专利名称：Yb的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种YB2单晶的用途，特别是作为外延GaN单晶薄膜的衬底材料使用。
近年来，III-V族氮化物半导体(Ga、In、Al)N作为兰、兰绿、紫外波段发光器件的候选材料，引起了人们的极大关注。但一直没有找到非常合适的外延生长GaN基半导体单晶薄膜的衬底材料。
目前已经使用过外延GaN单晶薄膜用的衬底材料有GaN、Al2O3、SiC、ZnO、LiGaO2等十多种晶体。如文献1(Proceedings of thesecond international conference of nitride semiconductors，Toksushima，Japan，October 27-31，1997)报道其中Al2O3单晶易于生长，成本低，外延温度下不挥发、不变价而被广泛使用。但因其对GaN晶格失配率高达16％，使得外延生长的GaN单晶薄膜中的位错密度高达1011-13/cm2，是导致制成的发光管、激光管性能不够满意，成品率不高的主要原因。为了降低外延生长GaN单晶薄膜中的位错密度，人们使用对GaN晶格失配率小的其它一些衬底材料如GaN、SiC、ZnO、LiGaO2、LiAlO2替代Al2O3。但GaN、SiC、ZnO单晶生长困难，成本高，如SiC熔点高达2700℃，不仅单晶生长困难，而且生长出的晶体中存在微管缺陷，使得它作为衬底材料使用不够理想；LiGaO2、LiAlO2虽对GaN的晶格失配率仅1-2％，但因Li在外延温度下易于挥发，污染外延真空室。
本发明的目的是将YB2单晶用作外延生长GaN单晶薄膜的衬底材料使用，特别是用作MOCVD外延生长的GaN单晶薄膜的衬底材料。
YB2单晶与GaN同属六方晶系，空间群P6/mmm，晶格常数a＝3.299，c＝3.826，对GaN晶格失配率仅-3.4％；熔点高达2100℃，低于2000℃不会挥发；具有金属特性，电阻率低，热导率很高。过去YB2一直作为高温耐热陶瓷材料使用。YB2的晶体结构，特别是其晶格常数和GaN很接近，且物化性能稳定、热导率高及其单晶比较容易生长。这里我们首次提出以YB2单晶作为GaN单晶薄膜的衬底材料使用。
本发明的目的是这样实现的1.利用熔盐籽晶提拉法或区熔法生长YB2单晶。熔盐籽晶提拉法生长YB2单晶已由本申请人申请专利，申请号00130361.9，其内容本文结合引用。
2.YB2单晶经定向、切割、抛光制成单晶片，作为外延GaN单晶薄膜的衬底。对该单晶的取向没有特别限制，优选(0001)面为主表面，但并不排除其他面。
3.在YB2衬底面，如(0001)面上利用外延技术生长GaN单晶薄膜。一般的外延生长都可以，例如溅射，CVD(化学气相沉积)，等离子体CVD，离子镀等。其中优选MOCVD(金属有机化学气相沉积)或MBE(分子束外延)。MOCVD或MBE技术外延生长GaN单晶薄膜都是晶体生长工作者十分熟悉的技术。
由于YB2单晶对GaN(a＝3.186，c＝5.158)的晶格失配率仅-3.4％，与Al2O3衬底相比，YB2作为外延GaN单晶薄膜的衬底材料，可有效地降低GaN单晶薄膜中的位错密度。YB2的物化性能稳定，熔点高达2100℃，外延温度(600℃～1000℃)下不会挥发污染外延真空室。YB2中的Y和B均为三价，即便有少量的Y3+及B3-离子在外延过程中进入GaN薄膜中，也不会破坏电价平衡而产生新的载流子。YB2晶体具有金属特性，电阻率低，热导率高，利于器件的制作。和GaN，SiC，ZnO晶体相比较，YB2高的热导率，使之比较容易生长，利用熔盐籽晶提拉法或区熔法很容易获得厘米级YB2单晶。
实施例1将YB2单晶经定向后，切割出c向单晶片(即单晶片的主表面垂直(0001)方向)，经抛光制成YB2衬底，利用带有水平反应室的金属有机化学气相沉积(MOCVD)装置，在YB2衬底上外延生长GaN单晶薄膜。使用镓的烷基化物(TMGa)作为镓源，NH3作为氮源，TMGa的摩尔束流速度25μmol/min，NH3与TMGa的摩尔束流比(V/III)为4500，H2作载气，衬底温度850℃，TMG和NH3的混合物通过YB2衬底表面时发生热分解反应，并在YB2衬底(0001)面上外延生长成所需厚度的GaN单晶薄膜。
实施例2
将YB2单晶经定向后，切割出c向单晶片(即单晶片的主表面垂直(0001)方向)，经抛光制成YB2衬底，利用分子束外延(MBE)技术外延生长GaN单晶薄膜。MBE系统配备标准喷射炉蒸发镓，使用一个射频(RF)源提供氮的等离子体，射频源的功率为250W，N2的流速为1.7sccm，衬底温度900℃，镓和氮束流通过衬底，便在YB2衬底(0001)面上外延生长成GaN单晶薄膜，生长速率0.4-0.5μm/h，生长成GaN单晶薄膜的厚度为0.6-1.0μm。通过高温电子衍射仪及X-射线衍射仪监控GaN单晶薄膜生长过程和表征，证实得到的GaN为纤锌矿结构的GaN单晶薄膜。
晶格失配率的计算YB2对GaN的 Al2O3对GaN的晶格失配率16％，用它作衬底外延生长的GaN单晶薄膜中的位错密度为1011-13/cm2；6H-SiC对GaN的晶格失配率为3.5％，用6H-SiC作衬底外延生长得到的GaN单晶薄膜中的位错密度为108/cm2；用GaN单晶片作衬底外延生长的GaN单晶薄膜，其晶格失配率为0，得到的GaN单晶薄膜中的位错密度可减为106/cm2。
由于YB2对GaN的晶格失配率仅-3.4％，和Al2O3衬底相比，可有效地降低外延生长GaN单晶薄膜中的位错密度。
权利要求
1.一种YB2单晶的用途，其特征在于用作外延生长GaN单晶薄膜的衬底材料。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于所述的GaN单晶薄膜可以利用MOCVD技术外延生长。
3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于所述的GaN单晶薄膜可以利用MBE技术外延生长。
4.根据权利要求1所述的用途，其特征在于可以在YB2单晶的(0001)面上外延生长GaN单晶薄膜。
5.根据权利要求1所述的用途，其特征在于YB2单晶经定向、切割、抛光后制成衬底。
全文摘要
本发明涉及YB
文档编号H01L21/18GK1355552SQ00133608
公开日2002年6月26日 申请日期2000年11月28日 优先权日2000年11月28日
发明者宋有庭, 吴星, 倪代秦 申请人:中国科学院物理研究所