CN102644119B - 一种多孔氮化镓衬底的处理方法及氮化镓膜的生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于材料制备领域，提供了一种多孔氮化镓衬底处理方法，所述方法包括对经刻蚀的多孔氮化镓衬底在800-1000℃下进行氨氛围退火。本发明还提供了一种氮化镓膜生长方法，包括对经刻蚀的多孔氮化镓衬底在800-1000℃下进行氨氛围退火，然后利用其进行氮化镓膜的生长。该多孔氮化镓衬底的处理方法能够减少氮化镓膜中的位错密度和缺陷，改善晶体质量，且简单易行，适合于科学实验和批量生产时采用。

Description

一种多孔氮化镓衬底的处理方法及氮化镓膜的生长方法

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种多孔氮化镓衬底的处理方法及氮化镓膜的生长方法。

背景技术

近年来，氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)技术由于生长速率高、设备简单、制备成本低，并且能够提供GaN自支撑衬底，近年来被公认为最有前途的制备方法，因而吸引了国内外研究人员的广泛兴趣。由于目前HVPE外延厚膜GaN通常采用Al₂O₃、Si、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材料中存在较大的残余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，其中包括利用阳极氧化铝与干法刻蚀制备而成的多孔GaN。由于其孔径的微细、陡直以及分布的均匀性等优点，被认为是一种较为理想的纳米尺度衬底材料。但是在制备多孔状GaN过程中，离不开高能离子的轰击，将不可避免的引起晶格损伤和表面污染，如果直接将其置入反应室中开始生长，则衬底中的大量位错与缺陷会延伸到GaN外延层中，将严重影响厚膜GaN的晶体质量，限制其实用价值。因此，在开始HVPE生长之前，对多孔GaN衬底中刻蚀损伤进行处理变得十分重要与迫切。

发明内容

本发明实施例提供一种多孔GaN衬底的处理方法及氮化镓膜的生长方法，旨在减少GaN生长的GaN膜中的位错密度与缺陷。

本发明实施例是这样实现的，一种多孔氮化镓衬底的处理方法，所述方法包括对经刻蚀的多孔氮化镓衬底在800-1000℃下进行氨氛围退火。

以及，一种氮化镓膜的生长方法，包括如下步骤：

对经刻蚀的多孔氮化镓衬底在800-1000℃下进行氨氛围退火；

在处理后的多孔氮化镓衬底上生长氮化镓膜。本发明实施例对多孔GaN衬底的进行氨氛围退火，主要是对GaN衬底的刻蚀损伤进行氨氛围退火，由于800-1000oC的氨气分子可以有效的被分解并生成氮离子，这些离子的活性较强，能够渗透到GaN表面以内，很好的弥补了刻蚀过程中造成的氮空位。同时，高温下多孔GaN的表面污染物原子具有足够的能量，完全可以克服其在GaN表面中的吸附。因此，经过氨气氛围下高温热退火处理后，GaN材料中的刻蚀损伤与表面污染可以得到很好的回复，从而可以大大减少衬底生长的GaN膜中的位错密度与缺陷，明显改善晶体质量。这种方法简单易行，对于退火设备要求也不高，适合于科学实验和批量生产时采用。

附图说明

图1是本发明实施例中多孔GaN衬底形成GaN膜的结构示意图；

图2是多孔GaN衬底的扫描电镜图；

图3是多孔GaN电子迁移率与氨气氛围下退火时间的关系图；

图4是多孔GaN电子迁移率与等离子体氮气处理时间的关系图；

图5是多孔GaN电子迁移率与氮气处理时间的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种多孔氮化镓衬底的处理方法，所述方法包括对经刻蚀的多孔氮化镓衬底在800-1000℃下进行氨氛围退火。

其中，多孔氮化镓衬底孔径的径度为10～200nm，退火时间为1-60min，优选地，退火温度为900-1000℃，退火时间为3-30min。

所述多孔氮化镓衬底的制备可以包括如下步骤：

制备氮化镓模板；

在所述氮化镓模板上形成一层铝层；

对铝层进行电化学腐蚀，形成多孔阳极氧化铝薄膜；

对带有多孔氧化铝的氮化镓模板进行刻蚀，得到多孔氮化镓衬底。

制备多孔氮化镓的步骤具体为，在所述异质外延衬底上生长一层GaN，所述异质外延衬底为Al₂O₃、SiC、Si、或者GaAs中的任意一种，生长方法可以为HVPE、金属有机化学气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)方法中的任意一种，GaN层厚度为0.1-500μm，优选为0.1-300μm。再在GaN层上沉积一层Al薄层，经电化学腐蚀的方法形成均匀的网状多孔阳极氧化铝，然后采用干法刻蚀技术，刻蚀得到多孔GaN材料。在本发明的一个优选实施例中，刻蚀选用感应耦合等离子刻蚀。多孔GaN材料的详细制备方法可参考发明专利——公开号CN 101514484A。

本发明实施例还提供了一种氮化镓膜的生长方法，包括如下步骤：

对经刻蚀的多孔氮化镓衬底在800-1000℃下进行氨氛围退火；

在处理后的多孔氮化镓衬底上生长氮化镓膜。

其中，多孔氮化镓衬底可以采用HVPE设备进行氮化镓膜的生长。

将所述的网状多孔GaN衬底在快速退火炉氨气氛围中退火。图4中显示了多孔GaN材料电子迁移率与氨气氛围下高温热退火的时间的关系，当受损伤的多孔GaN经过1min的氨气950℃热退火后，其电学性能就得到一定程度改善，当退火时间增加到3min后，其电子迁移率迅速回复到559cm²/Vs，能够非常接近刻蚀前GaN材料的电子迁移率。此前国内外研究人员已经提出了多种GaN材料干法刻蚀后的回复方案。如Ji-Myon Lee提出的等离子体氮处理法，Bok-Hyung Lee等人提出在N₂环境下经过700℃热退火处理回复刻蚀后的GaN肖脱基二极管。依照Ji-Myon Lee和Bok-Hyung Lee的回复方法，其霍尔测量结果由图5，6所示，380℃下进行等离子氮处理和氮气氛围下700℃高温热退火，同样的多孔GaN衬底的电子迁移率只能回复到480cm²/Vs和400cm²/Vs。相比之下，氨气在多孔GaN材料回复过程中起到了关键性的作用。

将多孔GaN衬底置于氨氛围中进行高温退火处理，高温下的氨气分子可以有效的被分解并生成氮离子，这些离子的活性较强，能够渗透到GaN表面以内，很好的弥补了干法刻蚀过程中造成的氮空位。同时，高温下多孔GaN的表面污染物原子具有足够的能量，完全可以克服其在GaN表面中的吸附。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

采用HVPE方法生长一个n型100微米的GaN外延层作为模板，用电化学和ICP刻蚀方法制备规则的网状多孔GaN衬底，之后在快速退火炉氨氛围中800℃退火20min，让ICP刻蚀过程中造成的损伤得到较好的回复，然后将模板置于HVPE设备中开始生长，得到氮化镓膜。

实施例二：

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长一个n型200微米的GaN外延层作为模板，用电化学和ICP刻蚀方法制备规则的网状多孔GaN衬底，之后在快速退火炉氨氛围中950℃退火5min，让ICP刻蚀过程中造成的损伤得到较好的回复，然后将模板置于HVPE设备中开始生长。

对比例一：

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长一个n型200微米的GaN外延层作为模板，用电化学和ICP刻蚀方法制备与实施例二相同的规则的网状多孔GaN衬底，之后采用等离子体氮处理方法，然后将模板置于HVPE设备中开始生长。

对比例二：

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法生长一个n型200微米的GaN外延层作为模板，用电化学和ICP刻蚀方法制备与实施例二相同的规则的网状多孔GaN衬底，之后在N₂环境下经过700℃热退火处理回复刻蚀后的GaN衬底，然后将模板置于HVPE设备中开始生长。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多孔氮化镓衬底的处理方法，其特征在于，所述方法包括：

制备氮化镓模板；

在所述氮化镓模板上形成一层铝层；

对铝层进行电化学腐蚀，形成多孔阳极氧化铝；

对带有多孔氧化铝的氮化镓模板进行刻蚀，得到多孔氮化镓衬底；

对经刻蚀的多孔氮化镓衬底在800-1000℃下进行氨氛围退火；所述退火时间为1～60min，使氨气分子分解成氮离子后渗透至GaN衬底表面以内，填充刻蚀过程中造成的GaN衬底的氮空位；

所述刻蚀为干法刻蚀。

2.如权利要求1所述的多孔氮化镓衬底的处理方法，其特征在于，所述氨氛围退火温度为900-1000℃。

3.如权利要求1所述的多孔氮化镓衬底的处理方法，其特征在于，所述退火时间为3～30min。

4.如权利要求1所述的多孔氮化镓衬底的处理方法，其特征在于，所述多孔氮化镓衬底孔径的径度为10～200nm。

5.如权利要求1所述的多孔氮化镓衬底的处理方法，其特征在于，所述氮化镓模板是通过在异质外延衬底上生长n型氮化镓外延层形成的，所述异质外延衬底为蓝宝石、碳化硅、硅或者砷化镓中的任意一种。

6.如权利要求1所述的多孔氮化镓衬底的处理方法，其特征在于，所述n型氮化镓外延层的厚度为0.1～500μm。

7.一种氮化镓膜的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

按权利要求1-6任一项所述的多孔氮化镓衬底的处理方法获得处理后的多孔氮化镓衬底；

在处理后的多孔氮化镓衬底上生长氮化镓膜。