专利名称：横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及横向外延技术并结合金属有机物气相外延(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)等薄膜技术生长氮化镓(GaN)薄膜的方法和技术，尤其是生长低位错密度GaN薄膜的方法。
由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。然而，用GaN衬底进行同质外延获得III族氮化物薄膜材料却显示出了极其优越的性能，因此用低位错密度衬底进行GaN同质外延是改善III族氮化物外延层质量的较好办法。早期人们主要采用氢化物气相外延(HVPE)方法在蓝宝石衬底上直接生长GaN，再加以分离，获得GaN衬底材料。此法的突出缺点是GaN外延层中位错密度很高，一般达1010cm-2左右。目前降低位错密度的关键技术是采用横向外延(Epitaxial-Lateral-Overgrown，ELO)的方法。位错密度可以降低4～5个量级。
GaN横向外延技术是指在已经获得的GaN平面材料上淀积掩蔽材料(如SiO2、Si3N4、W等)并刻出特定的图形窗口，再在其上进行GaN的二次外延。采用横向外延技术可大幅度降低外延层中的位错密度，并改善外延层质量，降低外延层非故意掺杂电子浓度，从而降低P型掺杂难度等。
在本发明中，我们采用横向外延方法结合MOCVD、HVPE薄膜生长技术在蓝宝石衬底上生长低位错密度GaN薄膜，位错密度低于106/cm2。
本发明的技术解决方案首先用MOCVD、MBE或其他方法生长GaN籽晶层；在GaN籽晶层上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蚀刻出一定的图形(如长条状、六方形等)；然后用MOCVD或HVPE方法外延生长，直至掩模层被GaN铺满，继续生长得到厚膜。这样制备的GaN薄膜位错密度较低(低于106/cm2)，质量很高。
本发明的机理和技术特点是在GaN横向外延技术中，由于选择外延，只在GaN窗口部分能GaN才能外延生长，而SiO2等掩模层部分难以成核。当GaN窗口区中外延出的GaN超过掩模层厚度时，与竖直方向生长的同时，发生横向生长。当横向生长达到一定程度后便能得到全履盖的GaN外延层。这种生长因为符合“准自由”生长条件，且生长方向垂直于原GaN位错的攀移方向，因而有很高的质量，位错密度远比直接生长较低。HVPE生长速率很快，可达儿十甚至几百μm/小时。由于在远离界面处位错密度比较低，所以在横向外延薄膜上HVPE厚膜外延，可得到位错密度更低的GaN薄膜。
生长条件1100℃，[NH3]∶[HCl]＝0.076∶0.0023。
图2是本发明横向外延和HVPE技术生长的GaN薄膜AFM表面形貌图。图中，GaN窗口区与掩摸区上的GaN已经结合在一起。生长条件1100oC，[NH3]∶[HCl]＝0.076∶0.0023。
2、在GaN籽晶层上淀积SiO2、Si3N4、W等薄膜作掩模层，厚度为100nm。
3、用光刻方法刻蚀掩模层获得一定的图形，掩摸区一般都大于窗口区。图形形状主要有平行长条状和正六方形。对于平行长条状，掩摸区宽度2-20μm，GaN窗口区宽度0.2-20μm，平行长条状的开口方向是沿GaN的[1ī00]取向。正六边形的开口，使GaN的[1ī00]取向垂直于正六边形的边。
4、控制V价N原子与III价Ga原子比(33～83∶1)，生长温度(1030～1100℃)，窗口和掩膜区的选择比等，在不同的条件下，在上述图形GaN籽晶层上HVPE外延GaN厚膜。在图形籽晶层上也可以直接用MOCVD进行横向外延及厚膜生长，只是时间远比HVPE长。
5、另外，上述步骤4也可以这样进行先在图形GaN上MOCVD生长GaN，当薄膜长满整个掩模层后，再采用HVPE生长技术进行快速生长获得厚膜。
这样生长得到的GaN薄膜，位错密度可以低于106/cm2。
权利要求
1.横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法，其特征是用MOCVD、MBE或其他方法生长GaN籽晶层；在GaN籽晶层上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蚀刻出一定的图形，对于平行长条状，掩摸区宽度2-20μm，GaN窗口区宽度0.2-20μm，平行长条状的开口方向是沿GaN的[1ī00]取向；对于正六边形的开口，使GaN的[1ī00]取向垂直于正六边形的边，然后用MOCVD或HVPE方法外延生长GaN，直至掩模层被GaN铺满，继续生长得到低位错密度氮化镓薄膜。
2.由权利要求1所述的横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法，其特征是V价N原子与III价Ga原子比33～83∶1。
全文摘要
横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法,用MOCVD、MBE或其他方法生长GaN籽晶层;在GaN籽晶层上沉积SiO
文档编号C23C16/34GK1389904SQ0211308
公开日2003年1月8日 申请日期2002年5月31日 优先权日2002年5月31日
发明者张 荣, 修向前, 顾书林, 卢佃清, 毕朝霞, 沈波, 江若琏, 施毅, 朱顺明, 韩平, 胡立群, 郑有炓 申请人:南京大学