專利名稱：適用于InN－GaN外延生長的復(fù)合襯底材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及InN-GaN外延生長，特別是一種適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
III族氮化物半導(dǎo)體材料InN-GaN具有優(yōu)異的特性，如穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)、高熱導(dǎo)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(shù)量級，因此，寬帶隙InN-GaN基半導(dǎo)體在短波長發(fā)光二極管、激光器和紫外探測器以及高溫電子器件方面顯示出廣闊的應(yīng)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(zhì)襯底上用外延技術(shù)生長的。
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)。
MgO晶體屬立方晶系，NaCl型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0.4126nm。熔點為2800℃。因MgO晶體與GaN的晶格失配達13％，且在MOCVD氣氛中不夠穩(wěn)定，因而使用較少。
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p-GaN/AlGaN barrier layer/InGaN-GaN quantumwells/AlGaN barrier layer/n-GaN/4um 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1萬粒左右，而如果襯底材料具有合適的電導(dǎo)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，上述襯底(α-Al2O3和MgO)存在的顯著缺點是(1)用α-Al2O3作襯底，α-Al2O3和GaN之間的晶格失配度高達14％，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MgO晶體與GaN的晶格失配達13％，且在MOCVD氣氛中不夠穩(wěn)定，因而使用較少；(3)以上透明氧化物襯底均不導(dǎo)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)的缺陷，提供一種適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料，它是在MgO單晶上設(shè)置一層MgIn2O4而構(gòu)成的。
所述的適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料的制備方法，包括下列具體步驟①在鉑金坩堝內(nèi)，放置有帶氣孔的MgIn2O4和In2O3混合料塊；②將雙面拋光或單面拋光的MgO晶片，置放或懸掛于鉑金絲上，加蓋鉑金片，再覆蓋有MgIn2O4和In2O3混合粉料，插設(shè)一熱電偶，坩堝頂部加鉑金蓋密閉，然后置于電阻爐中；③電阻爐加熱升溫至800～1400℃，恒溫20～100小時，In2O3擴散到MgO晶片中，從而得到了適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料。
所述的MgIn2O4和In2O3混合料塊的重量比為MgIn2O4∶In2O3＝(0～95％)∶(100～5％)。
所述的電阻爐也可以硅碳棒爐或硅鉬棒爐代替。
本發(fā)明的復(fù)合襯底材料(MgIn2O4/MgO)是利用氣相傳輸平衡(VaporTransport Equilibration，簡稱VTE)技術(shù)，在高溫、富銦的氣氛中，通過In3+離子的擴散，使In2O3和MgO固相反應(yīng)，制備具有MgIn2O4覆蓋層的MgO復(fù)合襯底材料。
本發(fā)明的特點是(1)提出了一種用于InN-GaN基藍光半導(dǎo)體外延生長的MgIn2O4襯底材料，該襯底與在先襯底相比，其與GaN(111)的晶格失配度較小，為1.1％，且該材料為透明導(dǎo)電氧化物材料。
(2)本發(fā)明提出利用氣相傳輸平衡(VTE)技術(shù)、In2O3與MgO的之間的固相反應(yīng)，在MgO單晶襯底上生成MgIn2O4覆蓋層，從而得到了MgIn2O4/MgO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MgIn2O4/MgO適合于高質(zhì)量GaN的外延生長。


圖1是氣相傳輸平衡實驗裝置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明所用的氣相傳輸平衡(VTE)技術(shù)制備復(fù)合襯底材料MgIn2O4/MgO的實驗裝置示意圖見圖1，鉑金坩堝1內(nèi)，放置有帶氣孔2的一定配比的MgIn2O4和In2O3混合料塊3，料塊3上部是鉑金絲4，雙面拋光或單面拋光的MgO晶片5置于鉑金絲4上，料塊3上部有鉑金片6和MgIn2O4和In2O3混合粉料7覆蓋，熱電偶8插入粉料7中，坩堝1頂部加鉑金蓋9密閉。
氣相傳輸平衡(VTE)技術(shù)是一種質(zhì)量傳輸過程，因此坩堝內(nèi)應(yīng)保證有足夠的In2O3供應(yīng)量，其次，氣相的平衡是依靠In2O3源源不斷地從MgIn2O4和In2O3混合料塊中揮發(fā)來維持的，為防止混合料塊表面In2O3耗盡造成的平衡破壞，應(yīng)使混合料塊具有多孔結(jié)構(gòu)，以盡量增加In2O3的揮發(fā)表面。
氧化鎂(MgO)晶片置于或懸于密閉的鉑金坩堝內(nèi)，然后將密閉的鉑金坩堝放入電爐(硅碳棒爐或硅鉬棒爐)內(nèi)，加熱到預(yù)定的平衡溫度，保溫一定的時間進行氣相平衡擴散，為了加快擴散過程和結(jié)構(gòu)調(diào)整過程，應(yīng)選取盡可能高的平衡溫度，一般選取800～1400℃。
本發(fā)明的氣相傳輸平衡(VTE)技術(shù)制備復(fù)合襯底材料MgIn2O4/MgO的具體工藝流程如下<1>在鉑金坩堝1內(nèi)，放置有帶氣孔2的MgIn2O4和In2O3混合料塊3，選取MgIn2O4∶In2O3＝(0～95％)∶(100～5％)重量比。
<2>將雙面拋光或單面拋光的MgO晶片5，置于或懸于鉑金絲4上，加上覆蓋有MgIn2O4和In2O3混合粉料7(配比同3)和熱電偶8的鉑金片6，坩堝頂部加鉑金蓋9密閉，置于電阻爐中。
<3>加熱升溫至800～1400℃左右，恒溫20～100小時，In2O3擴散到MgO晶片中，從而得到了適用于InN-GaN外延生長的MgIn2O4/MgO3復(fù)合襯底材料。
用上述的氣相傳輸平衡實驗裝置和具體的工藝流程制備適用于InN-GaN外延生長的MgIn2O4/MgO復(fù)合襯底材料的具體實施例如下在φ100×80mm的金坩堝1內(nèi)，放置有帶氣孔2的MgIn2O4和In2O3混合料塊3，選取[MgIn2O4]/[In2O3]＝75∶25重量比。將雙面拋光或單面拋光的MgO晶片5置于或懸于鉑金絲4上，加上覆蓋有MgIn2O4和In2O3混合粉料和熱電偶的坩堝蓋6，坩堝頂部加鉑金蓋9密閉，置于電阻爐中。加熱電阻爐升溫至900℃，恒溫100小時，In2O3擴散到MgO晶片中。從而得到了適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料。該復(fù)合襯底可用于生長高質(zhì)量InN-GaN薄膜外延生長。
權(quán)利要求
1.一種適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料，其特征在于它是在MgO單晶上設(shè)有一層MgIn2O4而構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料制備方法，其特征在于它包括下列具體步驟①在鉑金坩堝(1)內(nèi)，放置有帶氣孔(2)的MgIn2O4和In2O3混合料塊(3)；②將雙面拋光或單面拋光的MgO晶片(5)，置放或懸掛于鉑金絲(4)上，加蓋鉑金片(6)，再覆蓋有MgIn2O4和In2O3混合粉料(7)，插設(shè)一熱電偶(8)，坩堝(1)頂部加鉑金蓋(9)密閉，然后置于電阻爐中；③電阻爐加熱升溫至800～1400℃，恒溫20～100小時，In2O3擴散到MgO晶片中，從而得到了適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料的制備方法，其特征在于所述的MgIn2O4和In2O3混合料塊(3)的重量比為MgIn2O4∶In2O3＝(0～95％)∶(100～5％)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于InN-GaN外延生長的復(fù)合襯底材料的制備方法，其特征在于所述的電阻爐也可以硅碳棒爐或硅鉬棒爐代替。
全文摘要
一種適用于InN－GaN外延生長的復(fù)合襯底材料及其制備方法，該復(fù)合襯底材料是在MgO單晶上設(shè)有一層MgIn
文檔編號H01L21/08GK1523640SQ03150828
公開日2004年8月25日 申請日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者周圣明, 徐軍, 王海麗, 楊衛(wèi)橋, 李抒智, 彭觀良, 周國清, 宋詞, 杭寅, 蔣成勇, 趙廣軍, 司繼良 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所