CN1288721C - 一种改变氢化物气相横向外延GaN薄膜中倾斜角的方法 - Google Patents
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Abstract
采用HVPE方法横向外延薄膜GaN过程中添加HCl改变并消除晶面倾斜角的技术和方法。在HVPE横向外延GaN过程中直接添加HCl至衬底表面，通过HCl对GaN的腐蚀作用等，使局域V/III比发生变化，从而改变倾斜角，改善薄膜的表面形貌和质量，直接添加至衬底的HCl流量为4-10sccm。与其他的方法相比，不会引入额外的杂质，这是该发明的一大技术特点。此外，将HCl引入生长区，改变了局域的反应平衡，也会改善GaN薄膜的表面形貌和质量。
Description
一、技术领域
本发明涉及采用氢化物气相外延(HVPE)技术，在横向外延生长GaN薄膜过程中，通过直接添加HCl来改变并消除生长过程中产生的倾斜角的技术和方法。
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，他们的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。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。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。现有的氢化物气相外延(HVPE)生长GaN材料的方法：HCl是与金属镓源-N2管道，将金属镓源-HCl-N2管道的反应物GaCl-N2均匀输运至电炉的GaN薄膜材料的生长区。
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。
在横向外延的过程中发现，在远离窗口区(GaN种区)的横向外延区(翼区)GaN晶面发生倾斜(如图一)。晶面倾斜的形成与横向外延生长条件有直接的联系，位错对于晶面的倾斜也有重要的影响。研究晶面倾斜的形成和消除，对于指导改善GaN薄膜质量和表面形貌具有重要意义。
在本发明申请中，我们提出了一种改变并最终消除HVPE法横向外延生长GaN过程中形成倾斜角的方法和技术。
三、发明内容
本发明目的是：通过添加HCl，改善并消除HVPE横向外延生长GaN厚膜生长过程中产生的倾斜角的技术和方法。
本发明的技术解决方案是：改变氢化物气相横向外延GaN薄膜中倾斜角的方法，将金属镓源-HCl-N2管道的反应物GaCl-N2均匀输运至电炉的GaN薄膜材料的生长区，在氢化物气相HVPE横向外延GaN过程中将HCl直接引入到衬底表面，通过改变反应区的化学反应平衡，使局域V/III比发生变化，改变薄膜中倾斜角，生长条件为：横向外延衬底为GaN/蓝宝石；窗口区/SiO2掩膜区之比为2∶20，SiO2掩膜取向沿着GaN<1-100>方向，NH3流量为600sccm，产生GaCl的HCl流量为1sccm，直接添加至衬底的HCl流量为4-10sccm。通过改变反应区的化学反应平衡，最终GaN横向外延薄膜的倾斜角发生了改变甚至消除，获得高质量平整的GaN薄膜。研究结果的分析表明，HCl的引入，降低了倾斜角，并有效地改善了GaN薄膜的表面形貌和晶体质量。
本发明的技术特点是：
本发明引入了HCl来改变HVPE GaN横向外延中产生的倾斜角。由于引入的HCl是氢化物气相外延法中的源气体，与其他的方法(如引入C3H8/H2)相比，不会引入额外的杂质，这是该发明的一大技术特点。此外，将HCl引入生长区，改变了局域的反应平衡，也会改善GaN薄膜的表面形貌和质量。
四、附图说明
图1为横向外延GaN中的晶面倾斜1A为照片、1B为示意图
图2为本发明直接添加HCl后的倾斜角变化(2A)添加前(2B)添加后
五、具体实施方式
本发明采用的氢化物气相外延装置和横向外延生长技术，主要的方法就是将一定量的HCl直接引入到衬底表面，通过改变反应区的化学反应平衡，最终GaN横向外延薄膜的倾斜角发生了改变甚至消除，获得高质量平整的GaN薄膜。
生长条件为：横向外延衬底为GaN/蓝宝石；窗口区/SiO2掩膜区之比为2∶20，SiO2掩膜取向沿着GaN<1-100>方向。NH3流量为600sccm，产生GaCl的HCl流量为1sccm。直接添加至衬底的HCl流量为4-10sccm。图2照片的实施例是直接添加至衬底的HCl流量为5sccm。横向外延生长温度为1050℃。
Claims (2)
1、一种改变氢化物气相横向外延GaN薄膜中倾斜角的方法，将金属镓源-HCl-N2管道的反应物GaCl-N2均匀输运至电炉的GaN薄膜材料的生长区，其特征是在氢化物气相横向外延GaN过程中将HCl直接引入到衬底表面，通过改变反应区的化学反应平衡，改变薄膜中倾斜角，生长条件为：横向外延衬底为GaN/蓝宝石；窗口区/SiO2掩膜区之比为2∶20，SiO2掩膜取向沿着GaN<1-100>方向，NH3流量为600sccm，产生GaCl的HCl流量为1sccm，直接添加至衬底的HCl流量为4-10sccm。
2、由权利要求1所述的改变氢化物气相横向外延GaN薄膜中倾斜角的方法，其特征是直接添加至衬底的HCl流量为5sccm。
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