[發明專利]一種非極性GaN薄膜及其生長方法

有效

• 申請號: 200810200458.6
• 申請日: 2008-09-25
• 公開（公告）號: CN101364631A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 周健華;郝茂盛;顏建鋒;潘堯波;周圣明
• 申請（專利權）人: 上海藍光科技有限公司;彩虹集團公司;中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01S5/30
• 代理公司: 上海光華專利事務所
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明涉及在一種新型襯底LiAlO₂材料上用量產型MOCVD機臺生長非極性GaN薄膜及其生長方法。

背景技術

以GaN為代表的新一代半導體材料以其寬直接帶隙(Eg＝3.4eV)、高熱導率、高硬度、高化學穩定性、低介電常數、抗輻射等特點獲得了人們的廣泛關注，在固態照明、固體激光器、光信息存儲、紫外探測器等領域都有巨大的應用潛力。按中國2002年的用電情況計算，如果采用固態照明替代傳統光源，一年可以省下三峽水電站的發電量，有著巨大的經濟、環境和社會效益；而據美國能源部測算，到2010年，全美半導體照明行業產值將達500億美元。在光信息存儲方面，以GaN為基礎的固體藍光激光器可大幅度提高光存儲密度。正因為這些優點，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱結構LEDs已經商品化。

襯底材料對于外延薄膜的質量有著重要影響。目前GaN體單晶材料生長十分困難，有報道說GaN在壓力為60-70kbar、溫度為2300℃下還不熔化。生長條件通常是高溫高壓，代價昂貴，不利于商業化，因此目前的應用大多是在c向藍寶石上做異質外延。使用c向藍寶石的一個重大缺點是其與GaN薄膜的晶格失配高達13.6％，雖然通過緩沖層技術可以彌補這一缺點，但是這樣嚴重的失配仍然會導致外延膜中有著高密度的缺陷，從而降低器件效率。另外，GaN薄膜通常是沿著其極性軸c軸方向生長的，由自發極化和壓電效應而產生的強大的內建電場大大地降低了發光效率。采用新型LiAlO₂襯底有望解決這兩個問題。LiAlO₂襯底與GaN薄膜晶格失配小，只有1.4％，而且在LiAlO₂上生長的是非極性的GaN薄膜，可以消除內建電場對于發光效率的限制作用。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于：提供一種非極性GaN薄膜的生長方法，其利用MOCVD系統在鋁酸鋰襯底上合成生長非極性GaN薄膜。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種非極性GaN薄膜的生長方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：在MOCVD系統中，在N₂保護下，升溫到800-900℃，在鋁酸鋰襯底上生長低溫保護層，低溫保護層壓力150-500torr，TMGa流量1-50sccm，對應于摩爾流量：4E-6mole/min-3E-4mole/min。

步驟二：降低壓力至100-300torr，升溫到1000-1100℃生長U-GaN層，TMGa流量10-200sccm，對應于摩爾流量：4E-5mol/min-1E-3mole/min

步驟三：再升溫到1150-1200℃，在這個溫度下生長高溫U-GaN層100nm；

步驟四：再降溫到1000-1100℃生長另一U-GaN層。

作為本發明的一種優選方案之一，在步驟一中，在生長開始之前，首先對鋁酸鋰襯底表面在600-900℃下進行原位熱處理。

綜上所述，本發明提供一種非極性GaN薄膜及其生長方法，其利用MOCVD系統在LiAlO₂襯底上合成生長非極性GaN薄膜，通過生長低溫保護層，保護鋁酸鋰襯底不被高溫破壞，高溫U-GaN層可改善生長的GaN的表面平整度。

附圖說明

圖1是本發明生長流程中工藝條件示意圖；

圖2是本發明結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發明的具體實施步驟：

一種非極性GaN薄膜，其利用MOCVD系統在鋁酸鋰襯底上合成生長，該薄膜包括鋁酸鋰襯底上依次生長的低溫保護層、U-GaN層、高溫U-GaN層及另一U-GaN層。

一種非極性GaN薄膜的生長方法，在MOCVD系統中，在N₂保護下，(可以在600-900℃進行原位熱處理，也可以不處理)升溫到800-900℃，生長低溫保護層，低溫保護層壓力比較高(150-500torr)，TMGa流量比較低(1-50sccm，對應于摩爾流量：4E-6mole/min-3E-4mole/min)，然后降低壓力(100-300torr)，升溫到1000-1100℃繼續生長U-GaN層，TMGa流量比較高(10-200sccm，，對應于摩爾流量：4E-5mol/min-1E-3mole/min)，然后再升溫到1150-1200℃，生長約100nm，然后再降溫到1000-1100℃生長U-GaN。