C面蓝宝石上单一取向γ-LiAlO2层的生长研究（可编辑）

C面蓝宝石上单一取向γ-LiAlO2层的生长研究（可编辑） C面蓝宝石上单一取向γ-LiAlO2层的生长研究 中国科学 E 辑 工程科学 科学 2005, 353: 249~253 249 C 面蓝宝石上单一取向 γ-LiAlO 层 2的生长研究 李抒智 杨卫桥 周圣明 徐 军 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800 摘要 用 气 相 传输平 衡技术 VTE 在 0001 蓝 宝石衬 底上制备 了单相 的 γ-LiAlO 薄层. X 射线衍射明, 在适当 的温度1050?1100 ? 条件 下, 此γ-LiAlO 2 2 薄层为高度[100]取向, 并 通过扫描 电子 显微 镜和透射 光 谱, 了 影响薄膜质量 的因素. 这一 实验结果意味着有望通过 VTE 技术制备 用于 GaN 基 器件外延生长 的γ-LiAlO 100//Al O 0001复合衬底2 2 3 关键词 γ-LiAlO 复合衬底 气相传输平衡技术 2 GaN 及其合金作为第三代半导体材料具有众多优异的物理和化学性质, 在 光电子器件、高温大功率电子器件以及高频微波器件方面具有广阔的应用前景, [1] 已成为当前高科技领域的研究重点由于 GaN 熔点高、硬度大、饱和蒸汽压高, 要生长大尺寸 GaN体单晶十分困难, 且生长成本高昂, 离实际应用还有相当长的 [2] 距离故目前都是在异质衬底上生长氮化物薄膜. 现在昀普遍使用的氮化物外 延膜衬底材料是 c 面蓝宝石, 这主要是因为 Al O 晶体生长成熟、成本相对 2 3 [3] 较低、物化性能稳定但是由于0001Al O 晶体与其上外延的0001GaN 膜的 2 3 晶格失配比较大大于 14%, 在外延膜中产生了较大的应力从而引起大量的缺陷虽然通过缓冲层二步生长法、侧向外延等技术, 可以降低外延膜中的应力, 从而 减小膜中的 TD 密度, 但是这些方法降低了膜制备的可重复性, 同时制作的复杂 性导致了成本的增加. 昀近 , 作为氮化物衬底γ-LiAlO 倍受关注, 这是 因为 2 [1120] GaN||[001]LiAlO 之间的晶格失配只有 1.4%, 能够在γ-LiAlO 上外延高质 2 2 量的 GaN 膜. 但是由于在晶体生长过程中 Li 的非化学计量比挥发, 使得高质量 [4,5] 的γ-LiAlO 体单晶生长困难, 且生长成本高如果能够结合 Al O 和 LiAlO 的 2 2 3 22004-05-18 收稿, 2004-10-28 收修改稿 SCIENCE IN CHINA Ser. E Engineering & Materials Science 250 中国科学 E 辑 工程科学 材料科学 第 35 卷 优点, 通过较为简单的工艺技术制备新型复合衬底, 将是非常有意义的. 目前, 利用 VTEvapor transport equilibration技术来提高 LiNbO 和 LiTaO 晶体质量等 3 3 [6~9] [10] 方面的研究非常活跃 , 该技术的核心是利用 Li 的活性对晶体进行改良本 文则是试验了 VTE技术新应用的可能性??即利用 VTE制膜, 并在0001蓝宝石 衬底上生成了单相的且高度[100]取向的γ-LiAlO 层 2 1 实验 实验中利用 Al O 陶瓷坩埚代替 VTE实验中常用的铂金坩埚, 主要依据是 在 2 3 高温下 会与 发生反应 在 陶瓷坩埚的内壁生成 的多晶层 Li O Al O , Al O LiAlO , 2 2 3 2 3 2 试验证明这层新生成的 LiAlO 多晶层致密且在富锂气氛的 VTE环境中非 常稳定, 2 不会对 样品有污染 起到了与铂金坩埚相同的作用 具体做法是 在 VTE ,, Al O 2 3 坩埚底部放入一定量的 Li CO , 盖好坩埚盖后, 在高温800~1100 ?空气 气氛下 2 3 对坩埚进行一段时间 的预烧 使坩埚内壁生成稳定的 层 将 3~4 d , LiAlO 2 Li CO 5N粉末放入处理过的氧化铝坩埚底部, 将单面衬底级抛光的0001Al O 2 3 2 3 单晶片用铂金丝悬挂于粉料正上方, 使晶片的抛光面朝下, 并防止晶片与粉料接 触, 坩埚顶部加盖密闭. 为确保高温下坩埚内富锂气氛, 再将此坩埚放入一个较 大的铂金坩埚内, 并用 LiAlO 粉末将其完全覆盖,将大坩埚置于电炉中. 分别在 2 1000, 1050和 1100 ?下, 保温 72 h. 对蓝宝石衬底片在富锂的气氛中进行 VTE处 理, 然后自然冷却到室温. 用 MXP18AHF 型 X 射线衍射仪, 对经过 VTE 处理的 样品表层的相成分和择优取向进行 射线衍射 分析 用 的 X XRDJEOL JSM6360LA 扫描电子显微镜SEM 对样品表面进行形貌观察. 用透过光谱 JASCO V-570观测薄膜样品的透过率2 结果与讨论 图 1 是白宝石晶片分别在 1000, 1050 和 1100 ?下经过 VTE 处理后表层的 XRD 衍射结果. 对于 1000 ?下 VTE 得到的结果, 衍射图显示有较多的衍射峰根据与粉末卡片比照, 图中各衍射峰均为γ-LiAlO 的衍射峰, 未出现其他相的衍 2 射峰. 这说明通过 VTE 技术, 在蓝宝石衬底表面生成了单相的γ-LiAlO , 且根据 2 衍射峰的相对强度, 可以确定在蓝宝石衬底表面生成的 LiAlO 相是有择优取向 2 的. 特别是, 在 1050 和 1100 ?的条件下, 表面生成的 LiAlO 层出现了高度的择 2 优取向, 其他方向的衍射峰的强度变得非常小甚至完全消失, 如 1050 ?下 VTE 得到的 LiAlO 层, 其 XRD图谱中只出现200衍射峰. 可见, 不同的 VTE处理温 2 度下, 结果有明显差异. 这说明在富锂气氛中, 新生成的 LiAlO 层是基于蓝宝石 2 衬底生长的, 薄膜取向的好坏强烈地依赖于 VTE 处理温度. 本实验中在 1050 ? 的条件下得到的结果昀好SCIENCE IN CHINA Ser. E Engineering & Materials Science 第 3 期 李抒智等: C 面蓝宝石上单一取向γ-LiAlO 层的生长研究 251 2 图 1 0001方向蓝宝石衬底经 1000, 1050 和 1100 ?下 VTE 处理 72 h 后样品的 X射线衍射图案 图中各衍射峰均为空间群为 P4 2 2 的γ-LiAlO 的衍射峰 1 1 2图 2 为分别在 1000, 1050 和 1100 ?下经 VTE处理后样品表层的 SEM 照片在 1000 ?的处理温度下, 晶粒较小在数十微米左右, 但已有开始合并的趋势随着温度的提高, 膜层的连续区域变大. 特别是 1100 ?的结果, 膜层较为平整同 时连续膜区域较大. 图中均存在较多的裂纹, 这是膜层中应力引起的. 从试验结 果看, 可以通过改进降温速率等生长工艺条件, 减少裂纹数量, 进一步提高膜层 质量 图 3 是透射光谱的结果, 经 1050 和 1100 ?处理过的样品透过率要强于 1000 ?处理后的结果. 因为用于本次试验的蓝宝石样品采用的是单面抛光的衬 底片, 所以造成所有样品的透过率均较低. 经 1000 ?下 VTE 处理的结果透射率 较低, 主要是因为 1000 ?下, 表面生成的 LiAlO 晶粒相对较小, 晶界散射较强, 2 因此大大降低了光透过率. 可是随着 VTE 处理温度的提高, LiAlO 进一步长大 2 形成连续的膜状结构, 从而大大提高了透过率. 成膜过程应该是先在蓝宝石表面 成核, 进而逐步扩大, 形成岛状, 再逐步结合形成连续的膜的过程. 可以发现经 过 VTE 处理过的样品透射率是随着 VTE 处理温度的提高而逐步提高的, 这也可 以说明在衬底表面生成的 LiAlO 膜的质量在一定温度范围内随温度的提高逐步 2 提高, 本实验所得的较为适当的成膜温度为 1050?1100 ? //0>. 252 中国科学 E 辑 工程科学 材料科学 第 35 卷图2 0001蓝宝石衬底经 1000?a, 1050 ?b和 1100 ?c下 VTE处理 72 h后的表面形貌图 3 分别为蓝宝石样品在 1000, 1050 和 1100 ?下 VTE 处理 72 h 后的透射率曲线 3 结论 通过 VTE 方法在适当的温度条件下可以在0001蓝宝石衬底表面得到单相SCIENCE IN CHINA Ser. E Engineering & Materials Science