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GaN薄膜的方法。
背景技术：
在过去的几十年间，GaN和相关的InGaN, AlGaN等合金半导体材料取得了巨大的成功。这同时也推动了半导体领域的发光二极管(LEDs)，激光二级管(LDs)和高电子迁移率晶体管(HEMT)的快速发展。虽然GaN半导体材料领域已经取得了显著的成绩，但在传统C面生长的六方晶系的氮化物材料中，沿C向存在的自发极化和压电极化造成材料内部较强的内建电场严重的阻碍着相关器件性能的进一步提高。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GaN成为研究的重点。蓝宝石衬底由于价格上的优势，满足了大批量产业化的要求，因此采用R面蓝宝石衬底生长非极性A面GaN薄膜也受到了越来越多的注意。然而，由于非极性A面GaN和R面蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，生长在R面蓝宝石衬底上的A面GaN薄膜中往往存在高密度的堆垛层错和位错，材料质量较差，而现行的很多用来改善C面GaN缺陷的方法应用到非极性的A面GaN薄膜中效果并不理想。
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GaN薄膜的方法，以提高非极性GaN薄膜的结晶质量。( 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A面GaN薄膜的方法。该方法包括在衬底上生长非极性A面InGaN柔性层；在非极性A面InGaN柔性层生长非极性A面GaN缓冲层；对非极性A面InGaN柔性层和非极性A面GaN缓冲层进行退火，形成自组装横向外延模板；以及在自组装横向外延模板上生长非极性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GaN薄膜的方法具有以下有益效果(I)以前的研究表明直接在R面蓝宝石上两步法外延生长非极性GaN薄膜难以获得高质量的外延膜，而采用本发明自组装纳米尺度的横向外延模板可以改善薄膜质量，获得具有较高晶体质量的非极性GaN薄膜；(2)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、简单的操作，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I 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为根据本发明实施例的制备非极性A面GaN薄膜过程中温度变化的示意图；图3为根据本发明实施例制备的非极性A面GaN薄膜的剖面结构示意图；图4为采用常规两步法(A)与利用图I所示方法(B)制备的非极性A面GaN薄膜的SEM图；图5为采用常规两步法与利用图I所示方法制备的非极性A面GaN薄膜的摇摆半宽随方位角变化的曲线图。
具体实施例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。在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备非极性GaN薄膜的方法。如图I所示，该方法包括以下步骤步骤A :取一衬底，并在金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中对衬底进行高温氮化处理；将R面蓝宝石衬底置于金属有机化学气相沉积MOCVD反应室中，先在1100°C进行并且通入氮气的条件下将衬底烘烤20分钟，再使用氮气和氨气的混合载气氮化衬底3分钟，其温度同样为1100°C，如图2所示。需要说明的是，本实施例采用的是蓝宝石衬底，对于其他的衬底，如硅或者碳化硅，只要满足其与非极性A面GaN的晶格匹配度小于20%，也可以采用。步骤B :在衬底上利用MOCVD技术生长非极性A面InGaN柔性层；将氮化后的衬底基片温度降为750°C，向反应室通入三甲基铟、三甲基镓和氨气作为反应源，氮气作为载气，在保持反应室压强为200torr的条件下，生长A面InGaN柔性层。非极性A面InGaN柔性层的生长时间为2至16分钟。该层非极性A面InGaN柔性层的厚度介于10到90nm之间。步骤C :利用MOCVD技术生长非极性A面GaN缓冲层；将已经生长了 InGaN柔性层的基片温度降低为550°C，向反应室通入三甲基镓和氮气作为反应源，氮气为载气，在保持反应室压强50torr的条件下，生长非极性A面低温GaN缓冲层。非极性A面低温GaN缓冲层生长时间为3分钟，生成的非极性A面低温GaN缓冲层的厚度介于30至50nm之间。步骤D :对非极性A面InGaN柔性层和非极性A面GaN缓冲层进行高温退火形成自组装横向外延模板；将已经生长了非极性A面InGaN柔性层和低温GaN缓冲层的基片温度升高至1100°C，保持氮气的流量以及反应室压强不变的情况下，退火5分钟形成自组装纳米尺度的横向外延模板，其中，退火温度为1100°C，退火时间5分钟。当然，也可以根据需要调整退火参数，但需要满足，退火温度应当大于1000°C，退火环境为氮气环境或其他惰性气体环境，压强大于30torr，退火时间大于3分钟。
步骤E，利用MOCVD技术，用载气将镓源和氮源通入反应室，在横向外延模板上生长非极性A面GaN薄膜；将已经形成自组装纳米尺度的横向外延模板温度保持在1100°C，向反应室通入镓源和氮气作为反应源，纯氮气或者氮气/氢气缓和气体作为载气，在保持反应室压强50torr的条件下生长高质量非极性GaN薄膜。步骤F，关闭镓源，反应室降到300°C以下关闭氨气，继续通入氨气的作用是抑制GaN材料的高温热分解；步骤G，继续降温，反应室温度由300°C降到室温后，将样品取出。图2为根据本发明实施例的制备非极性A面GaN薄膜过程中温度变化的示意图。 首先在1100°c下对衬底进行烘烤，在氨气气氛下氮化3分钟，然后温度降到750°C时生长InGaN薄膜，InGaN薄膜生长完之后在550°C生长3分钟的低温GaN buffer (LT GaN)，最后利用升温的时间对先前生长的InGaN薄膜和低温的GaN进行退火，5分钟之后在1100°C下生长高温的GaN，待生长完毕降温取片。图3为根据本发明实施例制备的非极性A面GaN薄膜的剖面结构示意图。如图3所示，在厚度430 μ m的R面蓝宝石衬底上生长InGaN和低温GaN缓冲层，经退火后形成厚度30-120nm的自组装纳米尺度的横向外延模板，此模板疏松多孔，可实现释放上层GaN薄膜应力的目的，随后在横向外延模板上生长I μ m左右高质量非极性A面GaN薄膜。需要说明的是，非极性A面InGaN柔性层、非极性A面低温GaN缓冲层及非极性A面GaN薄膜均是采用MOCVD的方法制备，实际上，该三层薄膜也可以采用其他方式来制备，例如电子束蒸发、化学气相沉积、磁控溅射等等，同样应当包含在本发明的保护范围之内。图4为采用常规两步法(A)与利用图I所示方法(B)制备的非极性A面GaN薄膜的SEM图。如图4所示，采用常规方法生长的样品(A)，薄膜表面较粗糙，为典型的岛状的生长模式，而且随厚度的增加，薄膜表面形貌并没有得到改善。采用本技术生长的样品(B)表面表现出较好的薄膜连平的趋势，表面形貌在薄膜厚度达到Ium的时候就变得比较平整，表明薄膜岛之间已经全部合并，实现二维生长。图5为采用常规两步法与利用图I所示方法制备的非极性A面GaN薄膜的摇摆半宽随方位角变化的曲线图。如图5所示，半高宽的数值在方位角为0°时最小，在方位角为90°时最大，表现出明显的各向异性。采用了本发明方法生长的样品(B)的半高宽明显比传统工艺生长的样品(A)的半高宽要小。这表明我们的工艺能够很大程度的改善薄膜的晶体质量。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 在衬底上生长非极性A面InGaN柔性层； 在所述非极性A面InGaN柔性层生长非极性A面GaN缓冲层； 对所述非极性A面InGaN柔性层和非极性A面GaN缓冲层进行退火，形成自组装横向外延模板；以及 在所述自组装横向外延模板上生长非极性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，所述对非极性A面InGaN柔性层和非极性A面GaN缓冲层进行退火的步骤中退火温度大于1000°C ；环境为氮气环境或惰性气体环境；退火时间大于3分钟。
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，退火温度为IlOO0C ;环境为氮气环境，压强为50torr ;退火时间为5分钟。
4.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MOCVD法生长所述非极性A面GaN缓冲层。
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MOCVD法生长非极性A面GaN缓冲层的步骤中反应源为三甲基镓和氮气；载气为氮气。
6.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MOCVD法生长非极性A面GaN缓冲层的步骤中生长温度为550°C ;反应室压强50torr ;生长时间为3分钟。
7.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MOCVD法生长所述非极性A面InGaN柔性层。
8.根据权利要求7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MOCVD法生长非极性A面InGaN柔性层的步骤中反应源为三甲基铟、三甲基镓和氨气，载气为氮气。
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MOCVD法生长非极性A面InGaN柔性层的步骤中生长温度为750°C;环境为氮气环境，压强为 200torr。
10.根据权利要求I至9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，所述在衬底上生长非极性A面InGaN柔性层的步骤之前还包括 对所述衬底进行高温氮化处理。
11.根据权利要求10所述的制备非极性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述对衬底进行高温氮化处理的步骤包括 在1100°C，通入氮气的条件下将衬底烘烤20分钟； 在1100°C，通入氮气和氨气的混合载气的条件下将衬底烘烤3分钟。
12.根据权利要求I至9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A面GaN薄膜的方法。该方法包括在衬底上生长非极性A面InGaN柔性层；在非极性A面InGaN柔性层生长非极性A面GaN缓冲层；对非极性A面InGaN柔性层和非极性A面GaN缓冲层进行退火，形成自组装横向外延模板；以及在自组装横向外延模板上生长非极性A面GaN薄膜。采用本发明自组装纳米尺度的横向外延模板可以改善薄膜质量，获得具有较高晶体质量的非极性GaN薄膜。
文档编号H01L21/02GK102820211SQ20121031372
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者赵桂娟, 李志伟, 桑玲, 魏鸿源, 刘祥林, 朱勤生, 杨少延, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所