[發明專利]基于γ面LiAlO2襯底上非極性m面GaN的MOCVD生長方法

有效

• 申請號: 201010209568.6
• 申請日: 2010-06-24
• 公開（公告）號: CN101901761A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發明（設計）人: 郝躍;許晟瑞;薛軍帥;周小偉;張進成;曹艷榮;蔡冒世;王昊
• 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γ面LiAlO₂襯底上非極性m面GaN半導體材料的金屬有機化合物化學氣相淀積MOCVD生長方法，可用于制作非極性GaN基的半導體器件。

技術背景

III-V族氮化物及其合金如GaN、AlN、InN在光電子和微電子領域都取得了巨大的進展，這些材料可以在高溫和比較惡劣的環境下工作，具有廣闊的應用前景，是目前研究的熱點，特別是GaN材料已經廣泛應用于發光二極管和微波功率器件中。目前常規的GaN是在極性面c面Al₂O₃上生長的，GaN基器件的出色性能主要是因為AlGaN/GaN異質結界面存在著自發的高密度和高遷移率的二維電子氣2DEG，這層2DEG是由于異質結中較大的導帶不連續性以及較強的極化效應產生的。但是這種極化效應在LED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、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，生長的非極性面GaN成為目前GaN材料研究的重點。但是，由于非極性面GaN和襯底之間存在著較大的晶格失配和熱失配，生長的材料較差。生長高質量的非極性GaN薄膜是制作上述LED器件的關鍵。由于γ面LiAlO₂襯底和非極性m面GaN之間存在著非常小的晶格失配，所以在γ面LiAlO₂上生長非極性m面GaN是目前研究的熱點。

為了在γ面LiAlO₂上生長高質量的非極性m面GaN外延層，許多研究者采用了不同的生長方法。2002年，R.R.Vanfleet等人采用金屬氫化物外延的生長方式，在γ面LiAlO₂襯底上生長了非極性m面GaN材料，參見Defects?in?m-face?GaN?flms?grown?by?halide?vapor?phase?epitaxy?on?LiAlO₂，APPLIED?PHYSICS?LETTERS?V.83，p?1139?2003。但是，這種方法的材料質量很差。2007年，J.Zou等人采用了兩步GaN的方法，在γ面LiAlO₂襯底上生長了非極性m面GaN材料，參見Nonpolar?m-and?a-plane?GaN?thin?films?grown?on?γ-LiAlO₂?substrates，Journal?of?Crystal?Growth?V311?p?3285-3288?2009。但是，這種兩步的方法生長的m面GaN，表面形貌依然很差，結晶質量也很差。

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γ面LiAlO₂襯底的非極性m面GaN薄膜的生長方法，以提高材料的表面形貌和結晶質量。

實現本發明目的技術關鍵是：采用化學腐蝕和生長結合的方式，在γ面LiAlO₂襯底上分別生長低溫m面AlN成核層、高溫m面AlN層和m面GaN緩沖層，然后把經過上述生長過程后的襯底基片從反應室取出，在熔融KOH溶液中進行腐蝕，形成橫向外延區，二次生長低缺陷、表面形貌好的非極性m面GaN外延層。其實現步驟包括如下：

(1)將γ面LiAlO₂襯底基片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，對襯底進行熱處理，反應室的真空度小于2×10^-2Torr，襯底加熱溫度為800-1000℃，時間為3-5min，反應室壓力為10-700Torr；

(2)在熱處理后的γ面LiAlO₂襯底基片上生長厚度為30-100nm，溫度為500-600℃的低溫AlN成核層；

(3)在所述低溫AlN成核層上生長厚度為60-200nm，溫度為900-1050℃的高溫AlN層；

(4)在所述高溫AlN層上生長厚度為1000-5000nm，溫度為900-1050℃的高溫非極性m面GaN緩沖層；

(5)將經過上述生長過程后的襯底基片從反應室取出，在熔融KOH溶液中進行1-5分鐘腐蝕，形成橫向外延區；

(6)把經過腐蝕的襯底基片置于MOCVD反應室中，在橫向外延區繼續生長厚度為2000-5000nm，溫度為1000-1100℃的非極性m面GaN外延層。

本發明具有如下優點：