[发明专利]一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备及其应用

权利要求书

1.一种脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备，其包括生长室腔体；其特征在于：

在生长室腔体下方的中心位置设有一个基座，在基座上设有1-6个均匀布置的用于放置靶材的转盘，所述基座及转盘分别由驱动机构带动旋转，使得靶材即能随基座公转又能随转盘自转；

在生长室腔体的下侧壁上还设有若干个均匀分布的MBE蒸发源；

在生长室腔体的下侧壁或底壁上还设有分别与机械泵和分子泵连接的阀门，以便机械泵和分子泵对生长室抽真空；

在生长室腔体的中下方的位置设有辅助气体管道及RF附件，用于在镀膜过程中及时补充O或N的等离子体；

在生长室腔体的中上方的位置设有反射高能电子衍射仪，用于实时监控薄膜的生长；

在生长室腔体的上侧壁或顶壁上设有一个石英窗口，在生长室腔体旁边对应石英窗口的位置设有高能固体激光器，由高能固体激光器提供150-355nm的高能激光透过石英窗口照射入生长室腔体的内部；

在生长室腔体上方的中央位置安装有激光测距仪、步进电机以及安装于步进电机的输出轴上的用于固定衬底的衬底架，在衬底架上还设有红外线加热器；激光测距仪的信号输出端与步进电机的信号输入端连接，由激光测距仪检测靶材和衬底之间的距离，步进电机的控制器依据激光测距仪测得的距离，驱动步进电机带动衬底架移动，从而调节靶材和衬底之间的距离。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备，其特征在于:所述MBE蒸发源的数量为五个。

3.根据权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备，其特征在于:所述生长室腔体为耐高压合金钢。

4.采用权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备在活泼衬底上外延GaN氮化物薄膜或ZnO氧化物薄膜。

5.采用权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备在蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、金属衬底、玻璃衬底、钽酸锂衬底、镓酸锂衬底或铝酸锂衬底上外延GaN基LED外延片、太阳能电池外延片、LD外延片或光电探测器外延片。

6.采用权利要求1所述的脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备制备非极性GaN基LED外延片的方法，其特征在于，按以下步骤进行：

1)衬底以及其晶向的选取：采用LiGaO₂衬底，以(100)面偏(110)方向0.2°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(1-100)面平行于LiGaO₂的(100)面；

2)对衬底表面进行抛光处理、清洗处理以及退火处理；

3)在脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备中依次完成如下处理过程：

3-1)采用PLD工艺低温外延非极性GaN缓冲层，工艺条件为：衬底温度为200-300℃，采用脉冲激光轰击纯度为99.99999％的金属Ga靶来生长非极性GaN缓冲层，生长时通入N的等离子体，反应室压力为5-7×10^-5torr，射频功率为250-350W，激光能量为150-280mJ，激光频率为10-30Hz；

3-2)采用MBE工艺生长非极性GaN层，工艺条件为：衬底温度为400-500℃，通入Ga蒸发源与N的等离子体，反应室压力为5-7×10^-5torr、产生等离子体氮的射频功率为200-300W；

3-3)采用MBE工艺生长非极性非掺杂u-GaN层，工艺条件为：衬底温度为500-600℃，通入Ga蒸发源与N的等离子体，反应室压力为5-7×10^-5torr、产生等离子体氮的射频功率为200-300W；

3-4)采用PLD工艺生长非极性n型掺杂GaN薄膜，工艺条件为：衬底温度为500-750℃，采用脉冲激光轰击GaSi混合靶材，生长时通入N的等离子体，反应室压力为5-7×10^-5torr、射频功率为200-300W，激光能量为120-180mJ，激光频率为10-30Hz,电子载流子浓度由GaSi混合靶材中两种元素的原子比来控制；掺杂电子浓度1.0×10¹⁷-5.0×10¹⁹cm^-3；

3-5)采用MBE工艺生长非极性InGaN/GaN量子阱，工艺条件为：衬底温度为500-750℃，通入Ga蒸发源与N的等离子体，反应室压力为5-7×10^-5torr、产生等离子体氮的射频功率为200-300W；

3-6)采用PLD工艺生长非极性p型掺杂GaN薄膜，工艺条件为：衬底温度为500-750℃，采用脉冲激光轰击GaMg混合靶材来生长p型GaN薄膜，生长时通入N的等离子体，反应室压力为5-7×10^-5torr，射频功率为200-300W，激光能量为120-180mJ，激光频率为10-30Hz,空穴的载流子浓由GaMg混合靶材中两种元素的原子比来控制；掺杂空穴浓度1.0×10¹⁶-2.0×10¹⁸cm^-3。

7.根据权利要求6所述的采用脉冲激光沉积与分子束外延联用镀膜设备制备非极性GaN基LED外延片的方法，其特征在于：在步骤3)中，所述非极性GaN缓冲层的厚度为30-80nm；所述非极性GaN外延层的厚度为150-250nm；所述非极性非掺杂u-GaN层的厚度为300-500nm；所述非极性n型掺杂GaN层的厚度为3-5μm；所述非极性InGaN/GaN量子阱层为5-10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2-3nm，GaN垒层的厚度为10-13nm；所述非极性p型掺杂GaN薄膜的厚度为350-500nm。