专利名称：非极性面GaN外延片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料制备领域，尤其是一种非极性面GaN外延片及其制备方法。
背景技术：
目前商业上GaN薄膜外延生长的主流衬底是c面蓝宝石晶体.通常，c面蓝宝石衬 底上生长的GaN薄膜是沿着其极性轴即c轴方向生长的，薄膜具有自发极化和压电极化效 应，导致薄膜内部产生强大的内建电场，大大地降低了 GaN薄膜的发光效率。另外，极化电 场还带来一个严重的问题随着注入电流的增大，二极管的发光峰位也会发生较大的蓝移。解决的方案之一是生长立方结构氮化物异质结。理论表明，纤锌矿氮化镓在垂直
对称轴方向是不存在自发极化的。同时如果在生长平面内部存在切变应力，那么子 啊这些方向上的压电极化效应也不讲存在。近年来，科研人员正考虑生长方向垂直于C轴 即所谓的非极性GaN薄膜来提高薄膜的量子效率。外延生长非极性GaN薄膜的衬底主要是 r面(0112)面蓝宝石和Y-LiAlO20虽然Y -LiAlO2的(100)面与GaN(IlOO)面晶格匹配 好(平均晶格失配度为1.4% )，但是Y-LiAlO2晶体生长时存在严重的组分挥发，难以获 得大尺寸的晶体，且晶体易水解，热稳定性不好，这些缺点极大地限制了 Y-LiAlO2衬底的 发展。蓝宝石晶体具有物化性能优良，热稳定性好，容易获得大尺寸和价格便宜等优点。虽 然蓝宝石与GaN晶格失配和热失配比较大，但是随着蓝宝石衬底加工技术和GaN外延生长 工艺的不断改进和提高，在蓝宝石衬底上外延GaN薄膜的工艺日臻成熟，目前已经成功商 业化.Craven等首次报道了在r (0112)面蓝宝石上生长非极性GaN薄膜，由于晶格失配较 大，生长的薄膜质量较差，缺陷较多(主要是位错和层错)。随着薄膜外延工艺的改进，目 前r面蓝宝石作衬底生长得到的非极性GaN薄膜的X射线扫描半峰宽为0. 29°，位错密度 为2. 6X 101QCm-2，层错密度为3. 8 X 105cnT2，平均粗糙度为0. 46nm, GaN薄膜的发光效率明 显提尚ο
发明内容
本发明的目的在于提供一种非极性面GaN外延片，该外延片可以解决上述r面非 极性GaN外延生长质量问题，本发明的另目的是提供一种用金属有机化学气相沉积系统 (MOCVD =Metal-Organic Chemical Vapour D印osition)技术在蓝宝石上异质外延非极性a 面GaN薄膜的方法。本发明的技术方案为一种非极性面GaN外延片，非极性GaN薄膜利用MOCVD系统 在蓝宝石衬底上合成生长，该薄膜包括在蓝宝石上一次生长低温缓冲层及a面GaN薄膜。一 种非极性面GaN外延片的制备方法包括以下步骤步骤1 在MOCVD系统中，在N2保护下，升 温到700°C，在蓝宝石衬底上生长低温Alai5Gaa85N缓冲层，V/III比为6000，低温保护压力 200 乇，TMGa 流量 64SCCM，TMAl 流量 36SCCM ；步骤 2 升温到 1050°C，生长 a 面 GaN，TMGa 流 量64SCCM。生长非极性面GaN薄膜材料用于生长不同的外延结构，在发光二极管，激光器，太阳能电池上应用。本发明的优点在于本发明可有效地控制非极性a面GaN材料的生长，可提高期间 的量子效率及发光效率。
图1是本发明的非极性GaN外延片的生长结果图；图2是本发明的非极性GaN外延片的X射线2 θ / ω测试结果；图3是本发明的非极性GaN外延片的X射线摇摆曲线半峰宽测试结果。
具体实施例方式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。一种非极性面GaN外延片的制备方法包括以下步骤在衬底上生长一层缓冲层； 在缓冲层上生长a面GaN薄膜；进一步，所述衬底为r面蓝宝石衬底；进一步，所述缓冲层为 金属有机源汽相外延生长的Ala 15GaQ.85N，其中Al源为三甲基铝，镓源为三甲基镓，氢气作为 载气；进一步，在所述沉积缓冲层时，生长温度为700°C，V/III比为6000，厚度为20nm。请参照图1，将免清洗的r面单抛光蓝宝石衬底放入金属有机源汽相外延(MOCVD) 材料生长系统的生长室，缓慢升温到1200°C，烘烤衬底5分钟后将温度降到700°C，V/III比 为6000，生长20nm的Ala 15Ga0.85N缓冲层。然后缓慢升温到1050°C，在NH3气氛条件下退火 15分钟后，生长1. 5um的GaN。用此方法甚至的GaN外延片属于(11-20)非极性GaN，对由以上步骤获得的样品进 行测试分析。图2是本发明的非极性GaN外延片的X射线2θ/ω测试结果。X射线2 θ / ω测试结果结果显示只有狭窄的Al203(l-102)，Al2O3(2-204)，GaN(ll-20)衍射峰的存在， 没有发现(0001)，(10-11)等其他杂相，证明了较好的晶体特性。图3是本发明的非极性 GaN外延片的X射线摇摆曲线半峰宽测试结果。外延片的X射线摇摆曲线的双晶半高宽约 为0. 19°，显示了较好的结果。图4是本发明的非极性GaN外延片的扫描电子显微镜(SEM scanning electron microscope)表面形貌图。可见膜表面平整，为发现三角坑等晶体缺 陷，达到LED器件的基本要求。上述这些结果表面本发明可以在r面蓝宝石上去的质量较 好的非极性r面GaN外延片。以上制作实例为本发明的一半实施方案，制作方法上世纪可采用的制作方案是很 多的，凡依照本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种非极性面GaN外延片，非极性GaN薄膜利用金属有机化学气相沉积系统在蓝宝 石衬底上合成生长，其特征在于该薄膜包括在蓝宝石上一次生长低温Alai5Giia85N缓冲层 及a面GaN薄膜。
2.一种非极性面GaN外延片的制备方法包括以下步骤步骤1 在MOCVD系统中，在N2 保护下，升温到700°C，在蓝宝石衬底上生长低温Ala UGEia85N缓冲层，V/III比为6000，低 温保护压力200乇，TMGa流量64SCCM，TMAl流量36SCCM ；步骤2 升温到1050°C，生长a面 GaN, TMGa 流量 64SCCM。
3.根据权利要求1所述一种非极性面GaN外延片，其特征在于生长非极性面GaN薄 膜材料用于生长不同的外延结构，在发光二极管，激光器，太阳能电池上应用。
全文摘要
本发明公开一种非极性面GaN外延片，非极性GaN薄膜利用MOCVD系统在蓝宝石衬底上合成生长，该薄膜包括在蓝宝石上一次生长低温缓冲层及a面GaN薄膜。在其上依据不同的期间应用生长不同的外延结构，如发光二极管，激光器，太阳能电池等。本发明可有效地控制非极性a面GaN材料的生长，可提高期间的量子效率及发光效率。
文档编号C30B25/02GK102146585SQ201110001970
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者熊辉, 陈莉, 陈霞 申请人:武汉华炬光电有限公司