CN100478491C - 氢化物气相外延生长氮化镓膜中的金属插入层及制备方法 - Google Patents
氢化物气相外延生长氮化镓膜中的金属插入层及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种氢化物气相外延(HVPE)氮化镓(GaN)膜中的金属插入层及制备方法，其特征在于采用了金属钨(W)插入层的结构。在HVPE制备GaN膜的过程中，先在GaN模板上电子束蒸发一层W薄层，然后经高温退火后继续HVPE生长GaN层。金属钨插入层的引入，作用是产生微区掩膜，金属W薄膜在高温下会发生团聚，同时与W接触的下层的GaN会分解，使得金属W层形成分立的多孔网状结构，从而暴露出部分的GaN膜，由于气相外延的选择性，HVPE生长时GaN将选择生长在下层的GaN上，然后经过横向外延生长过程连接成完整的GaN膜。通过GaN的微区横向外延，降低了生长的GaN的位错密度。简单易行，适合于批量生产采用。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢化物气相外延(HVPE)方法生长氮化镓(GaN)膜中的金属插入层及制备方法。旨在减少外延生长的GaN膜中的位错，提高晶体质量，属于材料制备技术领域。
背景技术
近年来，HVPE技术在GaN材料制备中获得了广泛的应用。由于这种材料生长方法的生长速率高，设备简单，制备成本低，因此是制备自支撑GaN衬底的一种主要方法。目前人们采用这种方法已经成功的制备出了厚膜GaN衬底【R.J.Molnar et al.J.Cryst.Growth，V178，147，1997】。由于目前HVPE外延厚膜GaN通常采用Al2O3、GaAs等衬底，它们与GaN材料的晶格失配和热失配较大，因此在外延的GaN材料中存在较大的应力和较高的位错密度，主要表现为X射线衍射的半峰宽较宽，表面存在较多的位错出头。为了解决这个问题人们已经采用了一些方法来降低HVPE生长的GaN膜中的位错，提高GaN膜的质量，其中包括横向外延过生长(ELOG)技术【T.S.Zheleva et al.Appl.Phys.Lett.，V78，772，2001】，从而使缺陷密度降低了3～4个数量级，达到＜106cm-2。W.Zhang等人采用生长中断的方法【W.Zhang etal.Appl.Phys.Lett.，V78，772，2001】，也大大降低了HVPE生长的GaN材料中的缺陷密度。日立公司采用Void-Assisted Separation(VAS)技术即在GaNtemplate上形成多孔网状的TiN薄膜【Yuichi OSHIMA et al.Jpn.J.Appl.Phys.V 42，L1，2003】，从而使得缺陷密度降低到5×106cm-2并有效实现了剥离。此外还有很多降低位错密度的方法但都是类似于横向外延过生长(ELOG)技术，需要采用光刻等工艺，过程复杂且成本较高。目前为止有关在HVPE生长GaN采用金属W插入层降低缺陷密度则未有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢化物气相外延(HVPE)方法生长GaN膜中金属插入层及制备方法。
具体的说，在HVPE制备GaN膜的过程中，GaN的生长通常是采用Al2O3、SiC、Si或GaAs中一种作为衬底的。在所述的衬底上首先采用常用的HVPE、金属有机化学气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)方法中一种生长一层GaN外延层作为模板，实际上模板的厚度并不影响后续的中间层W的沉积，但通常以0.1-300微米范围为佳，小于0.1μm则太薄，起不到模板应有作用，而大于300微米则沉积时间增加而又无必要。在作为模板的GaN外延层生长之后，采用电子束蒸发工艺或溅射工艺生成一层金属钨(W)薄层，厚度在1-100nm左右，然后经高温退火(900-1150℃)后继续HVPE生长GaN层，退火气体为N2、H2或者两者混合气体。起初生长的金属W插入层薄膜经过高温退火后会凝聚，同时与W接触的下层GaN会产生分解从而形成网状多孔的结构，暴露出下层的GaN衬底。由于气相外延生长的选择性，HVPE生长时GaN将选择性的在下层的GaN衬底上生长而不会在金属W上生长，从而实现了GaN材料的微区横向外延过生长。产生在下层GaN的位错将受到W微区掩膜的抑制，大大降低了HVPE外延生长的GaN的位错密度，从而提高了GaN膜的质量。而且由于高温退火后金属W在整个衬底上呈现的是较为均匀的分立的多孔网状结构，因此位错在HVPE生长的GaN外延层中分布较为均匀，而不是象传统的横向外延过生长那样位错密度在部分区域大其他区域少。这也提高了GaN材料的可利用性。这种方法简单易行，对于金属W薄层的质量要求又不高，适合于科学实验和批量生产时采用。
如上所述，本方法引入的金属W插入层结构，经过高温退火后继续生长的GaN膜，其优点可归纳如下：
1、金属W薄层经过高温退火后形成多孔的网状结构从而形成了GaN外延生长的掩膜，实现了材料生长的微区横向外延过生长，从而减少了位错密度，提高了晶体质量；
如图2所示分别为退火前与退火后的表面：(a)退火前，(b)、(c)均为退火后不同放大倍数的表面；
2、退火气氛所用的气体，不会引入杂质污染；
3、金属W薄层的制备要求不高，容易实现量产；
4、本发明所述的金属插入层沉积在模板以Al2O3、SiC、Si或GaAs中任一种为衬底上生长的GaN外延层上，作为模板的GaN外延层生长方法可采用HVPE、金属有机物气相外延(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法中任一种，且厚度几乎可任意，所以具有较强的适应性。
附图说明
图1本发明提供的氢化物外延方法生长的氮化镓膜
图2金属插入层W退火前后的结构变化
(a)退火后(b)、(c)退火后(不同放大倍数的表面)
图中1.Al2O3衬底 2.GaN外延层 3.金属W薄层 4.HVPE生长的GaN层
具体实施方式
实施例1
采用MOCVD方法在Al2O3衬底上生长厚度为200微米的GaN作为模板，然后在500℃的温度下在模板上采用电子束蒸发的方法沉积一个8nm厚的金属W薄层，再把带有金属层的模板放入HVPE反应室，在N2气氛升温至1100℃，退火20分钟，退火后再进行HVPE GaN生长。样品测量结果表明，采用这种方法生长的GaN膜比没有插入层而直接采用HVPE方法生长的GaN膜中的位错密度降低了3～4个量级，约为5×106cm-2左右，结晶质量更高。
实施例2
采用HVPE方法在SiC衬底上生长GaN作为模板，然后在550℃的温度下采用电子束蒸发的方法沉积一层80nm厚的金属W薄层，再将带有金属插入层的模板经H2，在1150℃退火15分钟厚继续HVPE的GaN生长。其生长后试样的测量结果如实施例1。
实施例3
采用MBE方法在Si衬底上生长GaN作为模板，作为模板的氮化镓厚度为50微米，然后在模板上采用溅射方法沉积50nm的金属W薄层，再将其在N2/H2体积比为90/10的混合气体中于900℃退火后再进行HVPE的GaN生长。
Claims (3)
1、一种氢化物气相外延生长氮化镓膜中的金属插入层，金属插入层为金属W层；且是沉积在以Al2O3、SiC、Si或GaAs中任一种为衬底上生长作为模板的GaN外延层上，其特征在于金属W薄层经高温退火后生成分立的多孔网状结构，从而成为GaN外延生长的掩膜。
2、制备如权利要求1所述的氢化物气相外延生长氮化镓膜中的金属插入层的方法，其特征在于
(1)以Al2O3、SiC、Si或者GaAs任一种为衬底，先在其上生长一层GaN外延层作为模板；
(2)在GaN外延层的模板上，沉积一层金属W薄层，然后在N2、H2或者两者混合气体下于900-1150℃高温退火生成均匀的分立的多孔网状结构。
3、按照权利要求2所述的氢化物气相外延生长氮化镓膜中的金属W插入层制备方法，其特征在于在Al2O3、SiC、Si或GaAs任一种衬底上，生长作为模板的GaN外延层采用HVPE、金属有机化学气相沉积或分子束外延方法中任意一种方法生长的。
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