CN108428621B - 一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于GaN薄膜制备方法技术领域,为了解决目前不能直接将非晶态SiO2作为衬底生长GaN薄膜,衬底成本高、工艺复杂的问题,提供了一种在非晶态SiO2衬底上生长GaN薄膜的方法。利用非晶态SiO2材料作为衬底,采用金属有机化合物化学气相沉积法即MOCVD法生长GaN薄膜,依次生长AlGaN形核层,GaN外延层。直接以SiO2为衬底,采用MOCVD的方法生长GaN薄膜。以AlGaN作为形核层,退火时,较低的NH3流量能够加速AlGaN形核层中不稳定晶面的分解,促进后续的GaN薄膜沿着c面生长。并且短的退火时间可以减少再蒸发的程度,从而提高了后续生长的GaN薄膜的质量。

Description

一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法
技术领域
本发明属于GaN薄膜制备方法技术领域,具体涉及一种在非晶态SiO2衬底上生长GaN薄膜的方法,采用金属有机化合物化学气相沉积法即MOCVD法。
背景技术
三族氮化物半导体材料的研究与应用是半导体行业的一个热门话题。作为三族氮化物半导体材料的代表,GaN由于其优良的电子和光学性能在发光二极管(LEDs)和高功率电子器件等领域而得到了很大的发展。与蓝宝石,6H-SiC,和Si等衬底相比,SiO2具有价格更低的优点,因此在SiO2 衬底上实现高质量的GaN薄膜的生长是大家一直追求的目标。JTTorvik等人采用ECR-MBE的方法,在SiC衬底上以图形化SiO2 为掩模板实现了GaN的生长(参见Optical properties of GaN grown over SiO2 on SiC substrates by molecularbeam epitaxy,Journal of Electronic Materials, 1998, 27(4):233-237。)OH Nam等人采用MOVPE的方法,在GaN/AlN/6H-SiC(0001)衬底上以图形化SiO2为掩膜板,实现了GaN薄膜的外延生长(参见Lateral epitaxial overgrowth of GaN films on SiO2 areas viametalorganic vapor phase epitaxy,Journal of Electronic Materials, 1998, 27(4):233- 237。)但是以上方法都不是直接将非晶态SiO2 作为衬底生长GaN薄膜,衬底成本高,工艺比较复杂。
发明内容
本发明为了解决目前不能直接将非晶态SiO2 作为衬底生长GaN薄膜,衬底成本高、工艺复杂的问题,提供了一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法。
本发明由如下技术方案实现的:一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法,利用非晶态SiO2材料作为衬底,采用金属有机化合物化学气相沉积法即MOCVD法生长GaN薄膜,依次生长AlGaN形核层,GaN外延层。
具体步骤如下:
(1)衬底氮化处理:将非晶态SiO2 衬底置于金属有机气相沉积MOCVD反应室中,在氢气气氛中,1200-1300℃温度下清洁衬底10-20min,然后降温至650-750℃,用流量为1000-1200 sccm的氨气氮化处理5-15min,控制反应室的压力为100-200mbar;
(2)制备AlGaN形核层:氮化处理后,700-800℃下,在氨气流量为1200-1700sccm的环境中,V/Ⅲ比为720-820,向反应室中通入流量50-70μmol/min的镓源和流量10-20μmol/min的铝源,反应时间为35-45s,控制反应室的压力为100-200mbar下生长AlGaN形核层;其中AlGaN形核层中Ⅲ族元素铝占10%-20%,镓占80%-90%;
(3)退火处理:将AlGaN形核层升温至1150-1250℃,氨气流量为500-1000sccm,退火时间为2-10min的工艺条件高温退火,经过退火处理后降温至1100-1200℃,在压力为100-150mbar,V/Ⅲ比为300-400,氨气流量为1000-1900sccm,镓源流量为149-213μmol/min,反应时间为2400s的工艺条件下进行GaN的外延生长。
步骤(2)中制备的AlGaN形核层厚度为10-20nm。
本发明在传统两步法的基础上,通过将Al引入形核层,提高结晶性,最终实现高质量GaN薄膜的外延生长。
本发明直接以SiO2 为衬底,采用MOCVD的方法生长GaN薄膜。以AlGaN作为形核层,退火时,较低的NH3流量能够加速AlGaN形核层中不稳定晶面的分解,促进后续的GaN薄膜沿着c面生长。并且短的退火时间可以减少再蒸发的程度,从而提高了后续生长的GaN薄膜的均匀性。
附图说明
图1是本发明所述在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的制备工艺流程图;图2为实施例1所制备的GaN薄膜结构示意图;图3为GaN薄膜表面扫描电镜图;图4为GaN薄膜的晶面的HR-XRD曲线图,图中:A为GaN薄膜晶面指数为002晶面的HR-XRD曲线,B为GaN薄膜晶面指数为102晶面的HR-XRD曲线。
具体实施方式
实施例1:如图1所示,一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法,利用非晶态SiO2材料作为衬底,采用金属有机化合物化学气相沉积法即MOCVD法生长GaN薄膜,依次生长AlGaN形核层,GaN外延层。
具体步骤如下:
(1)衬底表面清洁、氮化处理:将非晶态SiO2 衬底置于金属有机气相沉积MOCVD反应室中,在氢气气氛下,1250℃对衬底进行清洁10min,然后降温至700℃,用流量为1000sccm的氨气氮化处理10min,控制反应室的压力为160mbar;
(2)制备AlGaN形核层:氮化处理后,750℃下,在氨气流量为1250sccm的环境中,V/Ⅲ比为720,向反应室中通入流量56.7μmol/min的镓源和流量13.3μmol/min的铝源,反应时间为40s,保持反应室的压力为100mbar下生长厚度为15nm的AlGaN形核层;其中AlGaN形核层中Ⅲ族元素铝占19%,镓占81%;
(3)高温退火处理:将AlGaN形核层升温至1170℃,氨气流量为500sccm,压力保持100mbar,退火时间为2min的工艺条件高温退火,退火处理后温度为1150℃;
(4)外延生长GaN:经过退火处理后降温至1150℃,在压力为100mbar,氨气流量为1000sccm,V/Ⅲ比为300,镓源流量为149μmol/min,反应时间为2400s的工艺条件下进行GaN的外延生长,厚度为1300nm的GaN外延层。
(5)将通过上述过程生长的GaN薄膜从MOCVD反应室中取出。
通过上述过程生长的GaN薄膜结构,如图2所示,自下而上的结构依次为厚度为300nm厚度的SiO2 衬底,厚度为15nm的AlGaN形核层,厚度为1300nm的GaN外延层。
实施例2:一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法,利用非晶态SiO2材料作为衬底,采用金属有机化合物化学气相沉积法即MOCVD法生长GaN薄膜,依次生长AlGaN形核层,GaN外延层。
具体步骤如下:
(1)衬底表面清洁、氮化处理:将非晶态SiO2 衬底置于金属有机气相沉积MOCVD反应室中,在氢气气氛下,1300℃对衬底进行清洁18min,然后降温至750℃,用流量为1200sccm的氨气氮化处理15min,控制反应室的压力为160mbar;
(2)制备AlGaN形核层:氮化处理后,700℃下,在氨气流量为1700sccm的环境中,V/Ⅲ比为820,向反应室中通入流量70μmol/min的镓源和流量20μmol/min的铝源,反应时间为45s,保持反应室的压力为150mbar下生长厚度为20nm的AlGaN形核层;其中AlGaN形核层中Ⅲ族元素铝占20%,镓占80%;
(3)高温退火处理:将AlGaN形核层升温至1250℃,氨气流量为600sccm,压力保持120mbar,退火时间为5min的工艺条件高温退火,退火后温度为1200℃;
(4)外延生长GaN:经过退火处理后降温至1200℃,在压力为100mbar,氨气流量为1520sccm,V/Ⅲ比为400,镓源流量为170μmol/min,反应时间为2400s的工艺条件下进行GaN的外延生长,厚度为1400nm的GaN外延层。
(5)将通过上述过程生长的GaN薄膜从MOCVD反应室中取出。
通过上述过程生长的GaN薄膜结构,自下而上的结构依次为厚度为300nm厚度的SiO2 衬底,厚度为20nm的AlGaN形核层,厚度为1400nm的GaN外延层。
实施例3:一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法,利用非晶态SiO2材料作为衬底,采用金属有机化合物化学气相沉积法即MOCVD法生长GaN薄膜,依次生长AlGaN形核层,GaN外延层。
具体步骤如下:
(1)衬底表面清洁、氮化处理:将非晶态SiO2 衬底置于金属有机气相沉积MOCVD反应室中,在氢气气氛下,1200℃对衬底进行清洁20min,然后降温至650℃,用流量为1100sccm的氨气氮化处理5min,控制反应室的压力为200mbar;
(2)制备AlGaN形核层:氮化处理后,800℃下,在氨气流量为1200sccm的环境中,V/Ⅲ比为780,向反应室中通入流量50μmol/min的镓源和流量10μmol/min的铝源,反应时间为35s,保持反应室的压力为200mbar下生长厚度为10nm的AlGaN形核层;其中AlGaN形核层中Ⅲ族元素铝占10%,镓占90%;
(3)高温退火处理:将AlGaN形核层升温至1150℃,氨气流量为1000sccm,压力保持150mbar,退火时间为10min的工艺条件高温退火,退火后温度为1100℃;
(4)外延生长GaN:经过退火处理后降温至1100℃,在压力为100mbar,氨气流量为1900sccm,V/Ⅲ比为350,镓源流量为213μmol/min,反应时间为2400s的工艺条件下进行GaN的外延生长,厚度为1400nm的GaN外延层。
(5)将通过上述过程生长的GaN薄膜从MOCVD反应室中取出。
通过上述过程生长的GaN薄膜结构,自下而上的结构依次为厚度为300nm厚度的SiO2 衬底,厚度为20nm的AlGaN形核层,厚度为1400nm的GaN外延层。我们对此GaN薄膜进行了表面形貌分析和HR-XRD分析,分别如图3和4所示,图3显示出GaN薄膜有较为平滑的表面,图4为薄膜(002)和(102)晶面的HR-XRD曲线,曲线的半峰宽较小,说明位错较少。

Claims (2)

1.一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法,其特征在于:利用非晶态SiO2材料作为衬底,采用金属有机化合物化学气相沉积法即MOCVD法生长GaN薄膜,依次生长AlGaN形核层,GaN外延层;
具体步骤如下:
(1)衬底氮化处理:将非晶态SiO2 衬底置于金属有机气相沉积MOCVD反应室中,在氢气气氛下,1200-1300℃温度下清洁衬底10-20min,然后降温至650-750℃,用流量为1000-1200 sccm的氨气氮化处理5-15min,控制反应室的压力为100-200mbar;
(2)制备AlGaN形核层:氮化处理后,700-800℃下,在氨气流量为1200-1700sccm的环境中,V/Ⅲ比为720-820,向反应室中通入流量50-70μmol/min的镓源和流量10-20μmol/min的铝源,反应时间为35-45s, 控制反应室的压力为100-200mbar下生长厚度为10-20nm的AlGaN形核层;其中AlGaN形核层中Ⅲ族元素铝占10%-20%,镓占80%-90%;
(3)退火处理:将AlGaN形核层升温至1150-1250℃,氨气流量为500-1000sccm,退火时间为2-10min的工艺条件高温退火,经过退火处理后降温至1100-1200℃,在压力为100-150mbar,V/Ⅲ比为300-400,氨气流量为1000-1900sccm,镓源流量为149-213μmol/min的工艺条件下进行GaN的外延生长。
2.根据权利要求1所述的一种在非晶态SiO2 衬底上生长GaN薄膜的方法,其特征在于:所制备GaN外延层的厚度为1300-1400nm。
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