CN101358337B - 一种非极性GaN薄膜的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非极性氮化镓(GaN)薄膜的生长方法，其利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)系统在铝酸锂(LiAlO2)衬底上合成生长GaN薄膜，其中，在生长GaN薄膜之前，首先在铝酸锂衬底背面背镀二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，一方面起应力平衡的作用，另一方面可以阻止衬底的分解，如Li的挥发等。
Description
技术领域
本发明涉及在一种新型衬底LiAlO2材料上用量产型MOCVD(金属有机物化学气相外延)机台生长非极性GaN薄膜的方法。
背景技术
以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙(Eg＝3.4eV)、高热导率、高硬度、高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点获得了人们的广泛关注，在固态照明、固体激光器、光信息存储、紫外探测器等领域都有巨大的应用潜力。按中国2002年的用电情况计算，如果采用固态照明替代传统光源，一年可以省下三峡水电站的发电量，有着巨大的经济、环境和社会效益；而据美国能源部测算，到2010年，全美半导体照明行业产值将达500亿美元。在光信息存储方面，以GaN为基础的固体蓝光激光器可大幅度提高光存储密度。正因为这些优点，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱结构LEDs已经商品化。
衬底材料对于外延薄膜的质量有着重要影响。目前GaN体单晶材料生长十分困难，有报道说GaN在压力为60-70kbar、温度为2300℃下还不熔化[4，5]。生长条件通常是高温高压，代价昂贵，不利于商业化，因此目前的应用大多是在c向蓝宝石上做异质外延。使用c向蓝宝石的一个重大缺点是其与GaN薄膜的晶格失配高达13.6％，虽然通过缓冲层技术可以弥补这一缺点，但是这样严重的失配仍然会导致外延膜中有着高密度的缺陷，从而降低器件效率。另外，GaN薄膜通常是沿着其极性轴c轴方向生长的，由自发极化和压电效应而产生的强大的内建电场大大地降低了发光效率。采用新型LiAlO2衬底有望解决这两个问题。LiAlO2衬底与GaN薄膜晶格失配小，只有1.4％，而且在LiAlO2上生长的是非极性的GaN薄膜，可以消除内建电场对于发光效率的限制作用。
使用铝酸锂衬底有两个难点在于：第一，铝酸锂和GaN的热膨胀系数差异比较大，造成外延片容易开裂的问题；第二，铝酸锂衬底在高温下不稳定，容易发生Li挥发，有可能降低外延薄膜质量甚至破坏MOCVD系统环境。
因此，有必要提供一种新的工艺方法用以克服上述缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：提供一种非极性GaN薄膜的生长方法，其利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种非极性GaN薄膜的生长方法，其利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：在铝酸锂衬底背面背镀二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)；
步骤二：利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜。
该方法之步骤二进一步包括以下步骤：
步骤A：在MOCVD系统中，在N2保护下，升温到800-900℃，生长低温保护层，生长低温保护层时反应室压力150-500torr，TMGa流量1-50sccm，对应于摩尔流量：4E-6mole/min-2E-4mole/min；
步骤B：降低压力至100-300torr，升温到1000-1100℃继续生长U-GaN层，TMGa流量10-200sccm，对应于摩尔流量：4E-5mol/min-8E-4mole/min；
步骤C：再升温到1150-1200℃，生长100nm，
步骤D：再降温到1000-1100℃生长U-GaN。
作为本发明的一种优选方案之一，在步骤二中，在生长开始之前，先对铝酸锂衬底表面在600-900℃下进行原位热处理。
综上所述，本发明提供一种GaN薄膜的生长方法，其利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜，通过在铝酸锂衬底背面背镀二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，一方面起应力平衡的作用，另一方面可以阻止衬底的分解，主要是Li的挥发。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤：
使用铝酸锂衬底的两个难点在于：第一，铝酸锂和GaN的热膨胀系数差异比较大，造成外延片容易开裂；第二，铝酸锂衬底在高温下不稳定，容易发生Li挥发，有可能降低外延薄膜质量甚至破坏MOCVD系统环境。
解决方案：在铝酸锂衬底背面背镀二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，一方面起应力平衡的作用，另一方面可以阻止Li的挥发。
具体的，一种非极性GaN薄膜的生长方法，其利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜，该方法包括以下步骤：
步骤一：在铝酸锂衬底背面背镀二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)；
步骤二：利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜。
该方法之步骤二进一步包括以下步骤：
步骤A：在MOCVD系统中，在N2保护下，升温到800-900℃，生长低温保护层，生长低温保护层时反应室压力150-500torr，TMGa流量1-50sccm，对应于摩尔流量：4E-6mole/min-2E-4mole/min；
步骤B：降低压力至100-300torr，升温到1000-1100℃继续生长U-GaN层，TMGa流量10-200sccm，对应于摩尔流量：4E-5mol/min-8E-4mole/min；
步骤C：再升温到1150-1200℃，生长100nm，
步骤D：再降温到1000-1100℃生长U-GaN。
原理说明：GaN热膨胀系数：a方向5.59x10-6K-1；c方向3.17x10-6K-1。LiAlO2热膨胀系数：c方向15x10-6K-1；a方向7x10-6K-1。SiO2热膨胀系数：12x10-6K-1；Si3N4热膨胀系数：3.0x10-6K-1；
从上面数据可以看出，由于LiAlO2在C方向的热膨胀系数比GaN和SiO2、Si3N4都要大，因此背镀SiO2或Si3N4对平衡GaN与LiAlO2之间的热应力有一定作用。
另一方面，SiO2或Si3N4覆盖到LiAlO2衬底背面，可以阻止衬底分解，有利于提高薄膜质量，保护系统环境。
如果铝酸锂衬底是(100)面的，那么所生长的GaN薄膜取向是m(1010)面的；如果铝酸锂衬底是(302)面的，那么所生长的GaN薄膜取向是a(1120)面的。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案，比如背镀材料不选用SiO2和Si3N4，或者不是生长GaN薄膜而是生长GaN-LED结构等特征，均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (2)
1.一种非极性GaN薄膜的生长方法，其利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：在铝酸锂衬底背面背镀二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)；
步骤二：利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长非极性GaN薄膜；
该步骤二进一步包括以下步骤：
步骤A：在MOCVD系统中，在N2保护下，升温到800-900℃，生长低温保护层，生长低温保护层时反应室压力150-500torr，TMGa流量1-50sccm，对应于摩尔流量：4E-6mole/min-2E-4mole/min；
步骤B：降低压力至100-300torr，升温到1000-1100℃继续生长U-GaN层，TMGa流量10-200sccm，对应于摩尔流量：4E-5mol/min-8E-4mole/min；
步骤C：再升温到1150-1200℃，生长100nm，
步骤D：再降温到1000-1100℃生长U-GaN。
2.如权利要求1所述的一种非极性GaN薄膜的生长方法，其特征在于：在步骤A中，在生长开始之前，先对铝酸锂衬底表面在600-900℃下进行原位热处理。
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