专利名称：制备非极性A面GaN薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及半导体薄膜制备技术领域，尤其涉及一种制备非极性A面GaN薄膜的方法。
背景技术：
氮化镓(GaN)属于第三代半导体材料，属六角纤锌矿结构，是半导体照明中发光二极管、短波长激光器、紫外探测器及高温大功率器件的核心组成部分，在工业上一般采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)来进行制备。自然界缺乏天然的GaN体单晶材料，目前的工作主要在蓝宝石、SiC,Si等衬底上进行异质外延进行的。由于GaN和衬底间的晶格失配和热失配，导致异质外延GaN薄膜中具有高的位错密度，导致其应变和应力大大提高，从而极大地影响了其性能。以在蓝宝石衬底上生长非极性A-GaN为例，非极性A-GaN与蓝宝石沿GaN
方向的晶格失配为1%，沿[1-100]方向的晶格失配为16%，热失配分别为-72%和-25 %。从生长温度降到室温时热失配沿
方向的应变为-2. 6X10_3，而沿[1-100]方向的应变为-I. 8 X 10_3，其相应的应力分别为-O. 74GPa和-I. IlGPa,因此异质外延很难得到结晶质量优异的薄膜。近几年的研究主要集中在如何提高非极性A面GaN薄膜的外延质量上。人们采用了很多方法来提高薄膜的结晶质量，例如铺一层SixN,侧向外延，生长在V-LiAlO2衬底上，用纳米柱侧向外延。但是，采用传统的GaN缓冲层技术，很难得到结晶质量优异以及表面平整的A-GaN薄膜。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种制备非极性A面GaN薄膜的方法。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种制备非极性GaN薄膜的方法。该方法包括在衬底表面制备A面ZnO缓冲薄膜；在制备的A面ZnO缓冲薄膜上制备非极性A面GaN薄膜。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明制备非极性A面GaN薄膜的方法具有以下有益效果(I)ZnO的晶格常数和GaN很匹配，同时其杨氏模量要远远小于GaN，ZnO缓冲层能够协调GaN和蓝宝石之间的晶格失配和热失配，从而极大的提高了制备的非极性A面GaN薄膜的结晶质量；
(2)由于Zn扩散进入了蓝宝石衬底，改善了 A-GaN薄膜和R-Al3O2衬底之间的界面状态，形成一层有利于增加Ga原子表面扩散长度的化学状态的层；
(3)相比于MBE生长技术，MOCVD材料生长技术，由于其相对低廉的成本，已经在工业化生产中得到广泛的应用，本发明的方法具有高生长速度，达到O. 6 μ m/hr，同时生长质
量较好。
图I为根据本发明实施例的制备非极性A面GaN薄膜的流程图；图2为采用图I所示方法制备的GaN薄膜沿
和[1-100]两个方向的摇摆曲线；图3为采用图I所示方法制备的GaN薄膜在77K时的PL谱曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备非极性A面GaN薄膜的方法。如图I所示，该制备非极性A面GaN薄膜的方法包括步骤A :处理衬底；本实施例中，选用R面蓝宝石作为衬底，当然也可以选用SiC、Si等与GaN晶格失配度小于2%的衬底。处理衬底最重要的是清除衬底表面的杂质，即清洗步骤。在该清洗步骤中，首先用丙酮超声10分钟，用去离子水(DIW)冲洗数次；然后在H2SO4 HNO3 =1:1的腐蚀液中煮沸10分钟，用大量离子水(DIW)将衬底冲洗干净；最后，在放入设备之前，用红外灯将衬底烘干。步骤B :在衬底表面制备A面ZnO缓冲薄膜；在进行沉积之前，需要对反应室进行抽真空处理，需要反复充抽反应室数次，目的是减少反应室内部杂质分子的影响，其中抽气的时候，压强以IOOTorr左右的数值减少，不可抽的过猛。再对反应室进行数次抽真空处理后，向反应室内充气以达到生长所需的压强，生长过程中反应室压力维持在76Torr，同时打开加热开关，升高温度至生长温度550摄氏度，当温度达到生长温度后，先在生长温度下烘烤衬底30分钟，目的是去除衬底表面吸收的水分子并且激活衬底表面。而后，打开锌源瓶的控制阀，先开出气手动阀，再开进气手动阀，让锌源在管道内先通一会，使其在通入反应室之前达到气流平稳。当烘烤时间达到30分钟，打开锌源快门，使锌源气流平稳的通入反应室，利用二乙基锌和氧气作为反应源，锌源保存在一个不锈钢气瓶里，其温度保持在18°C，压强保持在IOOOTorr，氮气做载气，二乙基锌的流量为221111101/1^11，氧源02的流量为ISLM(标准升每分钟)，生长时间是8分钟，厚度为50nm。制得的A面ZnO缓冲层在氧气环境下保持15分钟再降至室温后取出。本实施例中，采用MOCVD方法制备A面ZnO缓冲薄膜，当然也可以采用其他的方法来制备A面ZnO缓冲薄膜，例如化学气相沉积法(CVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或磁控溅射法等。A面ZnO缓冲薄膜的厚度介于IOnm至IOOnm之间。步骤C，在制备的A面ZnO缓冲薄膜上制备非极性A面GaN薄膜；将制得的A面ZnO薄膜放入氮化物MOCVD设备中作为衬底，镓源和氮源分别为三甲基镓和氨气，载气为氮气，生长温度为1100°C，生长压强为60ΤΟ1Γ，镓源流量为8 μ mol/min,氨气流量为3SLM，生长时间为I小时，生长结束后测量样品厚度为O. 62 μ m。本实施例中，采用MOCVD方法制备GaN缓冲薄膜，当然也可以采用其他的方法来制备非极性A面GaN缓冲薄膜，例如化学气相沉积法(CVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或磁控溅射法等。
步骤D，在GaN薄膜制备完毕之后，关闭镓源，在反应室温度降到300摄氏度以下关闭氮源，完成A面GaN薄膜的生长。作为对比，传统GaN缓冲层生长的样品沿m轴的摇摆半高宽为1347arcsecond，沿c轴的摇摆半高宽为2372arcsecond。而图2为采用图I所示方法制备的GaN薄膜沿
和[1-100]两个方向的摇摆曲线。如图2所示，用ZnO缓冲层生长的A-GaN薄膜中，沿m轴的半高宽为1558arcsecond,沿c轴的半高宽为1263arcsecond,而且沿两个不同立体角方向的半高宽的差值远远小于传统的A-GaN缓冲层上生长的样品的差值。可见，采用ZnO缓冲层生长的样品，这说明了 ZnO缓冲层上生长的样品的各向异性得到了很大改善，结晶质量比采用传统的A-GaN缓冲层生长的薄膜好。图3为采用图I所示方法制备的GaN薄膜在77K时的光致发光谱(PL)曲线。通过光致发光谱(PL)可以了解材料的质量状况，由于光致发光直接测量了样品的发光强度，在相同的测量条件下，可以对不同样品的相对发光效率做出对比，这对半导体发光器件和激光器件材料的检测鉴定具有直接的意义。如图3所示，对比了 77K时的有无ZnO缓冲层的两个样品的发光特性，可以看出，在ZnO缓冲层上生长的样品其发光强度要远远大于传统缓冲层上生长的样品，所以用ZnO缓冲层生长的A-GaN薄膜具有较好的光学性能。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，包括 在衬底表面制备A面ZnO缓冲薄膜； 在制备的A面ZnO缓冲薄膜上制备非极性A面GaN薄膜。
2.根据权利要求I所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述A面ZnO缓冲薄膜的厚度介于IOnm至IOOnm之间。
3.根据权利要求2所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，采用金属有机物化学气相沉积法制备所述A面ZnO缓冲薄膜。
4.根据权利要求3所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金属有机物化学气相沉积法制备A面ZnO缓冲薄膜的步骤中反应源为二乙基锌和氧气，载气为氮气。
5.根据权利要求4所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金属有机物化学气相沉积法来制备A面ZnO缓冲薄膜的步骤中，反应参数为二乙基锌的流量为22 μ mol/min ;氧源O2的流量为ISLM ;生长温度为550°C ;反应室压力为76Torr。
6.根据权利要求5所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金属有机物化学气相沉积法来制备A面ZnO缓冲薄膜的步骤之后还包括 生长温度和反应室压力保持不变，将制备A面ZnO缓冲薄膜的衬底在反应腔的氧气环境下保持15分钟。
7.根据权利要求5所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金属有机物化学气相沉积法来制备A面ZnO缓冲薄膜的步骤之前还包括 将衬底放入反应腔后，在550°C下通氮气烘烤衬底30分钟。
8.根据权利要求I所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，采用金属有机物化学气相沉积法制备所述非极性A面GaN薄膜。
9.根据权利要求8所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金属有机物化学气相沉积法来制备非极性A面GaN薄膜的步骤中镓源和氮源分别为三甲基镓和氨气；载气为氮气。
10.根据权利要求9所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金属有机物化学气相沉积法来制备非极性A面GaN薄膜的步骤中，反应参数为三甲基镓的流量为8μπι01/π η，氨气的流量为3SLM ;生长温度为1100°C ;反应室压力为60Torr。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述衬底与GaN晶格失配度小于2%。
12.根据权利要求11所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述衬底为R面蓝宝石、SiC或Si。
全文摘要
本发明提供了一种制备非极性GaN薄膜的方法。该方法包括在衬底表面制备A面ZnO缓冲薄膜；在制备的A面ZnO缓冲薄膜上制备非极性GaN薄膜。本发明中，ZnO缓冲层能够协调GaN和衬底之间的晶格失配和热失配，从而极大的提高了制备的非极性GaN薄膜的结晶质量。
文档编号H01L21/314GK102903614SQ201210311148
公开日2013年1月30日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者刘建明, 桑玲, 赵桂娟, 刘长波, 王建霞, 魏鸿源, 焦春美, 刘祥林, 杨少延, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所