基于r面Al₂O₃衬底上非极性a面GaN薄膜的MOCVD生长方法

专利名称：基于r面Al₂O₃衬底上非极性a面GaN薄膜的MOCVD生长方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种！·面Al2O3 衬底上非极性a面GaN半导体材料的金属有机物化学气相外延MOCVD生长方法，可用于制 作非极性a面GaN基的半导体器件。
背景技术：
氮化镓以及III-V族氮化物在光电子和微电子领域都取得了巨大的进步，这种材 料可以在高温和比较恶劣的环境下工作，具有非常广阔的应用前景，是目前研究的热点。常 规的GaN主要是在极性面c面Al2O3上生长的，由于在c面GaN上存在着非常强的自发极 化和压电极化，AlGaN/GaN异质结界面存在着高密度和高迁移率的二维电子气2DEG，所以 不需要掺杂c面上的异质结就存在着非常优异的性能，可以利用这种优势制作微波功率器 件。但是这种极化效应在光电器件当中是有较大危害的，由于极化引起的内建电场的存在 使能带弯曲、倾斜，并使能级位置发生变化，强大的极化电场还会使正负载流子在空间上分 离，电子与空穴波函数的交迭变小，使材料的发光效率大大的降低。为了减小极化电场对量 子阱发光效率的影响，目前生长非极性a面氮化镓成为研究的重点。Al2O3衬底由于具有价 格上的优势，满足大批量产业化的要求，所以在r面Al2O3衬底上生长非极性GaN就显得格 外重要。但是，由于非极性a面GaN和r面Al2O3衬底之间存在较大的晶格失配和热失配， 生长的材料较差。所以，生长高质量非极性a面GaN薄膜是制作上述光电器件的关键。为了减少缺陷，生长高质量的非极性a面GaN外延层，许多研究者采用了不同的生 长方法。2008年，Arpan Chakraborty,等人采用插入SixN的生长方式，在r面Al2O3衬底
a M GaNDefect reduction in nonpolara-plane GaN films
using in situ SiNx nanomask, APPLIED PHYSICS LETTERS V89 ρ 041903 2006。但是， 这种方法的材料质量依然很差。2007年，Jeng-Jie Huang，等人采用了 LEO和脉冲结合的 方法在 r 面 Al2O3 衬底生长了 a 面 GaN,参见 Improved a-plane GaN quality grown with flow modulation epitaxy and epitaxial lateral overgrowth on r—plane sapphire substrate, APPLIED PHYSICS LETTERS V92 ρ 231902 2008。但是，这种 LEO 和脉冲结合 的方法，在生长完GaN底板以后，还要进行SiO2W淀积以及光刻的过程，大大增加了工艺流 程，效率较低。

发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于r面Al2O3衬底的非极 性a面GaN薄膜的生长方法，以简化工艺复杂度，提高生长效率和a面GaN薄膜质量，为制 作高性能非极性a面GaN发光二极管提供底板。实现本发明目的技术关键是采用两步TiN插入层的方式，在r面Al2O3衬底上依 次生长低温AlN成核层，高温AlN层，非极性a面GaN层，TiN层，非极性a面GaN层，TiN层和非极性a面GaN层；通过调节各层生长的压力、流量、温度以及厚度生长条件，利用多次横 向外延，减小非极性a面GaN薄膜的位错密度和生长低缺陷。实现步骤包括如下(1)将r面Al2O2衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室 通入氢气与氨气的混合气体，对衬底基片进行热处理，反应室的真空度小于2 X 10_2Τοπ·，衬 底加热温度为900-1200°C，时间为5-lOmin，反应室压力为20-760Torr ；(2)在r面Al2O3衬底上生长厚度为20_200nm，温度为500-650°C的低温AlN成核 层；(3)在所述低温AlN成核层上生长厚度为50-200nm，温度为1000-1150°C的高温 AlN 层；(4)在所述高温AlN层之上生长厚度为500-2000nm，温度为1000-1150°C的高温 GaN 层；(5)在所述高温GaN层之上生长一层l-30nm的Ti金属层，并对该Ti金属层进行 氮化形成TiN层；(6)在所述TiN层之上生长厚度为500-5000nm，温度为1000-1150°C的高温非极性 a面GaN层；(7)重复步骤(5) - (6)，二次生长TiN和GaN层。用上述方法获得的非极性a面GaN薄膜，自下而上依次包括500-650°C低温AlN成 核层、1000-1150°C高温AlN层和1000-1150°C的非极性a面GaN层，其特征在于a面GaN层 为上中下三层，且下层和中层上各设有厚度为l-30nm的TiN层。本发明具有如下优点1.由于采用本发明所用的两步TiN插入层，大大降低了非极性a面GaN薄膜中的 各种线位错密度，有利于降低非辐射复合中心，提高GaN薄膜质量。2.由于采用本发明所用的两步TiN插入层，所以不需要淀积SiO2和光刻工艺，因 此具有效率高，步骤简单，重复性强的特点。本发明的技术方案和效果可通过以下附图和实施例进一步说明。


图1是本发明非的极性a面GaN薄膜生长流程图；图2是本发明的非极性a面GaN薄膜剖面结构示意图；图3是本发明的非极性a面GaN薄膜的X射线衍射的测试结果图；图4是本发明的非极性a面GaN薄膜的原子力显微镜的测试结果图。
具体实施例方式参照图1，本发明给出如下实施例实施例1，本发明的实现步骤如下步骤1，对衬底基片进行热处理。将r面Al2O3衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入 氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2X IO-2Torr,衬底加热温度为1100°C，时 间为8min，反应室压力为40Τοπ·的条件下，对衬底基片进行热处理。
步骤2，生长500_650°C低温AlN成核层。将热处理后的衬底基片温度降低为620°C，向反应室通入流量为15ym0l/min的 铝源、流量为1200SCCm氢气和流量为1500SCCm的氨气，在保持压力为40Torr的条件下生 长厚度为25nm的低温AlN成核层。步骤3，生长高温 1000-1150°C AlN 层。将已经生长了 620°C低温AlN成核层的基片温度升高到1100°C，向反应室通入流 量为20ymol/min的铝源、流量为1200sccm氢气和流量为1500sccm的氨气，在保持压力为 40Torr的条件下，生长厚度为IOOnm温度为1100°C的高温AlN成核层。步骤4，生长非极性a面GaN层。将已经生长了 1100°C高温AlN层的基片温度保持在1020°C，向反应室通入流量 为30ymol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为1500sccm的氨气，在保持压力为 40Torr的条件下生长厚度为IOOOnm的非极性a面GaN层。步骤5，生长TiN插入层。将已经生长了非极性a面GaN层的基片温度保持在1020°C，向GaN表面淀积厚度 为IOnm的Ti层，然后在流量为1500SCCm的氨气环境中，在保持压力为40Torr和1020°C的 条件下氮化10分钟形成IOnm厚的TiN层。步骤6，生长非极性a面GaN层。将已经生长了 TiN层的基片温度保持在1020°C，向反应室通入流量为40μπιΟ1/ min的镓源、流量为1200SCCm氢气和流量为1500sCCm的氨气，在保持压力为40Torr的条件 下生长厚度为2000nm的非极性a面GaN层。步骤7，重复步骤5至步骤6，二次生长TiN插入层和非极性a面GaN层。步骤8，将通过上述过程生长的非极性a面GaN材料从MOCVD反应室中取出。通过上述步骤生长出的非极性a面GaN薄膜结构，如图2所述，它自下而上依次为 厚度为200-500 μ m的r面Al2O3衬底、厚度为25nm的低温AlN成核层、厚度为IOOnm的高 温AlN层、厚度为IOOOnm的非极性a面GaN层、厚度为IOnm的TiN层、厚度为2000nm的非 极性a面GaN层、厚度为IOnm的TiN层和厚度为2000nm的非极性a面GaN层。实施例2 本发明的实现步骤如下 步骤A，对衬底基片进行热处理。将r面Al2O3衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入 氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2X 10_2Τοπ·，衬底加热温度为900°C，时间 为5min，反应室压力为20Τοπ·的条件下，对衬底基片进行热处理。步骤B，生长500°C低温AlN层。将热处理后的衬底基片温度降低为500°C，向反应室通入流量为5 μ mol/min的铝 源、流量为1200SCCm氢气和流量为lOOOsccm的氨气，在保持压力为20Torr的条件下生长 厚度为20nm的低温AlN成核层。步骤C，生长1000°C高温AlN层。将已经生长了 500°C低温AlN成核层的基片温度升高到1000°C，向反应室通入流 量为5 μ mol/min的铝源、流量为1200sCCm氢气和流量为lOOOsccm的氨气，在保持压力为20Torr的条件下，生长厚度为50nm温度为的1000°C高温AlN成核层。步骤D，生长非极性a面GaN层。将已经生长了 1000°C高温AlN层的基片温度保持在1000°C，向反应室通入流量 为5ymol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为IOOOsccm的氨气，在保持压力为 20Torr的条件下生长厚度为500nm的非极性a面GaN层。步骤E，生长TiN层。将已经生长了非极性a面GaN层的基片表面淀积厚度为Inm的Ti层，然后在流量 为lOOOsccm的氨气环境中，在保持压力为20Torr和900°C的条件下氮化5分钟形成Inm厚
TiN 层。 步骤F，生长非极性a面GaN层。将已经生长了 TiN层的基片温度保持在1000°C，向反应室通入流量为δμπιο /π η 的镓源、流量为1200SCCm氢气和流量为lOOOsccm的氨气，在保持压力为20Torr的条件下 生长厚度为500nm的非极性a面GaN层。步骤G，重复步骤E至步骤F，二次生长TiN插入层和非极性a面GaN层。步骤H，将通过上述过程生长的非极性GaN材料从MOCVD反应室中取出。通过上述步骤生长出非极性a面GaN薄膜结构，如图2所述，它自下而上依次包括 厚度为200-500 μ m的r面Al2O3衬底、厚度为20nm的低温AlN层、厚度为50nm的高温AlN 层、厚度为500nm的非极性a面GaN层、厚度为Inm的TiN层、厚度为500nm的非极性a面 GaN层、厚度为Inm的TiN层、厚度为500nm的非极性a面GaN层。实施例3 本发明的实现步骤如下步骤I，对衬底基片进行热处理。将r面Al2O3衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入 氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2X IO-2Torr,衬底加热温度为1200°C，时 间为lOmin，反应室压力为760Τοπ·的条件下，对衬底基片进行热处理。步骤II，生长500-650°C低温AlN成核层。将热处理后的衬底基片温度降低为650°C，向反应室通入流量为100 μ mol/min的 铝源、流量为1200SCCm氢气和流量为lOOOOsccm的氨气，在保持压力为760Torr的条件下 生长厚度为200nm温度为650°C低温AlN成核层。步骤III，生长1000-1150°C高温 AlN 层。将已经生长了 650°C低温AlN成核层的基片温度升高为1150°C，向反应室通入流 量为100 μ mol/min的铝源、流量为1200sccm氢气和流量为lOOOOsccm的氨气，在保持压力 为760Torr的条件下，生长厚度为200nm温度为1150°C高温AlN层。步骤IV，生长非极性a面GaN层。将已经生长了高温AlN层的基片温度保持在1150°C，向反应室通入流量为 100 μ mol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为lOOOOsccm的氨气，在保持压力为 760Torr的条件下生长厚度为2000nm的非极性a面GaN层。步骤V，生长TiN层。将已经生长了非极性a面GaN层的基片表面淀积厚度为30nm的Ti层，然后在流量为lOOOOsccm的氨气环境中，在保持压力为760Torr和1200°C的条件下氮化30分钟形成 30nm厚的TiN层。步骤VI，生长非极性a面GaN层。将已经生长了 TiN层的基片温度保持在1150°C，向反应室通入流量为IOOymol/ min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为lOOOOsccm的氨气，在保持压力为760Torr的条 件下生长厚度为5000nm的非极性a面GaN层。步骤VL重复步骤V至步骤VI，二次生长TiN插入层和非极性a面GaN层。步骤通，将通过上述过程生长的非极性a面GaN材料从MOCVD反应室中取出。通过上述步骤生长出非极性a面GaN薄膜结构，如图2所述，它自下而上依次包括 厚度为200-500μπι的r面Al2O3衬底、厚度为200nm的低温AlN层、厚度为200nm的高温 AlN层、厚度为2000nm的非极性a面GaN层、厚度为30nm的TiN层、厚度为5000nm的非极 性a面GaN层、厚度为30nm的TiN层、厚度为5000nm的非极性a面GaN层。本发明的效果可通过测试结果进一步说明1.测试内容A.用高分辨X射线衍射仪HRXRD对采用本发明两步TiN插入层的材料和采用现有 无TiN插入层的材料质量分别进行测量，通过X射线衍射的摇摆曲线半高宽反映出材料的 结晶质量，测量结果如图3所示。B.用原子力显微镜AFM对采用本发明两步TiN插入层的材料和采用现有无TiN插 入层的材料质量分别进行测量，通过AFM的表面形貌反映出材料的结晶质量，测量结果如 图4所示，其中图4 (a)为采用两次TiN插入层方法得到的测试结果，图4(b)为采用常规方 法得到的测试结果，2.测试结果分析图3所示的X射线衍射的摇摆曲线表明，采用本发明两步TiN插入层薄膜的摇摆 曲线的半高宽仅仅为常规技术下薄膜摇摆曲线半高宽的75%，可见本发明采用的TiN插入 层方法大大降低了非极性a面GaN薄膜的线位错密度，有利于降低非辐射复合中心，提高材 料的发光效率，提高击穿电压。图4(a)所示的AFM测试结果表明，采用本发明两步TiN插入层薄膜的表面粗糙度 为0. 594nm，而4(b)所示的常规方法生长的薄膜的表面粗糙度为28. 6nm，可见本发明采用 的两次TiN插入层方法大大降低了非极性a面GaN薄膜中的线位错密度，改善了了材料的 表面形貌。对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，能够在不背离本发明 的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这 些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
一种基于r面Al2O3衬底的非极性a面GaN薄膜生长方法，包括如下步骤(1)将r面Al2O2衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，对衬底基片进行热处理，反应室的真空度小于2×10 2Torr，衬底加热温度为900 1200℃，时间为5 10min，反应室压力为20 760Torr；(2)在热处理后的r面Al2O3衬底上生长厚度为20 200nm，温度为500 650℃的低温AlN层；(3)在所述低温AlN层上生长厚度为50 200nm，温度为1000 1150℃的高温AlN层；(4)在所述高温AlN层之上生长厚度为500 2000nm，温度为1000 1150℃的高温GaN层；(5)在所述高温GaN层之上生长一层1 30nm厚的Ti金属层，并对该Ti金属层进行氮化形成TiN层；(6)在所述TiN层之上生长厚度为500 5000nm，温度为1000 1150℃的高温非极性a面GaN层；(7)重复步骤(5) (6)，二次生长TiN和GaN层。
2.根据权利要求1所述的非极性a面GaN薄膜生长方法，其中步骤⑵所述的低温AlN 层，采用如下工艺条件生长生长压力20_760Torr ； 铝源流量5-100ymol/min ； 氨气流量1000-10000sccm。
3.根据权利要求1所述的非极性a面GaN薄膜生长方法，其中步骤(3)所述的高温AlN 层，采用如下工艺条件生长生长压力20_760Torr ； 铝源流量5-100ymol/min ； 氨气流量1000-10000sccm。
4.根据权利要求1所述的非极性a面GaN薄膜生长方法，其中步骤(4)所述的高温GaN 层，采用如下工艺条件生长生长压力20_760Torr ； 镓源流量5_100 μ mol/min ； 氨气流量1000-10000sccm。
5.根据权利要求1所述的非极性a面GaN薄膜生长方法，其中步骤(5)所述的TiN层， 采用如下工艺条件氮化温度:900-1200°C ； 时间:5-30min ； 反应室压力20_760Torr ； 氨气流量1000-10000sccm。
6.根据权利要求1所述的非极性a面GaN薄膜生长方法，其中步骤(6)所述的高温GaN 层，采用如下工艺条件生长生长压力20_760Torr ； 镓源流量5_100 μ mol/min ；氨气流量1000-10000sccm。
7.一种基于r面Al2O3衬底的非极性a面GaN薄膜，自下而上依次包括500_650°C的低 温AlN层、1000-1150°C的高温AlN层和1000-1150°C的非极性a面GaN层，其特征在于a面 GaN层为上，中，下三层，且下层和中层上各设有厚度为l-30nm的TiN层。
8.根据权利要求7所述极性非极性a面GaN薄膜，其特征在于所述的低温AlN层，厚 度为 20-200nm。
9.根据权利要求7所述极性非极性a面GaN薄膜，其特征在于所述的高温AlN层，厚 度为 50-200nm。
10.根据权利要求7所述极性非极性a面GaN薄膜，其特征在于所述的非极性a面GaN 层，厚度为 1500-12000nm。
全文摘要
本发明公开了一种基于r面Al2O3衬底的非极性a面GaN薄膜的生长方法，主要解决常规非极性材料生长中材料质量、表面形貌较差的问题。其生长步骤是(1)将r面Al2O2衬底置于MOCVD反应室中，对衬底进行热处理；(2)在r面Al2O3衬底上生长厚度为20-200nm，温度为500-650℃的低温AlN层；(3)在所述低温AlN层之上生长厚度为50-200nm，温度为1000-1150℃的高温AlN层；(4)在所述高温AlN层之上生长厚度为500-2000nm，温度为1000-1150℃的GaN层；(5)在所述高温GaN层之上生长1-30nm的TiN层；(6)在所述TiN层之上生长厚度为500-5000nm，温度为1000-1150℃的GaN层；(7)在所述GaN层之上生长厚度1-30nm的TiN层；(8)在所述TiN层之上生长厚度为500-5000nm，温度为1000-1150℃的GaN层。本发明具有工艺简单，低缺陷的优点，可用于制作非极性a面GaN发光二极管。
文档编号H01L21/205GK101901759SQ20101020956
公开日2010年12月1日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者史林玉, 周小伟, 张进成, 杨传凯, 欧新秀, 许晟瑞, 郝跃, 陈珂 申请人:西安电子科技大学