基于γ面LiAlO₂衬底上非极性m面GaN的MOCVD生长方法

专利名称：基于γ面LiAlO₂衬底上非极性m面GaN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Y面 LiAlO2衬底上非极性m面GaN半导体材料的金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长方法， 可用于制作非极性GaN基的半导体器件。
背景技术：
III-V族氮化物及其合金如GaN、AlN、InN在光电子和微电子领域都取得了巨大的 进展，这些材料可以在高温和比较恶劣的环境下工作，具有广阔的应用前景，是目前研究的 热点，特别是GaN材料已经广泛应用于发光二极管和微波功率器件中。目前常规的GaN是 在极性面c面Al2O3上生长的，GaN基器件的出色性能主要是因为AlGaN/GaN异质结界面存 在着自发的高密度和高迁移率的二维电子气2DEG，这层2DEG是由于异质结中较大的导带 不连续性以及较强的极化效应产生的。但是这种极化效应在LED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、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，生长的非极性面GaN成为目前GaN材料研究的 重点。但是，由于非极性面GaN和衬底之间存在着较大的晶格失配和热失配，生长的材料较 差。生长高质量的非极性GaN薄膜是制作上述LED器件的关键。由于、面LiAlO2衬底和 非极性m面GaN之间存在着非常小的晶格失配，所以在、面LiAlO2上生长非极性m面GaN 是目前研究的热点。为了在γ面LiAlO2I生长高质量的非极性m面GaN外延层，许多研究者采用了 不同的生长方法。2002年，R.R. Vanfleet等人采用金属氢化物外延的生长方式，在、面 LiAlO2 衬底上生长了非极性 m 面 GaN 材料，参见 Defects in m-face GaN flms grown by halide vapor phase epitaxy on LiAlO2,APPLIED PHYSICS LETTERS V. 83,ρ 1139 2003。 但是，这种方法的材料质量很差。2007年，J. Zou等人采用了两步GaN的方法，在、面LiAlO2
7mMGaN Nonpolar m-and a-plane GaN thin films grown on y -LiAlO2 substrates, Journal of Crystal Growth V311 ρ 3285-3288 2009。但是， 这种两步的方法生长的m面GaN，表面形貌依然很差，结晶质量也很差。

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Y面LiAlO2衬底的 非极性m面GaN薄膜的生长方法，以提高材料的表面形貌和结晶质量。实现本发明目的技术关键是采用化学腐蚀和生长结合的方式，在Y面LiAlOji 底上分别生长低温m面AlN成核层、高温m面AlN层和m面GaN缓冲层，然后把经过上述生 长过程后的衬底基片从反应室取出，在熔融KOH溶液中进行腐蚀，形成横向外延区，二次生 长低缺陷、表面形貌好的非极性m面GaN外延层。其实现步骤包括如下
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(1)将γ面LiAlO2衬底基片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，对衬底进行热处理，反应室的真空度小于2 X 10_2Τοπ·，衬底加热温度为 800-1000°C，时间为 3-5min，反应室压力为 10_700Torr ；(2)在热处理后的γ面LiAlO2衬底基片上生长厚度为30-100nm，温度为 500-600°C的低温AlN成核层；(3)在所述低温AlN成核层上生长厚度为60-200nm，温度为900_1050°C的高温 AlN 层；(4)在所述高温AlN层上生长厚度为1000-5000nm，温度为900-1050°C的高温非极 性m面GaN缓冲层；(5)将经过上述生长过程后的衬底基片从反应室取出，在熔融KOH溶液中进行1-5 分钟腐蚀，形成横向外延区；(6)把经过腐蚀的衬底基片置于MOCVD反应室中，在横向外延区继续生长厚度为 2000-5000nm，温度为1000-1100°C的非极性m面GaN外延层。本发明具有如下优点1.由于对GaN缓冲层腐蚀后形成横向外延区，并二次生长非极性m面GaN外延层， 使材料的表面形貌得到了改善。2.由于对GaN缓冲层腐蚀后形成横向外延区，并二次生长非极性m面GaN外延层， 提高了材料的结晶质量。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是本发明的γ面LiAlO2衬底上非极性m面GaN生长流程图；图2是本发明的Y面LiAlO2衬底上非极性m面GaN外延层剖面结构示意图。
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，对衬底进行热处理。将γ面LiAlO2衬底基片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，在反应室的真空度小于2X10_2Torr，衬底加热温度为900°C，时间为4min， 反应室压力为40Τοπ·的条件下，对衬底进行热处理。步骤2，生长550°C低温AlN成核层。将热处理后的衬底温度降低为550°C，向反应室通入流量为20 μ mol/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40nm的低温AlN成核层。步骤3，生长1000°C高温AlN层。将已经生长了低温AlN成核层的衬底基片温度升高到1000°C，向反应室通入流量 为20 μ mol/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的高温AlN层。步骤4，生长非极性m面GaN缓冲层。将已经生长了高温AlN层的衬底基片温度保持在1000°C，向反应室通入流量 为60ymol/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3000nm的非极性m面GaN缓冲层。步骤5，腐蚀非极性m面GaN缓冲层。将已经生长了 m面GaN缓冲层的材料在220°C熔融KOH溶液中腐蚀2分钟，形成横 向外延区。步骤6，二次生长非极性m面GaN外延层。将经过腐蚀的m面GaN放入MOCVD反应室中进行二次生长，温度保持在1050°C，向 反应室通入流量为δΟμπιοΙ/π η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3000nm的非极性m面GaN外延层。步骤7，将通过上述过程生长的非极性m面GaN薄膜从MOCVD反应室中取出。参照图2，按照本发明上述方法制作的非极性m面GaN薄膜，它自下而上依次为 厚度为200-500μπι的γ面LiAlO2衬底、厚度为40nm的低温AlN成核层、厚度为的IOOnm 的AlN层、厚度为3000nm的非极性m面GaN缓冲层和厚度为3000nm的非极性m面GaN外 延层。实施例2 本发明的实现步骤如下步骤A，对衬底进行热处理。将m面LiAlO2衬底基片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_2Torr，衬底基片加热温度为 800°C，时间为3min，反应室压力为IOTorr的条件下，对衬底基片进行热处理。步骤B，生长500°C低温AlN成核层。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10 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IOTorr的条件下生 长厚度为30nm的低温AlN成核层。步骤C，生长高温AlN层。将已经生长了低温AlN成核层的衬底基片温度升高到900°C，向反应室通入流量 为10 μ mol/min的铝源、流量为1200sccm氢气和流量为IOOOsccm的氨气，在保持压力为 IOTorr的条件下，生长厚度为60nm的高温AlN成核层。步骤D，生长非极性m面GaN缓冲层。将已经生长了高温AlN层的衬底基片温度保持在900 °C，向反应室通入流量为 40 μ mol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为IOOOsccm的氨气，在保持压力为 IOTorr的条件下生长厚度为IOOOnm非极性m面GaN缓冲层。步骤E，腐蚀非极性m面GaN缓冲层。将已经生长了非极性m面GaN缓冲层的材料在200°C熔融KOH中腐蚀1分钟，形成 横向外延区。步骤F，二次生长非极性m 面GaN外延层。
将经过腐蚀的m面GaN衬底基片放入MOCVD反应室中进行二次生长，温度保持 在1000 °C，向反应室通入流量为40μπιΟ1/π η的镓源、流量为1200SCCm氢气和流量为 IOOOsccm的氨气，在保持压力为IOTorr的条件下生长厚度为2000nm的非极性m面GaN外延层。步骤G，将通过上述过程生长的非极性m面GaN材料从MOCVD反应室中取出。参照图2，按照本发明上述方法制作的非极性m面GaN薄膜，它自下而上依次为为 200-500μπι的γ面LiAlO2衬底、厚度为30nm的低温AlN成核层、厚度为的60nm的AlN层、 厚度为IOOOnm的非极性m面GaN缓冲层和厚度为2000nm的非极性m面GaN外延层。实施例3:本发明的实现步骤如下步骤一，对衬底基片进行热处理。将γ面LiAlO2衬底基片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，在反应室的真空度小于2Χ10_2Τοπ·，衬底基片加热温度为1000°C，时间为 5min，反应室压力为700Torr的条件下，对衬底基片进行热处理。步骤二，生长600°C低温AlN成核层。将热处理后的衬底基片温度降低为600°C，向反应室通入流量为120 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700Torr的条件下 生长厚度为IOOnm的低温AlN成核层。步骤三，生长1050°C高温AlN层。将已经生长了低温AlN成核层的衬底基片温度升高为1050°C，向反应室通入流量 为120 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 700Torr的条件下，生长厚度为200nm的高温AlN层。步骤四，生长非极性m面GaN缓冲层。将已经生长了高温AlN层的衬底基片温度保持在1050°C，向反应室通入流量为 120 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 700Torr的条件下生长厚度为5000nm的非极性m面GaN层。 步骤五，腐蚀非极性m面GaN缓冲层。将已经生长了非极性m面GaN缓冲层的基片在250°C熔融KOH中腐蚀5分钟，形成 横向外延区。步骤六，二次生长非极性m面GaN外延层。将经过腐蚀的m面GaN基片放入MOCVD反应室中进行二次生长，温度保持在 IlOO0C,向反应室通入流量为200μπιΟ1/π η的镓源、流量为1200SCCm氢气和流量为 5000sccm的氨气，在保持压力为700Torr的条件下生长厚度为5000nm的非极性m面GaN外延层。步骤七，将通过上述过程生长的非极性GaN材料从MOCVD反应室中取出。参照图2，按照本发明上述方法制作的非极性m面GaN薄膜，它自下而上依次为 厚度为200-500μπι的γ面LiAlO2衬底、厚度为40nm的低温AlN成核层、厚度为的IOOnm 的AlN层、厚度为3000nm的非极性m面GaN缓冲层和厚度为3000nm的非极性m面GaN外延层。
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γ面LiAlO2衬底非极性m面GaN薄膜的MOCVD生长方法，包括如下步骤(1)将γ面LiAlO2衬底基片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，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800 1000℃，时间为3 5min，反应室压力为10 700Torr；(2)在热处理后的γ面LiAlO2衬底基片上生长厚度为30 100nm，温度为500 600℃的低温AlN成核层；(3)在所述低温AlN成核层上生长厚度为60 200nm，温度为900 1050℃的高温AlN层；(4)在所述高温AlN层上生长厚度为1000 5000nm，温度为900 1050℃的高温非极性m面GaN缓冲层；(5)将经过上述生长过程后的衬底基片从反应室取出，在熔融KOH溶液中进行1 5分钟腐蚀，形成横向外延区；(6)把经过腐蚀的衬底基片置于MOCVD反应室中，在横向外延区继续生长厚度为2000 5000nm，温度为1000 1100℃的非极性m面GaN外延层。
2.根据权利要求1所述的非极性m面GaN薄膜生长方法，其中步骤⑵所述的低温AlN 成核层，其生长工艺条件如下压力10-700Torr ； 铝源流量10-120 μ mol/min ； 氨气流量1000-10000sccm。
3.根据权利要求1所述的非极性m面GaN薄膜生长方法，其中步骤(3)所述的高温AlN 层，其生长工艺条件如下压力10-700Torr ； 铝源流量10-120 μ mol/min ； 氨气流量1000-10000sccm。
4.根据权利要求1所述的非极性m面GaN薄膜生长方法，其中步骤⑷所述的GaN缓 冲层，其生长工艺条件如下压力:10-700Torr ； 镓源流量40-120 μ mol/min ； 氨气流量1000-10000sccm。
5.根据权利要求1所述的非极性m面GaN薄膜生长方法，其中步骤(5)所述的对衬底 基片在熔融KOH中进行1-5分钟的腐蚀，是在温度200-250°C的工艺条件进行。
6.根据权利要求1所述的非极性m面GaN薄膜生长方法，其中步骤(6)所述的GaN外 延层，其生长工艺条件如下压力:10-700Torr ； 镓源流量40-200 μ mol/min ； 氨气流量1000-5000sccm。
全文摘要
本发明公开了一种基于γ面LiAlO2衬底的非极性m面GaN薄膜的生长方法，主要解决常规非极性m面GaN材料质量较差的问题。其工艺步骤是(1)将γ面LiAlO2衬底置于MOCVD反应室中，对衬底进行热处理；(2)在γ面LiAlO2衬底上生长厚度为30-100nm，温度为500-600℃的低温AlN成核层；(3)在所述低温AlN成核层之上生长厚度为60-200nm，温度为900-1050℃的高温AlN层；(4)在所述高温AlN层之上生长厚度为1000-5000nm，温度为900-1050℃的m面GaN缓冲层；(5)将经过上述生长过程后的衬底基片从反应室取出，在熔融KOH溶液中进行1-5分钟腐蚀，形成横向外延区；(6)将经过腐蚀的基片置于MOCVD反应室中，二次生长厚度为2000-5000nm，温度为1000-1100℃的非极性m面GaN外延层。本发明具有低缺陷、表面平整的优点，可用于制作m面GaN基发光二极管。
文档编号H01L21/205GK101901761SQ201010209568
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
发明者周小伟, 张进成, 曹艳荣, 王昊, 蔡冒世, 薛军帅, 许晟瑞, 郝跃 申请人:西安电子科技大学