專利名稱:一種用于制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的方法和裝置。
背景技術(shù):
目前國(guó)內(nèi)制備GaN:Re器件一般用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法在800~1100℃高溫下在藍(lán)寶石或Si襯底上外延生長(zhǎng)而成。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的原理為鎵的有機(jī)金屬化合物與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng),生成氮化鎵和有機(jī)物,是一種平衡化學(xué)反應(yīng)技術(shù);這種技術(shù)制備稀土摻雜氮化鎵(GaN:Re)發(fā)光器件通常需要用離子束技術(shù)向氮化鎵薄膜中注入稀土元素,稀土元素是質(zhì)量較大的重元素,離子注入必然引起嚴(yán)重的晶格損傷。分子束外延(MBE)技術(shù)則是使純金屬鎵在高溫下蒸發(fā),與氮?dú)獾牡入x子體發(fā)生反應(yīng),生成氮化鎵薄膜,要制備稀土摻雜氮化鎵(GaN:Re)發(fā)光器件只需在金屬鎵中摻入稀土元素或含稀土元素的化合物,但它是在高溫下發(fā)生反應(yīng),是一種高溫制備技術(shù)。MBE設(shè)備和運(yùn)行成本都十分昂貴。對(duì)薄膜晶體顯示器和太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō),由于一般采用玻璃襯底,制作流程需在較低溫度下完成,上述兩種方法都不適于這種應(yīng)用領(lǐng)域。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的方法和裝置,該方法和裝置能在較低溫度下在襯底上制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的方法,利用磁控濺射技術(shù),在0~500℃、真空條件下,以氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w作為濺射氣體,對(duì)摻雜有稀土粉末的金屬鎵進(jìn)行磁控濺射,使設(shè)在靶位處的襯底沉積上稀土摻雜的氮化鎵發(fā)光薄膜。
本發(fā)明可先在室溫下使襯底沉積一層氮化鎵薄膜;然后使襯底的溫度加熱到500℃或500℃以下,對(duì)襯底加上0~1000V的負(fù)偏壓,并在襯底沉積的氮化鎵薄膜上沉積稀土摻雜的氮化鎵薄膜。
上述稀土為T(mén)m、Er或/和Pr粉末,所述稀土的比摻雜量≤10atm.%。
上述真空條件為0.1~4Pa。
本發(fā)明還提供了一種制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的磁控濺射裝置,包括真空室,真空室內(nèi)設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的襯底架和3~5個(gè)磁控靶,襯底架上裝設(shè)有襯底,襯底設(shè)在磁控靶上方且使襯底面與磁控靶面平行,每個(gè)磁控靶分別接直流電源陰極;磁控靶內(nèi)設(shè)有冷卻室,冷卻室設(shè)有冷卻介質(zhì)進(jìn)口和出口。
上述襯底架上設(shè)有襯底加熱裝置。
上述襯底加有0-1000V內(nèi)連續(xù)可調(diào)的負(fù)偏壓。
本發(fā)明具有沉積溫度低、成膜面積大、膜-基附著力強(qiáng)、生長(zhǎng)速率高、無(wú)污染、摻雜工藝簡(jiǎn)單和無(wú)損傷等特點(diǎn),尤其適合于在玻璃襯底上制備稀土摻雜氮化鎵(GaN:Re)發(fā)光器件。本發(fā)明采用磁控濺射技術(shù),利用磁場(chǎng)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向,束縛和延長(zhǎng)電子運(yùn)動(dòng)軌跡,在形成高密度等離子體的異常輝光放電中,正離子對(duì)靶材轟擊引起靶材濺射,使其具有高速、低溫兩大特點(diǎn)。
圖1為本發(fā)明磁控濺射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為圖1的A-A放大視圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1和圖2所示,本發(fā)明包括真空室14,真空室14設(shè)有抽真空口4,真空室14內(nèi)設(shè)有3個(gè)水平放置的磁控靶5和可旋轉(zhuǎn)的襯底架13(襯底架13固定在由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸9上),襯底架13與磁控靶5相對(duì)且平行放置,且距離可調(diào)(可通過(guò)上下調(diào)節(jié)襯底架13的旋轉(zhuǎn)軸9來(lái)實(shí)現(xiàn)),以便優(yōu)化工藝參數(shù)。襯底架13上裝設(shè)有襯底12,襯底12設(shè)在磁控靶5上方且使襯底面與磁控靶面平行,每個(gè)磁控靶5分別接直流電源陰極8;磁控靶5內(nèi)設(shè)有冷卻室6,冷卻室6設(shè)有冷卻介質(zhì)7進(jìn)口和出口。真空室內(nèi)有磁控靶池,通過(guò)襯底架的旋轉(zhuǎn),可使其上的襯底位于任意靶位(即對(duì)準(zhǔn)磁控靶5),從而可在同一片襯底上濺射沉積摻雜不同稀土元素的GaN:Re薄膜。并通過(guò)調(diào)節(jié)襯底位于不同靶位的時(shí)間,調(diào)節(jié)摻雜不同元素薄膜的厚度。
磁控靶5的靶池3底板采用導(dǎo)熱性良好的紫銅,各個(gè)靶池3下面用分離的管道通水通電,以對(duì)靶池進(jìn)行循環(huán)冷卻和偏壓控制。每個(gè)磁控靶背面放置鐵硼強(qiáng)磁鐵,磁場(chǎng)布置方向相同,形成閉合場(chǎng),靶面磁場(chǎng)強(qiáng)度500Gauss;同時(shí)每個(gè)單獨(dú)的靶磁場(chǎng)布局方式都為非平衡磁場(chǎng)。同時(shí)為了進(jìn)一步提高膜-基附著力,本裝置的襯底架13安裝0-1000V的負(fù)偏壓2。本裝置還可以增加靶池?cái)?shù)量,達(dá)到制備復(fù)雜光電器件的目的。
本發(fā)明中的襯底架安裝加熱器和熱電偶1,可精確控制襯底溫度。氣體10流量可通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)11控制。真空系統(tǒng)可由擴(kuò)散泵和機(jī)械泵組成,也可以采用分子泵。沉積時(shí)工作氣體為氮?dú)?、氬氣混合氣體。用質(zhì)量流量計(jì)11對(duì)氣體10的流量進(jìn)行控制。
本發(fā)明與目前國(guó)內(nèi)外通用的器件制備裝置不同,它是一種多靶位磁控濺射技術(shù),可用于在玻璃襯底上低溫沉積GaN:Re薄膜,為直流磁控濺射技術(shù)??蓽?zhǔn)確控制GaN:Re薄膜的層數(shù)和厚度,每一層可準(zhǔn)確摻雜一種或幾種稀土元素。
總之,本發(fā)明提供的技術(shù)具有多靶位沉積摻雜不同稀土元素的特點(diǎn)GaN的優(yōu)點(diǎn),沉積溫度在500℃以下??朔四壳皣?guó)際上普遍采用的高溫生長(zhǎng)方法的缺陷和不能靈活控制摻雜重元素的缺點(diǎn),是一種適合于在玻璃襯底上制備稀土摻雜氮化鎵(GaN:Re)發(fā)光器件的低溫沉積技術(shù)。
實(shí)施例1在真空室內(nèi)有3個(gè)磁控靶池,其中2個(gè)靶池內(nèi)的金屬鎵中分別摻雜Tm和Er的單一稀土粉末(粒徑10μm)。Tm對(duì)靶的摻雜比例為1at.%,Er對(duì)靶的摻雜比例為10at.%。另一靶池不摻雜稀土元素。調(diào)整襯底架到靶面的距離為11cm。抽真空到10-4pa以下,真空度穩(wěn)定后,通氮?dú)夂蜌鍤?∶99(體積比)的混合氣體,使工作真空達(dá)到4.0Pa,保持此時(shí)的真空度不變。打開(kāi)冷水機(jī),使靶池的溫度冷卻至10℃以下。先使襯底旋轉(zhuǎn)到?jīng)]摻雜稀土元素的靶池上方,打開(kāi)此靶的直流濺射電源,不對(duì)襯底進(jìn)行加熱,先低溫沉積一層無(wú)定形氮化鎵薄膜,沉積5分鐘。打開(kāi)加熱裝置,使襯底的溫度加熱到500℃。打開(kāi)偏壓電源,在襯底架上加上50V的負(fù)偏壓。接通摻雜有Tm的磁控靶池的直流電源,對(duì)摻雜有Tm的金屬鎵靶進(jìn)行輝光放電30分鐘。斷開(kāi)摻雜有Tm的磁控靶池的直流電源,開(kāi)動(dòng)電動(dòng)機(jī),使剛沉積過(guò)的襯底旋轉(zhuǎn)到摻雜有Er的磁控靶池上方,接通其直流電源,進(jìn)行磁控濺射30分鐘。依次斷開(kāi)直流濺射電源、偏壓電源、襯底加熱溫度和混合氣體。在高真空下使襯底冷卻到50℃以下,冷卻過(guò)程中仍然保持通冷卻水,直到冷卻完畢。對(duì)真空室放氣,打開(kāi)爐體即可得到一個(gè)在同一襯底上有三層氮化鎵薄膜,每層氮化鎵薄膜中分別摻雜有Tm和Er的氮化鎵薄膜。對(duì)薄膜進(jìn)行進(jìn)一步加工即可得到發(fā)藍(lán)綠光的氮化鎵發(fā)光器件。
實(shí)施例2在真空室內(nèi)有3個(gè)磁控靶池,先在一個(gè)靶池內(nèi)的金屬鎵中摻雜Tm和Er的稀土納米粉末(粒徑100nm)。Tm的摻雜量為0.8at.%,Er的摻雜量為1at.%。第二個(gè)靶池?fù)诫s帶有Eu元素的稀土納米粉末(粒徑80nm),Eu元素的稀土納米粉末的質(zhì)量含量為0.5at.%。第三個(gè)靶池不摻雜稀土元素。調(diào)整襯底架到靶面的距離為10cm。抽真空到10-4pa以下,直到真空度穩(wěn)定。通氮?dú)夂蜌鍤?∶5(體積比)的混合氣體,使工作真空達(dá)到0.1Pa,保持此時(shí)的真空度不變。打開(kāi)冷水機(jī),使靶池的溫度冷卻至10℃以下。先使襯底旋轉(zhuǎn)到?jīng)]摻雜稀土元素的靶池上方,打開(kāi)此靶的直流濺射電源,不對(duì)襯底加熱,不加偏壓,先低溫沉積一層無(wú)定形氮化鎵薄膜,沉積5分鐘。打開(kāi)加熱裝置,使襯底的溫度加熱到300℃。打開(kāi)偏壓電源,在襯底架上加上100V的負(fù)偏壓。接通摻雜有Tm的磁控靶池的直流電源,對(duì)摻雜有Tm的金屬鎵靶進(jìn)行輝光放電40分鐘。斷開(kāi)摻雜有Tm的磁控靶池的直流電源,開(kāi)動(dòng)電動(dòng)機(jī),使剛沉積過(guò)的襯底旋轉(zhuǎn)到摻雜有Er的磁控靶池上方,接通其直流電源,進(jìn)行磁控濺射40分鐘。依次斷開(kāi)直流濺射電源、偏壓電源、襯底加熱溫度和混合氣體。在高真空下使襯底冷卻到50℃以下,冷卻過(guò)程中仍然保持通冷卻水,直到冷卻完畢。對(duì)真空室放氣,打開(kāi)爐體即可得到一個(gè)在同一襯底上沉積有二層氮化鎵的薄膜,一層摻雜有Tm和Er,另一層摻雜有Eu。對(duì)薄膜進(jìn)行進(jìn)一步加工即可得到發(fā)白光的氮化鎵發(fā)光器件。
實(shí)施例3在真空室內(nèi)有3個(gè)磁控靶池,先在一個(gè)靶池內(nèi)的金屬鎵中摻雜Tm和Er的稀土納米粉末(粒徑50nm),Tm的摻雜量為0.5at.%,Er的摻雜量為2.0at.%。第二個(gè)靶池?fù)诫s帶有Eu元素的稀土納米粉末(粒徑50nm)和Tm的納米粉末(粒徑50nm),Eu元素的稀土納米粉末的質(zhì)量含量為1.0at.%,Tm摻雜量為1.0at.%。第三個(gè)靶池不摻雜稀土元素。調(diào)整襯底架到靶面的距離為8cm。抽真空到10-4Pa以下,真空度穩(wěn)定后。通氮?dú)?,使工作真空達(dá)到0.5Pa,保持此時(shí)的真空度不變。打開(kāi)冷水機(jī),使靶池的溫度冷卻至10℃以下。先使襯底旋轉(zhuǎn)到?jīng)]摻雜稀土元素的靶池上方,打開(kāi)此靶的直流濺射電源,不對(duì)襯底加熱,不加偏壓,先低溫沉積一層無(wú)定形氮化鎵薄膜,沉積5分鐘。打開(kāi)加熱裝置,使襯底的溫度加熱到300℃。打開(kāi)偏壓電源,在襯底架上加上100V的負(fù)偏壓。接通摻雜有Tm的磁控靶池的直流電源,對(duì)摻雜有Tm的金屬鎵靶進(jìn)行輝光放電40分鐘。斷開(kāi)摻雜有Tm的磁控靶池的直流電源,開(kāi)動(dòng)電動(dòng)機(jī),使剛沉積過(guò)的襯底旋轉(zhuǎn)到摻雜有Er的磁控靶池上方,接通其直流電源,進(jìn)行磁控濺射40分鐘。依次斷開(kāi)直流濺射電源、偏壓電源、襯底加熱溫度和混合氣體。在高真空下使襯底冷卻到50℃以下,冷卻過(guò)程中仍然保持通冷卻水,直到冷卻完畢。對(duì)真空室放氣,打開(kāi)爐體即可得到一個(gè)在同一襯底上沉積有二層氮化鎵的薄膜,一層摻雜有Tm和Er,另一層摻雜有Tm和Eu。對(duì)薄膜進(jìn)行進(jìn)一步加工即可得到發(fā)白光的氮化鎵發(fā)光器件。
權(quán)利要求
1.一種用于制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的方法,其特征在于利用磁控濺射技術(shù),在0~500℃、真空條件下,以氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w作為濺射氣體,對(duì)摻雜有稀土粉末的金屬鎵進(jìn)行磁控濺射,使設(shè)在靶位處的襯底沉積上稀土摻雜的氮化鎵發(fā)光薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于先在室溫下使襯底沉積一層氮化鎵薄膜;然后將襯底的溫度加熱到500℃或500℃以下,對(duì)襯底加上0~1000V的負(fù)偏壓,并在襯底沉積的氮化鎵薄膜上沉積稀土摻雜的氮化鎵薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于所述稀土為T(mén)m、Er或/和Pr粉末,所述稀土的比摻雜量≤10atm.%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于上述真空條件為0.1~4Pa。
5.一種制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的磁控濺射裝置,包括真空室,其特征在于真空室內(nèi)設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的襯底架和3~5個(gè)磁控靶,襯底架上裝設(shè)有襯底,襯底設(shè)在磁控靶上方且使襯底面與磁控靶面平行,每個(gè)磁控靶分別接直流電源陰極;磁控靶內(nèi)設(shè)有冷卻室,冷卻室設(shè)有冷卻介質(zhì)進(jìn)口和出口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁控濺射裝置,其特征在于襯底架上設(shè)有襯底加熱裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的磁控濺射裝置,其特征在于襯底加有0-1000V內(nèi)連續(xù)可調(diào)的負(fù)偏壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的方法,控制襯底的溫度在0~500℃范圍內(nèi),以氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w作為濺射氣體,真空條件下,對(duì)摻雜有稀土粉末的金屬鎵進(jìn)行磁控濺射,使設(shè)在靶位處的襯底沉積上稀土摻雜的氮化鎵發(fā)光薄膜。本發(fā)明還提供了一種制備稀土摻雜氮化鎵發(fā)光薄膜的磁控濺射裝置,包括真空室,真空室內(nèi)設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的襯底架和3~5個(gè)磁控靶,襯底架上裝設(shè)有襯底,襯底設(shè)在磁控靶上方且使襯底面與磁控靶面平行,每個(gè)磁控靶分別接直流電源陰極;磁控靶內(nèi)設(shè)有冷卻室,冷卻室設(shè)有冷卻介質(zhì)進(jìn)口和出口。本發(fā)明具有沉積溫度低、成膜面積大、膜-基附著力強(qiáng)、生長(zhǎng)速率高、無(wú)污染、摻雜工藝簡(jiǎn)單和無(wú)損傷等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/54GK1962932SQ20061012520
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者付德君, 陰明利, 郭立平, 劉傳勝 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)