[發明專利]基于r面Al2O3襯底上非極性a面GaN薄膜的MOCVD生長方法

有效

• 申請號: 201010209566.7
• 申請日: 2010-06-24
• 公開（公告）號: CN101901759A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發明（設計）人: 許晟瑞;郝躍;周小偉;張進成;史林玉;陳珂;楊傳凱;歐新秀
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;C23C16/44;C30B29/40
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體材料的生長方法，特別是一種r面Al₂O₃襯底上非極性a面GaN半導體材料的金屬有機物化學氣相外延MOCVD生長方法，可用于制作非極性a面GaN基的半導體器件。

技術背景

氮化鎵以及III-V族氮化物在光電子和微電子領域都取得了巨大的進步，這種材料可以在高溫和比較惡劣的環境下工作，具有非常廣闊的應用前景，是目前研究的熱點。常規的GaN主要是在極性面c面Al₂O₃上生長的，由于在c面GaN上存在著非常強的自發極化和壓電極化，AlGaN/GaN異質結界面存在著高密度和高遷移率的二維電子氣2DEG，所以不需要摻雜c面上的異質結就存在著非常優異的性能，可以利用這種優勢制作微波功率器件。但是這種極化效應在光電器件當中是有較大危害的，由于極化引起的內建電場的存在使能帶彎曲、傾斜，并使能級位置發生變化，強大的極化電場還會使正負載流子在空間上分離，電子與空穴波函數的交迭變小，使材料的發光效率大大的降低。為了減小極化電場對量子阱發光效率的影響，目前生長非極性a面氮化鎵成為研究的重點。Al₂O₃襯底由于具有價格上的優勢，滿足大批量產業化的要求，所以在r面Al₂O₃襯底上生長非極性GaN就顯得格外重要。但是，由于非極性a面GaN和r面Al₂O₃襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，生長的材料較差。所以，生長高質量非極性a面GaN薄膜是制作上述光電器件的關鍵。

為了減少缺陷，生長高質量的非極性a面GaN外延層，許多研究者采用了不同的生長方法。2008年，Arpan?Chakraborty，等人采用插入Si_xN的生長方式，在r面Al₂O₃襯底上生長了非極性a面GaN材料，參見Defect?reduction?in?nonpolara-plane?GaN?films?using?in?situ?SiN_x?nanomask，APPLIED?PHYSICS?LETTERS?V89?p?041903?2006。但是，這種方法的材料質量依然很差。2007年，Jeng-Jie?Huang，等人采用了LEO和脈沖結合的方法在r面Al₂O₃襯底生長了a面GaN，參見Improved?a-plane?GaN?quality?grown?with?flow?modulation?epitaxy?and?epitaxial?lateral?overgrowth?on?r-plane?sapphire?substrate，APPLIED?PHYSICS?LETTERS?V92?p?231902?2008。但是，這種LEO和脈沖結合的方法，在生長完GaN底板以后，還要進行SiO₂的淀積以及光刻的過程，大大增加了工藝流程，效率較低。

發明內容

本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種基于r面Al₂O₃襯底的非極性a面GaN薄膜的生長方法，以簡化工藝復雜度，提高生長效率和a面GaN薄膜質量，為制作高性能非極性a面GaN發光二極管提供底板。

實現本發明目的技術關鍵是：采用兩步TiN插入層的方式，在r面Al₂O₃襯底上依次生長低溫AlN成核層，高溫AlN層，非極性a面GaN層，TiN層，非極性a面GaN層，TiN層和非極性a面GaN層；通過調節各層生長的壓力、流量、溫度以及厚度生長條件，利用多次橫向外延，減小非極性a面GaN薄膜的位錯密度和生長低缺陷。實現步驟包括如下：

(1)將r面Al₂O₂襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，并向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體，對襯底基片進行熱處理，反應室的真空度小于2×10^-2Torr，襯底加熱溫度為900-1200℃，時間為5-10min，反應室壓力為20-760Torr；

(2)在r面Al₂O₃襯底上生長厚度為20-200nm，溫度為500-650℃的低溫AlN成核層；