專(zhuān)利名稱(chēng)：鋁酸鋰晶片的氮化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁酸鋰晶片，到技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橐讚]發(fā)晶體高溫處理工藝，薄膜制備緩沖層技術(shù)，GaN基LEDs和LDs；HVPE等技術(shù)制備GaN自支撐襯底；無(wú)極化M面GaN制備；新型GaN基襯底的制備；襯底剝離技術(shù)。具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，藍(lán)綠光發(fā)光二極管(簡(jiǎn)稱(chēng)LED)、激光二極管(簡(jiǎn)稱(chēng)LD)及其相關(guān)器件以其巨大市場(chǎng)應(yīng)用前景成為研究熱點(diǎn)，其中以GaN基系列材料的研究最為突出。目前，GaN基藍(lán)綠光LED已實(shí)現(xiàn)商品化。在1997年，Nichia公司利用GaN研制的藍(lán)光LD連續(xù)工作的壽命已超過(guò)10000h。但是目前LED和LD的發(fā)光效率和壽命都難以進(jìn)一步提高，這主要是因?yàn)槟づc襯底的晶格失配和熱失配導(dǎo)致制備工藝的復(fù)雜化和巨大的應(yīng)力引起的高缺陷密度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們發(fā)明了很多技術(shù)，如側(cè)向外延技術(shù)，緩沖層技術(shù)，圖形襯底技術(shù)等。但是解決這個(gè)問(wèn)題的根本方法還是要靠同質(zhì)外延。GaN體單晶的生長(zhǎng)因其蒸汽壓過(guò)高而存在很大的技術(shù)困難，特別是大塊的GaN體單晶。因此，人們努力尋求可以取代GaN體單晶的GaN厚膜的制備方法，如目前用HVPE法制備GaN自支撐襯底已成為大尺寸高質(zhì)量新型GaN基襯底制備的主流研究方向。但是，人們?cè)诔Ｓ玫囊r底(Sapphire，SiC等)上制備GaN基厚膜，都因應(yīng)力問(wèn)題出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象，難以獲得實(shí)用化的GaN自支撐襯底。γ-LiAlO2與Sapphire相比，與GaN之間的晶格失配小一個(gè)數(shù)量級(jí)，更重要的是近年來(lái)在γ-LiAlO2(100)面上成功獲得了無(wú)極化的M面GaN薄膜(參見(jiàn)Nature.，2000，406865)。以上優(yōu)點(diǎn)使得γ-LiAlO2成為制備GaN厚膜首選材料。同時(shí)γ-LiAlO2硬度不高，且易被酸腐蝕，很容易將其上GaN厚膜剝落，獲得自支撐GaN襯底。
鋁酸鋰的熱穩(wěn)定性是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，鋁酸鋰在溫度高于700℃的真空、惰性和氫氣等氣氛下都發(fā)生嚴(yán)重的Li揮發(fā)現(xiàn)象。使得襯底表面嚴(yán)重被破壞[參見(jiàn)J.Vac.Sci.Techol.B.，2003，21(4)1350]，導(dǎo)致其上GaN薄膜的質(zhì)量很差，難以得到高亮度的LEDs器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的提供一種鋁酸鋰晶片的氮化方法，以提高化學(xué)機(jī)械拋光后的鋁酸鋰晶片的熱穩(wěn)定性和表面質(zhì)量。
通過(guò)在800-1000℃下活化流動(dòng)的氮?dú)?，利用活性氮離子與晶片表面的Al發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到一層(厚度為2-10nm)光滑的AlN膜，此堅(jiān)硬的膜在1000-1100℃下保持相對(duì)穩(wěn)定，此溫度范圍適宜于制備出高質(zhì)量的GaN薄膜。采用此法制備的鋁酸鋰襯底的熱穩(wěn)定性得到了大幅度提高，表面更光滑。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種鋁酸鋰晶片的氮化方法，該方法的具體工藝流程如下<1>將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光的具有較好表面的鋁酸鋰晶片放入馬弗爐的石英管或鋼管中，打開(kāi)氮化源氣路，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓0.005-0.05MPa并在石英管流動(dòng)；<2>馬弗爐按100℃/小時(shí)的升溫速率升溫至800-1000℃，保溫5-25分鐘，然后按照100℃/小時(shí)的速率降溫至室溫；<3>從馬弗爐取出氮化的鋁酸鋰晶片。
所述的氮化源是純度為99.99％的流動(dòng)氮?dú)饣虬睔狻?br> 本發(fā)明的技術(shù)效果從馬弗爐取出氮化的鋁酸鋰晶片，直接用原子力顯微鏡觀(guān)察其表面形貌變化，并計(jì)算出其表面平均粗糙度，發(fā)現(xiàn)表面平均粗糙度由0.22nm提高至0.1-0.15nm。用光電子能譜測(cè)試和原子力顯微鏡觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面生成了2-10nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜。
此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素，而同樣條件下，未經(jīng)過(guò)氮化的襯底上的薄膜，卻能檢測(cè)出Li元素，說(shuō)明襯底熱穩(wěn)定性得到了提高。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1800℃氮化5min將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴?，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.005MPa；閉合電源，升溫至800℃，升溫速率為100℃/h，保溫5min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫。
取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為2nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.15nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素。
實(shí)施例2800℃氮化15min將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴罚{(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.02MPa；閉合電源，升溫至800℃，升溫速率為100℃/h，保溫15min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫；取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為6nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.13nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素。
實(shí)施例3800℃氮化25min將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴?，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.05MPa；閉合電源，升溫至800℃，升溫速率為100℃/h，保溫25min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫；取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為8nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.11nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素。
實(shí)施例4900℃氮化5min將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴?，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.005MPa；閉合電源，升溫至900℃，升溫速率為100℃/h，保溫5min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫；取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為3nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.14nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素。
實(shí)施例5900℃氮化15min將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴?，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.02MPa；閉合電源，升溫至900℃，升溫速率為100℃/h，保溫15min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫；取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為7nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.12nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素。
實(shí)施例6900℃氮化25min
將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴?，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.05MPa；閉合電源，升溫至900℃，升溫速率為100℃/h，保溫25min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫；取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為9nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.1nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素。
實(shí)施例71000℃氮化5min將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴?，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.005MPa；閉合電源，升溫至1000℃，升溫速率為100℃/h，保溫5min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫；取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為2nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.15nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素。
實(shí)施例81000℃氮化15min將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴?，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.01MPa；閉合電源，升溫至800℃，升溫速率為100℃/h，保溫15min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫；取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為5nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.13nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素實(shí)施例61000℃氮化25min將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(表面平均粗糙度為0.22nm)的2inch晶片，放入馬弗爐的石英或者鋼管中，打開(kāi)氮?dú)饣蛘甙睔獾臍饴?，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓為0.05MPa；閉合電源，升溫至1000℃，升溫速率為100℃/h，保溫25min，然后按照100℃/h的速率降溫至室溫；取出樣品直接用光電子能譜測(cè)試和原子力觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)表面為8nm厚堅(jiān)硬AlN保護(hù)膜，表面平均粗糙度為0.12nm，此襯底放入有機(jī)金屬氣相淀積設(shè)備中，升溫至1000-1100℃制備GaN薄膜(厚度100nm)，用光電子能譜未檢測(cè)出Li元素。
權(quán)利要求
1.一種鋁酸鋰晶片的氮化方法，其特征在于該方法的具體工藝流程如下<1>將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光的具有較好表面的鋁酸鋰晶片放入馬弗爐的石英管或鋼管中，打開(kāi)氮化源氣路，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓0.005-0.05MPa并在石英管或鋼管中流動(dòng)；<2>馬弗爐按100℃/小時(shí)的升溫速率升溫至800-1000℃，保溫5-25分鐘，然后按照100℃/小時(shí)的速率降溫至室溫；<3>從馬弗爐取出氮化的鋁酸鋰晶片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁酸鋰晶片的氮化方法，其特征在于所述的氮化源是純度為99.99％的流動(dòng)氮?dú)饣虬睔狻?br> 全文摘要
一種鋁酸鋰晶片的氮化方法，該方法的具體工藝包括將經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光的具有較好表面的鋁酸鋰晶片放入馬弗爐的石英管或鋼管中，打開(kāi)氮化源氣路，調(diào)節(jié)氣壓至超過(guò)大氣壓0.005－0.05MPa并在石英管流動(dòng)；馬弗爐按100℃/小時(shí)的升溫速率升溫至800－1000℃，保溫5－25分鐘，然后按照100℃/小時(shí)的速率降溫至室溫；從馬弗爐取出氮化的鋁酸鋰晶片。經(jīng)本發(fā)明方法處理后，提高了化學(xué)機(jī)械拋光后的鋁酸鋰晶片的熱穩(wěn)定性和表面質(zhì)量。
文檔編號(hào)C04B41/85GK1844491SQ20061002458
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者鄒軍, 周圣明, 黃濤華, 王軍, 周健華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所