尖晶石基片和在基片上进行III-V材料的多相外延生长制造技术

本发明专利技术的尖晶石组合物包括式子为Ｍｇ↓［１－ｗ］α↓［ｗ］Ａｌ↓［ｘ－ｙ］β↓［ｙ］Ｏ↓［ｚ］的单晶晶格，其中０＜ｗ＜１，２＜ｘ＜约８，ｙ＜ｘ，４≤ｚ≤１３，α为二价阳离子元素，它的离子半径大于二价Ｍｇ，β是三价阳离子元素，它的离子半径大于三价Ａｌ的单晶晶格。所述单晶晶格具有四面体与八面体位置，且大多数Ｍｇ与α元素占据四面体位置。在一个实施方式中，在单晶晶格生长期间，铝对镁、α元素和β元素的摩尔比可加以控制，形成适合于进行Ⅲ－Ⅴ材料多相外延生长的尖晶石基片。本发明专利技术方法包括形成尖晶石组合物的单晶晶格。一种复合物包括尖晶石组合物层和在尖晶石层表面上的Ⅲ－Ⅴ层。制备该复合物的方法是采用多相外延技术在尖晶石组合物表面上沉积Ⅲ－Ⅴ层。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

基于三和五族元素的氮化物单晶的半导体材料对于制作诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、显示器、晶体管和检测器等器件是理想的材料。氮化物半导体特别适合用于制作要求高发光效率，如1-10烛光(cd)的短波区域(紫外、蓝、绿、黄色光波段)发光器件。氮化镓(GaN)及具有纤锌矿结构和直接能量带隙的诸如AlGaN、InGaN以及它们的合金一类材料，就是上述器件最适用材料的例子。制备氮化物单晶材料在技术上有难度。现行的方法通常采用外延技术，即将所需晶体沉积在如碳化硅(SiC)、蓝宝石或刚玉(Al2O3)和尖晶石(MgAl2O4)这类基片上形成一层薄膜。最常用的基片材料为蓝宝石。类似于其它材料，蓝宝石基片由于与氮化物膜的晶格失配而存在应力问题。这种应力会引发膜在外延生长时的一些问题，如裂纹与晶片弯曲。晶片弯曲一般会妨碍直径大于50nm蓝宝石晶片的使用。GaN与蓝宝石的晶格失配程度可达13％，而与尖晶石的晶格失配程度达9.5％。因此需要大大降低与消除外延沉积过程中与基片晶格失配的上述问题。专利技术概述本专利技术涉及第13族和第15族元素的氮化物晶体生长中所用的尖晶石组合物、包含尖晶石组合物与氮化物的复合物、尖晶石组合物的制备方法及该复合物的制备方法。本专利技术尖晶石组合物，包含式子Mg1-wαwAlx-yβyOz的单晶晶格，其中0＜w＜1，2＜x＜约8，y＜x，4≤z≤13，α为二价阳离子元素，它的离子半径大于二价Mg，β是三价阳离子元素，它的离子半径大于三价Al。此单晶晶格具有一些四面体与八面体位置，且大多数Mg与α元素占据四面体位置。本专利技术的复合物包含具有上述组合物的尖晶石层以及尖晶石层表面上的III-V层。该III-V层包含选自元素周期表第III族与第V族中至少一种元素的材料的单晶晶格。本专利技术方法包括生成尖晶石组合物的单晶晶格。形成一种熔体，该熔体包含镁、铝和氧，为二价阳离子的α元素，它的离子半径大于二价镁。其中，镁∶α元素∶铝∶氧的摩尔比为(1-w)∶w∶x∶z，0＜w＜1，2＜x＜8，以及4≤z≤13；在熔体中浸入尖晶石晶种；以2-12rpm转速转动该晶种，同时以1.00-2.54mm/小时速率从熔体中拉伸该晶种而形成单晶。在另一个实施方式中，本专利技术方法包括先照上述方法形成尖晶石组合物，然后在单晶晶格表面沉积III-V晶格层，生成复合物，III-V晶格层是一种氮化物晶格层，包含选自元素周期表第III族和第V族元素中的至少一种元素的晶格。本专利技术有几个优点。例如，尖晶石组合物与第III-V族材料之间的晶格失配通常大大减小。而且，可以生成质量优异的III-V族晶体。本专利技术尖晶石组合物中铝对镁的比率往往大于具有等量掺杂剂的尖晶石MgAl2O4中的铝对镁的比率。尽管铝对镁的比率相对较高，但大多数或基本上所有的镁与掺杂剂仅占据该晶体的四面体位置。此外，本专利技术组合物通常在低温下如温度约为8°K时相对稳定。对偏离标准结构的尖晶石晶体结构进行修饰使晶格参数变化更为灵活，因而为改进氮化物晶体生长过程中的晶格失配条件提供更好的机会。控制它的内应力要比纯尖晶石材料更为容易。所述组合物允许掺入具有红外吸收功能的掺杂剂，因而改进了氮化物沉积工艺期间的热量控制。本专利技术尖晶石组合物，例如可以用作如激光系统的光学窗口元件和其它用途，如大范围进行温度监测用的光导管，当掺入过渡金属元素或稀土元素时可用作大功率激光器基质(host)。专利技术详细说明现在更具体地叙述本专利技术的特点与其它细节，且在权利要求中指明。可以理解本专利技术具体实施方式只是通过说明方式来表示，它们不能作为对本专利技术的限制。在不偏离本专利技术范围的条件下，本专利技术的主要特点可以以各种实施方式来体现。本专利技术第一实施方式是针对尖晶石组合物。尖晶石组合物包含单晶晶格，它的式子为Mg1-wαwAlx-yβyOz，其中0＜w＜1，2＜x＜约8，y＜x，约4≤z≤约13。“1∶2尖晶石”是指x约为4的实施方式。“1∶3尖晶石”是指x约为6的实施方式。y较佳在大于约0和小于约2范围内，y更佳在大于约0.02和小于约1.0范围内。z较佳在等于大于约4，且等于小于约8，更佳约为4。在较佳实施方式中，x约为4，z约为7。在另一较佳实施方式中，x约为6，z约为10。在单晶晶格中，α为二价阳离子元素，它的离子半径大于二价Mg。所述α元素较佳选自钙、钴、和钛中的至少一种元素。在较佳实施方式中，α元素是钙。在单晶晶格中，β为三价阳离子元素，它的离子半径大于三价Al。所述β元素较佳钪、镓、铬和铁中的至少一种元素。在较佳实施方式中，β元素是钪。单晶晶格具有四面体与八面体位置。大多数镁和α元素较佳占据四面体位置。更佳所有镁和α元素占据四面体位置。单晶晶格可以包含一种或多种掺杂剂。通常本专利技术尖晶石组合物中掺杂剂离子的量大于约0.02％原子％。较佳为单晶晶格的0.02-3.0原子％。掺杂剂最好是过渡金属或稀土元素，更佳选自钴、钛与钪。最佳为Ti4+-Ti3+离子对。尖晶石组合物的平均晶胞尺寸在7.9-8.4之间。一般说来，单晶晶格的晶胞尺寸小于约8.085。在一较佳实施方式中，晶胞尺寸在7.970-8.083之间。尖晶石可以剖成切形成一个平表面。在一个实施方式中，尖晶石组合物可以剖切成直径为50-100mm，厚度为0.25-0.5mm的圆盘。在一个实施方式中，尖晶石被抛光。对尖晶石组合物进行剖切和抛光的方法可以参见Marinescu，I.D.等人撰写的《Handbook of ceramic grinding and polishingProperties，Processes，technology，tools and typology》(Norwich，NYWilliam Andrew Publishing)(200)《陶瓷材料的研磨、抛光手册性质，工艺，技术，工具与类型学》一书，其内容参考结合于此。本专利技术另一实施方式涉及制备尖晶石组合物的方法。制备尖晶石组合物单晶晶格的方法包括生成含有镁、铝和氧、α元素，或者还含有β元素的熔体。α元素是离子半径大于二价镁的二价阳离子元素，其中镁∶α元素∶铝∶氧的摩尔比为(1-w)∶w∶x∶z，0＜w＜1，约2＜x＜8，以及4≤z≤约13。β元素较佳为三价阳离子元素，它的离子半径大于三价Al。将尖晶石晶种浸没在熔体内。在一个实施方式中，尖晶石(MgAl2O4)晶种的主轴是沿<III>轴取向。尖晶石晶种最好是圆柱状。晶种以2-12转/分钟的转速旋转，同时以1.00-2.54mm/小时的速率从熔体中拉伸而形成单晶。在一个实施方式中，转速在4-12rpm时的拉伸速率为0.25-1.0mm/小时。较佳的是在转速为8rpm时拉伸速率为1mm/小时。晶体生长要继续一段恰当时间，用以生成合适尺寸的单晶。在一个实施方式中，晶体生长连续进行约150小时。然后，晶体在72-100小时内冷却至25℃。最好晶体在约100小时内从2150℃冷至25℃。晶体例如是在10KHz射频(RF)感应加热炉内生长。晶体生长可以采用合适的计算机软件，如自动直径控制(ADC)软件进行控制，该软件购自FEC晶体控制系统，它可控制生长晶体的形状、温度提高、冷却速率以及其它有关参数。充分加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种尖晶石组合物，它包含式子为Ｍｇ↓［１－ｗ］α↓［ｗ］Ａｌ↓［ｘ－ｙ］β↓［ｙ］Ｏ↓［ｚ］的单晶晶格，其中０＜ｗ＜１，２＜ｘ＜约８，ｙ＜ｘ，４≤ｚ≤约１３，α为二价阳离子元素，它的离子半径大于二价Ｍｇ，β是三价阳离子元素，它的离子半径大于三价Ａｌ，所述晶格中具有四面体与八面体位置，大多数Ｍｇ与α元素占据四面体位置。

【技术特征摘要】
US 2002-4-3 10/115,7191.一种尖晶石组合物，它包含式子为Mg1-wαwAlx-yβyOz的单晶晶格，其中0＜w＜1，2＜x＜约8，y＜x，4≤z≤约13，α为二价阳离子元素，它的离子半径大于二价Mg，β是三价阳离子元素，它的离子半径大于三价Al，所述晶格中具有四面体与八面体位置，大多数Mg与α元素占据四面体位置。2.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述α元素是选自钙、钴、钛和锌中至少一种元素。3.如权利要求2所述的尖晶石组合物，其特征在于所述α元素是钙。4.如权利要求2所述的尖晶石组合物，其特征在于所述α元素是Zn2+。5.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述w的范围在0.02-0.95之间。6.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述β元素是选自钪、镓、铬和铁中至少一种元素。7.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述β元素是钪。8.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述y的范围在大于0.02-小于2之间。9.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述z约为4。10.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述x约为4，z约为7。11.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述x约为6和z约为10。12.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于，所述组合物还包括掺杂剂。13.如权利要求12所述的尖晶石组合物，其特征在于所述掺杂剂选自钴、钛、钪和铬。14.如权利要求1所述的尖晶石组合物，其特征在于所述晶格的平均晶胞尺寸在7.9-9.0之间。15.一种复合物，其包括a)尖晶石层，它包含式子为Mg1-wαwAlx-yβyOz的单晶晶格，其中w＜1，2＜x＜约8，y＜x，4≤z≤约13，α为二价阳离子元素，它的离子半径大于二价Mg，β是三价阳离子元素，它的离子半径大于三价Al，所述晶格中具有四面体与八面体位置结构，且大多数Mg与α元素占据四面体位置；b)尖晶石表面上的III-V层，所述氮化物层包含选自元素周期表中第III族和第V族的至少一种元素的III-V材料的晶体晶格。16.如权利要求15所述的复合物，其特征在于所述III-V层选自GaN、AlGaN和InGaN。17.如权利要求16所述的复合物，其特征在于所述尖晶石层和III-V层之间的晶格失配小于约13％。18.如权利要求17所述的复合物，其特征在于所述α元素是选自钙、钴和钛中的至少一种元素。19.如权利要求18所述的复合物，其特征在于所述β元素是选自钪、镓、铬和铁中的至少一种元素。20.如权利要求19所述的复合物，其特征在于w为0，β为钪，氮化物层为GaN。21.如权利要求20所述的复合物，其特征在于所述尖晶石层和III-V层之间的晶格失配小于约8.5％。22.如权利要求21所述的复合物，其特征在于所述尖晶石层和III-V层之间的晶格失配小于约5％。23.如权利要求15所述的复合物，其特征在于尖晶石层还包含掺杂剂。24.如权利要求23所述的复合物，其特征在于所述掺杂剂选自钴、钛、钪、铬和锌。25.如权利要求24所述的复合物，其特征在于所述掺杂剂为Ti4+-Ti3+离子对。26.一种制...

【专利技术属性】
技术研发人员：MR柯克塔，HT昂，
申请(专利权)人：圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]