，特別是一種脈沖激光沉積制備γ-LiAlO2單晶薄膜覆蓋層襯底的方法。此襯底材料主要用作InN-GaN基藍光半導體外延生長。
背景技術：
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注，它們具有優異的特性，如穩定的物理和化學性質、高熱導和高電子飽和速度、直接帶隙材料的光躍遷幾率比間接帶隙的高一個數量級，因此寬帶隙InN-GaN基半導體在藍、綠光發光二極管(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用前景。由于InN-GaN熔點比較高，N2飽和蒸汽壓較大，InN-GaN體單晶制備十分困難，因此InN-GaN一般是在異質襯底上用外延技術生長的。
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。在當前，要生長大尺寸的GaN體單晶的技術更不成熟，且生長的成本高昂，離實際應用尚有相當長的距離。
白寶石晶體(α-Al2O3)、硅等易于制備，價格便宜，且具有良好的高溫穩定性等特點，α-Al2O3是目前最常用的InN-GaN基外延襯底材料，參見Jpn.J.Appl.Phys.，第36卷，1997年，第1568頁。
鋁酸鋰(γ-LiAlO2)是近幾年才受到重視的InN-GaN基外延襯底材料，由于其與GaN外延膜的晶格失配度相當小，只有1.4％，這使它有望成為一種相當理想的GaN外延襯底材料，參見美國專利USP6218280，Kryliouk Olga，Anderson Tim，ChaiBruce，“Method and apparatus for producing group-III nitrides”。
上述在先技術襯底(α-Al2O3、硅或γ-LiAlO2)存在的顯著缺點是(1)用α-Al2O3、硅等作襯底，襯底和GaN之間的晶格失配度高，使制備的GaN薄膜具有較高的位錯密度和大量的點缺陷；(2)由于LiAlO2熔體高溫下易發生非化學計量比揮發，晶體生長困難，難以獲得大尺寸、高質量的LiAlO2單晶體，最大的藍寶石直徑達到350mm，而LiAlO2的直徑都在100mm以下，而且，襯底的加工過程將造成大量的原材料的浪費。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于克服上述現有技術的缺點，提供一種脈沖激光沉積制備γ-LiAlO2單晶薄膜覆蓋層襯底的方法，該方法應具有工藝簡單、易操作，此種結構的襯底適合于高質量GaN的外延生長。
基于以上考慮，在本發明的關鍵是利用脈沖激光淀積(PLDpulsed laserdeposition)技術，在α-Al2O3或硅襯底上生成γ-LiAlO2覆蓋層，這里，α-Al2O3或硅起支撐其上的γ-LiAlO2薄層的作用。此種結構的襯底適合于高質量GaN薄膜的外延生長。
本發明方法主要包括兩個步驟首先是γ-LiAlO2的制備，然后利用脈沖激光淀積在α-Al2O3或硅襯底上制備一γ-LiAlO2覆蓋層。
本發明的脈沖激光淀積(PLD)制備γ-LiAlO2單晶薄膜覆蓋層襯底的方法的具體工藝流程如下<1>γ-LiAlO2靶材的制備稱取一定量的LiOH和Al2O3(摩爾比2∶1)放入反應容器中，在空氣氣氛中加熱保持溫度在600℃充分反應1.5h(以上)，即可得到γ-LiAlO2。化學反應式如下所示
然后將γ-LiAlO2粉壓制成靶材。
<2>將清洗的α-Al2O3或硅片襯底及γ-LiAlO2靶材送入脈沖激光淀積裝置內；<3>將腔內抽成超高真空，然后充入氬氣氣氛；<4>對襯底進行加熱，升溫至500～900℃，將KrF準分子激光通過透鏡聚焦，經光學窗口照射到裝置內的γ-LiAlO2靶材，靶材表層分子熔蒸后在襯底上沉積，生長一層γ-LiAlO2單晶薄膜，緩慢降溫后即可得到高質量的γ-LiAlO2薄膜。從而得到具有γ-LiAlO2單晶薄膜覆蓋層襯底材料。此種結構的襯底適合于高質量GaN的外延生長。
脈沖激光淀積(PLD)法的機理是將脈寬25-30ns(納秒)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，經光學窗口照射到裝置內的γ-LiAlO2靶材，靶材吸收激光后，由于電子激勵而成為高溫熔融狀態，使材料表面數十納米(nm)被蒸發氣化，氣體狀的微粒以柱狀被放出和被擴散，在離靶材的表面數厘米處放置的被加熱的α-Al2O3或硅襯底上附著、堆積，從而淀積成γ-LiAlO2薄膜。
本發明的技術特點是<1>、直接采用γ-LiAlO2作靶材，避免了與襯底進行反應制備γ-LiAlO2薄膜，有利于控制γ-LiAlO2薄膜的厚度和薄膜的均勻性。
<2>、在此結構中，α-Al2O3或硅等僅起支撐其上的γ-LiAlO2薄層的作用，可選用不同的襯底來支撐γ-LiAlO2，有利于降低成本。此種結構的襯底適合于高質量GaN的外延生長。


圖1是脈沖激光淀積(PLD)系統的示意圖。
具體實施例方式
先請參閱圖1，圖1是本發明具有γ-LiAlO2單晶薄膜覆蓋層襯底材料制備方法使用的脈沖激光沉積(PLD)裝置的示意圖。
下面通過實施例對本發明作進一步說明。該實施例是采用圖1的裝置，其具體的工藝流程如下實施例1<1>稱取一定量的LiOH和Al2O3(摩爾比2∶1)放入反應容器中，在空氣氣氛中加熱保持溫度在600℃，充分反應1.5h(以上)，即可得到γ-LiAlO2。然后將γ-LiAlO2粉壓制成靶材；<2>將清洗的α-Al2O3或硅襯底及γ-LiAlO2靶材送入脈沖激光淀積裝置內；<3>將腔內抽成高真空(＞10-4Pa)，然后充入氬氣氣氛；
<4>對襯底進行加熱，升溫至500℃，將脈寬25ns的KrF準分子激光通過透鏡以10J/cm2的能量密度聚光，經光學窗口照射到裝置內的γ-LiAlO2靶材，靶材表層分子熔蒸后在襯底上成膜，緩慢降溫后即可得到從而得到了γ-LiAlO2單晶薄膜。
實施例2<1>稱取一定量的LiOH和Al2O3(摩爾比2∶1)放入反應容器中，在空氣氣氛中加熱保持溫度在500℃充分反應1.5h(以上)，即可得到γ-LiAlO2。然后將γ-LiAlO2粉壓制成靶材；<2>將清洗的α-Al2O3或硅襯底及γ-LiAlO2靶材送入脈沖激光淀積裝置內；<3>將腔內抽成高真空(＞10-4Pa)，然后充入氬氣氣氛；<4>對襯底進行加熱，升溫至600℃，將脈寬25ns的KrF準分子激光通過透鏡以10J/cm2的能量密度聚光，經光學窗口照射到裝置內的γ-LiAlO2靶材，靶材表層分子熔蒸后在襯底上成膜，緩慢降溫后即可得到從而得到了γ-LiAlO2單晶薄膜。
實施例3<1>稱取一定量的LiOH和Al2O3(摩爾比2∶1)放入反應容器中，在空氣氣氛中加熱保持溫度在600℃充分反應1.5h(以上)，即可得到γ-LiAlO2。然后將γ-LiAlO2粉壓制成靶材；<2>將清洗的α-Al2O3或硅襯底及γ-LiAlO2靶材送入脈沖激光淀積裝置內；<3>將腔內抽成高真空(＞10-4Pa)，然后充入氬氣氣氛；<4>對襯底進行加熱，升溫至900℃，將KrF準分子激光通過透鏡以一定的能量密度聚光，經光學窗口照射到裝置內的γ-LiAlO2靶材，靶材表層分子熔蒸后在襯底上成膜，緩慢降溫后即可得到γ-LiAlO2單晶薄膜。
經實驗表明，本發明方法具有工藝簡單、易操作，此種結構的襯底適合于高質量GaN的外延生長。
權利要求
1.一種脈沖激光沉積制備γ-LiAlO2單晶薄膜覆蓋層襯底的方法，其特征在于該方法是首先是γ-LiAlO2的制備，然后利用脈沖激光淀積在α-Al2O3或硅襯底上制備一γ-LiAlO2覆蓋層。
2.根據權利要求1所述的脈沖激光沉積制備γ-LiAlO2單晶薄膜覆蓋層襯底的方法，其特征在于該方法包括如下具體步驟<1>按摩爾比2∶1的比例稱取一定量的LiOH和Al2O3放入反應容器中，在空氣氣氛中加熱至600℃，保溫時間≥1.5小時，充分反應，以得到γ-LiAlO2，然后將γ-LiAlO2粉壓制成靶材；<2>將清洗后的雙面拋光或單面拋光的襯底及γ-LiAlO2靶材送入脈沖激光淀積裝置內；<3>將脈沖激光淀積裝置腔內抽成超高真空，然后充入氬氣；<3>對襯底進行加熱，升溫至500～900℃，將KrF準分子激光通過透鏡聚光，經光學窗口照射到裝置內的γ-LiAlO2靶材，靶材表層分子熔蒸后在襯底上淀積，生長一層單晶薄膜，緩慢降溫后即得到高質量的具有γ-LiAlO2單晶薄膜覆蓋層襯底。
全文摘要
一種脈沖激光沉積制備γ－LiAlO
文檔編號C30B23/06GK1614103SQ20041006674
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月28日 優先權日2004年9月28日
發明者王銀珍, 徐軍, 周圣明, 楊衛橋, 李抒智, 彭觀良, 劉世良 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所