CN101240451A - 原位腐蚀降低HVPE GaN薄膜位错密度的方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
一、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1.9-6.2eV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1010cm-2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HCl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HCl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。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-腐蚀-生长-腐蚀-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、附图说明
图1本发明HVPE的GaN籽晶层在750℃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
本发明采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HCl，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℃)。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℃，如750℃，降温过程要持续通氨气，腐蚀开始时关闭氨气)。通入适量的HCl气体，对HVPE GaN进行原位腐蚀。时间从几分钟到1小时不等，HCl流量从5sccm到50sccm。将生长温度提升至最初生长温度(1000-1100℃)，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。
Claims (2)
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。
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