一种在蓝宝石衬底上生长非极性GaN厚膜的方法

摘要

本发明提供了一种在蓝宝石衬底上生长非极性GaN外延层的制备方法，以m面蓝宝石为衬底，用磁控溅射方法沉积ZnO缓冲层，再用氢化物气相外延方法生长低温GaN保护层，之后升温到高温，在NH3气氛中退火，最后使用氢化物气相外延快速生长GaN厚膜。本发明的非极性m面GaN厚膜可用于GaN的同质外延生长以及非极性LED、LD等光电器件的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及利用氢化物气相外延方法(HVPE)在m面蓝宝石衬底上生长非极性GaN厚膜的技术和方法，属于半导体材料制备领域。

背景技术

近二十年来，以GaN为代表的III-V族半导体材料在可见光及紫外光电器件、高功率电子器件等方面取得了长足进步，展现出了广阔的应用前景。然而，对GaN材料的研究主要停留在c轴的极性生长上，III族的Ga、In、Al与V族的N结合时，由于原子电负性的差异，沿着c轴引起了较大的自发极化，另外，由于不同的晶格常数所导致的应变，压电极化效应在外延层界面产生。极化效应显著提高了二维电子气的电子浓度，极大的改善了HEMT等微电子器件的性能，而对于LED、LD等光电器件，极化效应造成了明显的负面影响，它所产生的内建电场引起量子阱中电子和空穴波函数分离，导致量子限制斯塔克效应，从而出现辐射复合效率下降、峰值红移等现象，这在高In含量的绿光和高Al含量的紫外光发射中尤其严重。对于这些极化效应，一个潜在的补救措施就是将GaN薄膜生长在非极性方向上，如m面和a面，从而消除极化电场。

2000年，Waltereit利用MBE技术在LiAlO2衬底上首次获得了m面的AlGaN/GaN多量子阱结构【见Nature 406,865(2000)】，显示了极化效应的去除，引发了非极性GaN的研究热潮。目前，m面非极性GaN主要在LiAlO2衬底和SiC衬底上生长。其中，大尺寸、高质量的LiAlO2单晶材料获得困难且化学稳定性和热稳定性差，在普通的外延生长条件下(如MOCVD法的化学气氛和生长温度)难以稳定存在，影响了非极性GaN外延材料性能的进一步提高【见J.Crystal Growth 274，14(2005)】，而SiC衬底尽管晶格匹配，性能稳定，但价格昂贵，大大限制了它的推广使用。此外，通常情况下异质外延获得的非极性GaN表面粗糙，具有高密度的层错和位错等晶体缺陷，导致了器件性能低下。

蓝宝石是生长GaN材料最常用的衬底，其性质稳定且价格低廉，器件工艺成本较低，极具研究和应用前景，但在m面蓝宝石衬底上直接外延，通常获得的是半极性GaN，而不是m面非极性GaN，如高温氮化处理后得到的是(10-13)面GaN，低温氮化处理后获得的是(11-22)面GaN【见Jpn.J.Appl.Phys.45，L154(2006)】，且表面粗糙，缺陷很多。

发明内容

为了解决上述m面非极性GaN外延的衬底问题，本发明的目的是提供一种用HVPE技术在蓝宝石上异质外延非极性m面GaN厚膜的方法，包括如下步骤：

选择一衬底；

在衬底上沉积一层缓冲层；

在所述缓冲层上生长保护层；

氨气中退火后，在所述保护层上生长GaN厚膜。

进一步，其中所述衬底为m面蓝宝石衬底。

进一步，所述缓冲层采用磁控溅射沉积。

进一步，所述缓冲层为ZnO层。

进一步，所述保护层为GaN层。

进一步，所述保护层采用氢化物气相外延生成。

进一步，在所述淀积缓冲层时，生长温度为300-400℃，溅射气压为0.5帕斯卡，溅射功率为120瓦，厚度为100-500纳米。

进一步，在所述生长保护层时，生长温度为500-600℃，载气为氮气，生长厚度约1-2微米。

进一步，在所述生长GaN厚膜时，生长温度为1050℃，载气为氮气，生长速度为40-80微米/小时。

进一步，生成的GaN厚膜为非极性(10-10)m面外延膜。

本发明的主要机理和技术特点：

1.ZnO缓冲层有效消除了GaN初始成核阶段的晶向偏转，使外延GaN沿<10-10>方向外延生长，从而获得了非极性m面GaN外延层。

2.ZnO缓冲层与GaN晶格匹配，它的存在改善了外延GaN的结晶质量，降低了位错密度。

3.低温GaN薄层保护了ZnO缓冲层，防止它在高温下发生分解，并使应力得到一定程度的释放。

4.NH3气氛中高温退火可提高低温缓冲层的晶体质量，以获得高质量GaN厚膜。

本发明提出的方法能够突破LiAlO2和SiC衬底的限制，在低成本的蓝宝石衬底上获得高质量非极性GaN自支撑衬底或模板，从而实现非极性方向上同质外延，彻底解决LED、LD等器件中存在的问题。

附图说明

图1是本发明的非极性GaN外延膜的生长结构示意图；

图2是本发明的非极性GaN外延膜的X射线2θ-ω测试结果；

图3是本发明的非极性GaN外延膜的X射线摇摆曲线半峰宽测试结果；

图4是本发明的非极性GaN外延膜的原子力显微镜(AFM)表面形貌图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参照图1，将m面蓝宝石衬底10放于体积比为H₂SO₄∶H₃PO₃＝3∶1的混酸中煮沸20分钟，去离子水冲洗干净，用氮气枪吹干，采用磁控溅射的方法在上面沉积ZnO薄层20，厚度约为300nm，载气为氩气，生长温度为300-400℃，溅射气压为0.5Pa，溅射功率为120W。

把长好ZnO缓冲层20的衬底10放入氢化物气相外延方法系统的生长室，缓慢升温到500-600℃，然后在ZnO缓冲层20上于常压条件下生长GaN保护层30，以N₂作为载气，气体流量分别为：NH₃流量为200sccm，NH₃载气流量为300sccm，HCl流量为5sccm，HCl载气流量为300sccm，生长厚度约1-2μm。

缓慢升温到1050℃，在NH₃气氛条件下退火10分钟，然后在低温GaN保护层30上外延生长厚膜40，气体流量分别为：NH₃流量为500-1000sccm，NH₃载气流量为600sccm，HCl流量为20-50sccm，HCl载气流量为500sccm，生长速度达到40-80μm/h，可生长出厚度超过200μm的GaN厚膜40。

用此方法生长的GaN厚膜属于(10-10)非极性GaN，对由以上步骤获得的样品进行测试分析。图2是本发明的非极性GaN外延膜的X射线2θ-ω测试结果。X射线2θ-ω测试结果显示只有狭窄的GaN(10-10)和(20-20)峰的存在，没有发现(0001)、(10-11)等其他杂相，证明了较好的晶体特性。图3是本发明的非极性GaN外延膜的X射线摇摆曲线半峰宽测试结果。外延膜的X射线摇摆曲线双晶半峰宽约0.42°，与LiAlO2衬底上的外延结果相近，显示了较好的效果。图4是本发明的非极性GaN外延膜的原子力显微镜(AFM)表面形貌图。可见膜表面平整，存在典型非极性GaN具有的条纹结构，粗糙度为5.2nm，未发现三角坑等晶体缺陷，达到了同质外延LED器件的基本要求。上述这些结果表明本发明可以在m面蓝宝石上获得较好质量的非极性m面GaN厚膜。

以上制作实例为本发明的一般实施方案，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。