CN1174470C - 横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法，用MOCVD、MBE或其他方法生长GaN籽晶层；在GaN籽晶层上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蚀刻出一定的图形，对于平行长条状，掩摸区宽度2-20μm，GaN窗口区宽度0.2-20μm，平行长条状的开口方向是沿GaN的[1T00]取向；对于正六边形的开口，使GaN的[1T00]取向垂直于正六边形的边，然后用MOCVD或HVPE方法外延生长GaN，直至掩模层被GaN铺满，继续生长得到低位错密度氮化镓薄膜。HVPE生长速率很快。由于在远离界面处位错密度比较低，所以在横向外延薄膜上HVPE厚膜外延，可得到位错密度更低的GaN薄膜。
Description
一、技术领域
本发明涉及横向外延技术并结合金属有机物气相外延(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)等薄膜技术生长氮化镓(GaN)薄膜的方法和技术，尤其是生长低位错密度GaN薄膜的方法。
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。
GaN横向外延技术是指在已经获得的GaN平面材料上淀积掩蔽材料(如SiO2、Si3N4、W等)并刻出特定的图形窗口，再在其上进行GaN的二次外延。采用横向外延技术可大幅度降低外延层中的位错密度，并改善外延层质量，降低外延层非故意掺杂电子浓度，从而降低P型掺杂难度等。
在本发明中，我们采用横向外延方法结合MOCVD、HVPE薄膜生长技术在蓝宝石衬底上生长低位错密度GaN薄膜，位错密度低于106/cm2。
三、发明内容
本发明目的是：横向外延方法结合MOCVD、HVPE薄膜生长技术在蓝宝石衬底上生长低位错密度GaN薄膜。
本发明的技术解决方案：
首先用MOCVD、MBE或其他方法生长GaN籽晶层；在GaN籽晶层上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蚀刻出一定的图形(如长条状、六方形等)；然后用MOCVD或HVPE方法外延生长，直至掩模层被GaN铺满，继续生长得到厚膜。这样制备的GaN薄膜位错密度较低(低于106/cm2)，质量很高。
本发明的机理和技术特点是：
在GaN横向外延技术中，由于选择外延，只在GaN窗口部分能GaN才能外延生长，而SiO2等掩模层部分难以成核。当GaN窗口区中外延出的GaN超过掩模层厚度时，与竖直方向生长的同时，发生横向生长。当横向生长达到一定程度后便能得到全履盖的GaN外延层。这种生长因为符合“准自由”生长条件，且生长方向垂直于原GaN位错的攀移方向，因而有很高的质量，位错密度远比直接生长较低。HVPE生长速率很快，可达几十甚至几百μm/小时。由于在远离界面处位错密度比较低，所以在横向外延薄膜上HVPE厚膜外延，可得到位错密度更低的GaN薄膜。
四、附图说明
图1是本发明横向外延和HVPE技术生长的GaN薄膜截面图，位错密度低于106/cm2。生长条件：1100℃，[NH3]∶[HCl]＝0.076∶0.0023。
图2是本发明横向外延和HVPE技术生长的GaN薄膜AFM表面形貌图。图中，GaN窗口区与掩摸区上的GaN已经结合在一起。生长条件：1100oC，[NH3]∶[HCl]＝0.076∶0.0023。
五、具体实施方式
本发明采用的横向外延生长技术，包括下面几步：
1、采用MOCVD、MBE或其他方法在蓝宝石衬底上生长GaN籽晶层。
2、在GaN籽晶层上淀积SiO2、Si3N4、W等薄膜作掩模层，厚度为100nm。
3、用光刻方法刻蚀掩模层获得一定的图形，掩摸区一般都大于窗口区。图形形状主要有平行长条状和正六方形。对于平行长条状，掩摸区宽度2-20μm，GaN窗口区宽度0.2-20μm，平行长条状的开口方向是沿GaN的[1ī00]取向。正六边形的开口，使GaN的[1ī00]取向垂直于正六边形的边。
4、控制V价N原子与III价Ga原子比(33～83∶1)，生长温度(1030～1100℃)，窗口和掩膜区的选择比等，在不同的条件下，在上述图形GaN籽晶层上HVPE外延GaN厚膜。在图形籽晶层上也可以直接用MOCVD进行横向外延及厚膜生长，只是时间远比HVPE长。
5、另外，上述步骤4也可以这样进行：先在图形GaN上MOCVD生长GaN，当薄膜长满整个掩模层后，再采用HVPE生长技术进行快速生长获得厚膜。这样生长得到的GaN薄膜，位错密度可以低于106/cm2。
Claims (2)
1、横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法，其特征是用MOCVD、MBE或其他方法生长GaN籽晶层；在GaN籽晶层上沉积SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蚀刻出一定的图形，对于平行长条状，掩摸区宽度2-20μm，GaN窗口区宽度0.2-20μm，平行长条状的开口方向是沿GaN的
取向：对于正六边形的开口，使GaN的
取向垂直于正六边形的边，然后用MOCVD或HVPE方法外延生长GaN，直至掩模层被GaN铺满，继续生长得到低位错密度氮化镓薄膜。
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V价N原子与III价Ga原子比33～83∶1。
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