专利名称：原位腐蚀降低HVPE GaN薄膜位错密度的方法
技术领域：
本发明涉及一种在氢化物气相外延(HVPE)生长系统中获得整体位错密度更低 的GaN薄膜和衬底材料的外延方法及工艺。二、 背景技术以GaN及InGaN、 AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料) 是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料，其1.9UeV连续可变的直接带隙， 优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能 使其成为短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料。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1(^cn^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。但是，尽管横向外延取得了重大进展，GaN材料中的位错密度却仍未显著降低 到满足GaN光电器件要求并能够在工业上大规模应用的程度。由于过去的横向外延 都是采用在GaN籽晶层中开"窗口"的方式，那么在外延后的薄膜中，GaN薄膜的 位错密度不是整体降低的，而是和"窗口"的分布有关，这降低了薄膜的利用效率。在本发明中，本发明提出一种简单的通过在氢化物气相外延(HVPE)生长系统 中HC1原位腐蚀表面位错获得整体位错密度更低的GaN薄膜和衬底材料。三、 发明内容本发明目的是提出一种原位腐蚀降低HVPE GaN薄膜位错密度的方法，尤其 是在氢化物气相外延生长系统中，通过一种简单的HC1原位腐蚀GaN表面位错再外 延生长获得更低位错密度GaN薄膜的技术及工艺方法。这种新的GaN薄膜生长的 方法和工艺，能够使得GaN薄膜表面的位错密度整体并显著降低。本发明的技术解决方案原位腐蚀降低HVPE GaN薄膜位错密度的方法，在氢 化物气相外延生长系统中，先在衬底上生长GaN薄膜，再采用HC1腐蚀的方法将 GaN厚膜中薄膜表面进行腐蚀，腐蚀的步骤是停止GaN薄膜生长，将生长温度降 低至700 —950°C，通入HC1气体，HC1流量从5sccm到50sccm对HVPE GaN进行 原位腐蚀,时间从3到60分钟；然后再将生长温度提升至最初IOOO—IIOO °C，继续 进行GaN的HVPE生长；重复上述腐蚀和继续生长过程，直至生长到合适厚度的GaN 薄膜。降温过程要持续通氨气，流量从25sccm到1500sccm，腐蚀开始时关闭氨气。本发明在进行腐蚀时能将位错腐蚀掉形成六角"位错坑"；然后继续外延生长时， 通过控制生长条件，使得生长沿着位错坑的六个侧面发生横向外延，从而获得高质量 GaN厚膜。重复生长一腐蚀一生长一腐蚀一生长，即可得到低位错密度的GaN薄膜。 由于腐蚀和生长是对整个样品进行的，样品的整体位错密度会降低。本发明的机理和技术特点是各种研究表明，GaN腐蚀更容易在有位错的地方 发生。在我们的方案中，由于腐蚀过程在HVPE生长系统中进行，并且腐蚀发生在 整个薄膜表面，有位错的地方都会被腐蚀掉形成位错坑，那么在随后的继续外延中， 这些位错坑的位置会发生侧向外延(沿腐蚀坑侧面方向)，降低了位错密度。而没有 位错的地方也保持继续外延生长，这样薄膜表面的位错密度会整体降低。通过生长(外 延)-腐蚀-再生长(外延-横向外延)模式的多次重复，HVPE GaN厚膜表面的位错 密度会显著的降低。并且整个过程是在HVPE系统生长腔内进行，不会引入更多的污 染和缺陷，简化了工艺和生长过程。另外，上述方法是在系统内部进行的，并且腐蚀针对样品的整个表面，所以可以 使得整个样品表面位错密度显著降低。并且，由于GaN表面的位错密度随着GaN厚 度的增加而有效降低。新型横向外延技术结合大尺寸HVPE GaN厚膜外延生长，可 以得到高质量低位错密度的GaN自支撑衬底。由于这样的自支撑衬底材料是目前国 内外公司企业研究机构孜孜以求的最终目标，具有非常重要的科学意义和实用价值。四
图1本发明HVPE的GaN籽晶层在750 'C腐蚀后的表面形貌，表面有很多六角腐 蚀坑。当继续在该腐蚀后的样品上生长GaN，控制生长条件，在六角腐蚀坑处就会发 生侧向外延。多次的重复后就可以使得位错越来越少，从而降低位错密度。五具体实施方式
本发明釆用的原位腐蚀外延生长技术，包括下面几步HVPE，主要反应源材料 为金属镓，高纯HC1，镓源也可以采用三甲基镓或其它有机镓源，NH3等；1、 采用的衬底可以是蓝宝石、Si和SiC等，也可以采用MOCVD、 MBE或HVPE 等方法在这些衬底上生长了 GaN的籽晶层。2、 将上述衬底经过清洗、吹干后，放入HVPE生长系统中，开始GaN的HVPE 生长(温度在1000—1100 °C )。 GaN的HVPE生长厚度可以从十几微米到数百微米 不等。典型的如50微米。3、 停止生长，将生长温度降低至某一温度(不能低于700 °C，如750 °C，降温 过程要持续通氨气，腐蚀开始时关闭氨气)。通入适量的HC1气体，对HVPE GaN进 行原位腐蚀。时间从几分钟到1小时不等，HC1流量从5sccm到50sccm。将生长温 度提升至最初生长温度(1000—1100 °C )，继续进行GaN的HVPE生长。4、 重复上述3的过程，至所需要的样品。这样生长得到的GaN薄膜，位错密度可以大大的降低，甚至有可能可以达到零位 错。
权利要求
1、原位腐蚀降低HVPE GaN薄膜位错密度的方法，在氢化物气相外延生长系统中，先在衬底上生长GaN薄膜，其特征是再采用HCl腐蚀的方法将GaN厚膜中薄膜表面进行腐蚀，腐蚀的步骤是停止GaN薄膜生长，将生长温度降低至700-950℃，通入HCl气体，HCl流量从5sccm到50sccm对HVPE GaN进行原位腐蚀，时间从3到60分钟；然后再将生长温度提升至最初1000-1100℃，继续进行GaN的HVPE生长；重复上述腐蚀和继续生长过程，直至生长到合适厚度的GaN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，其特征是降温 过程要持续通氨气，流量从25sccm到1500sccm，腐蚀开始时关闭氨气。
全文摘要
原位腐蚀降低HVPE GaN薄膜位错密度的方法，在氢化物气相外延生长系统中，先在衬底上生长GaN薄膜，再采用HCl腐蚀的方法将GaN厚膜中薄膜表面进行腐蚀，腐蚀的步骤是停止GaN薄膜生长，将生长温度降低至700-950℃，通入HCl气体，HCl流量从5sccm到50sccm对HVPE GaN进行原位腐蚀，时间从3到60分钟；然后再将生长温度提升至最初1000-1100℃，继续进行GaN的HVPE生长；重复上述腐蚀和继续生长过程，直至生长到合适厚度的GaN薄膜。
文档编号C30B29/40GK101240451SQ200710190079
公开日2008年8月13日 申请日期2007年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者修向前, 荣 张, 毅 施, 谢自力, 郑有炓, 平 韩, 顾书林 申请人:南京大学