CN1382838A - 氮化镓单晶膜的制造方法 - Google Patents

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一种氮化镓单晶膜的制造方法,在传统的衬底、氮化镓缓冲层的基础上,将衬底加热到900－1100℃,生长一层富镓的第二氮化镓缓冲层,再在该缓冲层上生长所需的氮化镓晶体叠层。本发明工艺简单,生长的缓冲层结晶性能好,并具有大量的氮空位来弛豫衬底各氮化镓晶体之间的应力,可使生长于该缓冲层之上的氮化镓叠层具有良好的结晶品质,且不会产生裂纹。

Description

氮化镓单晶膜的制造方法
本发明涉及一种氮化镓单晶膜的制造方法，特别是用于制造发光二极管，半导体激光器，以及各种高温、高频、大功率的半导体器件的氮化镓单晶膜的制造方法。
氮化镓(GaN)是一种直接跃迁型的宽带隙半导体材料，其禁带宽度为3.4eV，它能与氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)形成铝铟镓氮合金(以AlxInyGa(1-x-y)N表示，其中0＜＝x＜＝1，0＜＝y＜＝1)，根据混晶的组分不同，可获得1.9eV-6.2eV连续可调的带隙宽度。因此它们非常适合于制造能够发出不同颜色的发光二极管，尤其是长期以来难以获得的蓝光、紫光和白光二极管。铝铟镓氮(AlxInyGa(1-x-y)N)合金的形成还使制造半导体激光器所需要的双异质结构易于得到，所以氮化镓也是制造短波长激光器的优选材料。另外，它还可应用于光探测器、光通信、高速晶体管和各种大功率半导体器件等等。
但是由于氮化镓具有一些比较特殊的性质，致使氮化镓材料的制备中仍有许多重大问题没有得到解决。其中一个特别突出的难题是：没有理想的衬底来进行外延生长。由于大块的氮化镓晶体难于制备，人们不得不寻找其它的材料作衬底，用异质外延的方法来生长氮化镓。迄今为止，最常用的衬底是蓝宝石。但是蓝宝石作为氮化镓晶体生长的衬底有一个显著的缺陷，即二者晶格失配高达14％。因此直接在蓝宝石衬底上高温生长氮化镓晶体是困难的。于是人们采用了两步生长法，也即缓冲层技术，即先在较低的温度下(如500℃-600℃)，在蓝宝石衬底上形成一层质量较差的氮化镓薄膜，以提供高温生长所需要的晶核，然后升高温度，根据器件制作的需要在该缓冲层上生长所需的氮化镓晶体。图6是传统方法生长氮化镓单晶膜的示意图。6(1)-6(3)说明了传统氮化镓晶体制造方法的生长步骤。如图6(1)-6(3)所示。先让三甲基镓与氨气在550℃下反应，在蓝宝石衬底上形成一层15-30nm厚的氮化镓薄膜，以提供高温生长所需要的成核层。然后把衬底加热到1050℃，根据器件制作需要生长氮化镓晶体的叠层。
利用上述方法，人们实现了氮化镓的外延生长，获得了可用于器件制造的氮化镓单晶膜，但也存在着一些问题。例如，由于该缓冲层生长温度低，结晶质量较差，直接在其上生长的氮化镓晶体往往得不到好的结晶性能。此外，该方法生长的氮化镓缓冲层，并不能完全消除蓝宝石衬底与氮化镓晶体之间的巨大应力。因此，这种方法生长的氮化镓晶体膜容易发生龟裂。众所周知，裂纹的存在使器件的制作非常困难。
于是，人们开发了各种改进的缓冲层技术。例如，渐变组分的铝镓氮缓冲层，碳化硅缓冲层，二氧化硅缓冲层等等。也有人改用其它材料作衬底，如硅衬底、碳化硅衬底、砷化镓衬底、磷化镓衬底等。但是这些技术一般都工艺复杂，实施起来较为困难，而且成本较高。
本发明的目的是提供一种工艺简单，结晶品质良好，无龟裂氮化镓单晶膜的制造方法。
本发明的设计思想是：先按传统方法在衬底上生长一氮化镓缓冲层，接着把衬底加热到900-1100℃，通入大量的氢气作载气(以抑制氨的分解)，以100＜V/III＜500的气源进行淀积，生长一层富镓的第二氮化镓缓冲层。然后再在第二缓冲层上生长氮化镓单晶膜。由于该第二氮化镓缓冲层在高温下生长，具有优异的结晶品质，因而在其上生长的氮化镓单晶膜亦可获得良好的结晶特性。此外，由于该第二氮化镓缓冲层内人为地含有大量的氮空位，对衬底和氮化镓晶体之间的巨大应力具有有效的弛豫作用，可使这两者之间的应力随着第二缓冲层层厚的增加而逐步得到消除，因此可防止裂纹的产生。
具体地说，本发明的设计思想是通过以下途径实现的。
先按传统方法在一个衬底上生长一氮化镓缓冲层，然后把衬底加热到900-1100℃，并保持一段时间，以改善该层晶体质量。接着，通入100＜V/III＜500的镓和氨的气态源，并同时通入大量的H2作载气，生长一层厚度为0.5-4.0μm的第二氮化镓缓冲层，然后在第二氮化镓缓冲层上生长制作器件所需的氮化镓晶体叠层。
本发明镓的气态源最好为三甲基镓；第二氮化镓缓冲层的最佳厚度为0.8--1.5μm。
本发明工艺简单，生长的缓冲层结晶性能好，并具有大量的氮空位来弛豫衬底和氮化镓晶体之间的应力，可使生长于该缓冲层之上的氮化镓叠层具有良好的结晶品质，且不会产生裂纹。
图1是用本发明制造方法生长的氮化镓单晶膜的示意图。[1]为衬底，[2]为第一氮化镓缓冲层，[3]为第二氮化镓缓冲层，[4]为氮化镓晶体叠层。
图2根据是本发明制造方法生长氮化镓晶体过程中温度随时间变化关系图。
图3是本发明生长的第二氮化镓缓冲层的XPS图，根据两个峰的强度计算可知，该层中Ga/N＞1，即，该层中含有大量的氮空位。
图4是根据本发明生长的氮化镓单晶膜的X射线双晶衍射图。图中显示，该单晶膜的双晶半高宽为3.9分，具有良好的结晶特性。
图5是根据本发明生长的氮化镓单晶膜的RBS/沟道图，如图所示，该单晶膜的最小沟道产额比为1.2％，说明该单晶膜的晶体质量良好。
图6是一般方法制造氮化镓晶体的生长工序图。
本发明将通过以下实施例作进一步地说明。
实施例1：
参照图1、图2，先把一块已用有机溶剂清洗干净的蓝宝石衬底放入反应管中，抽真空，把反应管内水蒸汽等杂质气体去除干净。用高频感应线圈加热反应管，使衬底升温到1100℃，通高纯H2流过衬底表面，如此处理30分钟，可去除衬底表面残留的杂质并改善衬底的表面状况以利于成核。然后把衬底温度降低到500℃，用N2作载气，通入三甲基镓和氨的气态源，让其在衬底上反应，生长一层厚为30nm的第一氮化镓缓冲层。
第一氮化镓缓冲层生长完成后，切断三甲基镓，把衬底加热到1000℃，并保持10分钟。接着，通入V/III＝170的氨和三甲基镓的气态源，并同时通入大量的H2作载气，生长一层厚度为0.8μm的第二氮化镓缓冲层。
第二氮化镓缓冲层生长完成后，保持温度不变，改用适量的H2和N2同时作载气，通入V/III＝900的氨和三甲基镓的气态源生长氮化镓晶体。
实施例2：
参照图1、图2，先把一块已用有机溶剂清洗干净的蓝宝石衬底放入反应管中，抽真空，把反应管内水蒸汽等杂质气体去除干净。用高频感应线圈加热反应管，使衬底升温到1200℃，通高纯H2流过衬底表面，如此处理20分钟，可去除衬底表面残留的杂质并改善衬底的表面状况以利于成核。然后把衬底温度降低到550℃，用N2作载气，通入三甲基镓和氨的气态源，让其在衬底上反应，生长一层厚为20nm的第一氮化镓缓冲层。
第一氮化镓缓冲层生长完成后，切断三甲基镓，把衬底加热到1050℃，并保持5分钟。接着，通入V/III＝200的氨和三甲基镓的气态源，并同时通入大量的H2作载气，生长一层厚度为1.0μm的第二氮化镓缓冲层。
第二氮化镓缓冲层生长完成后，保持温度不变，改用适量的H2和N2同时作载气，通入V/III＝1000的氨和三甲基镓的气态源生长氮化镓晶体。

Claims (3)

1、一种氮化镓单晶膜的制造方法，在蓝宝石衬底上生成第一、第二氮化镓缓冲层，再在第二氮化镓缓冲层上生长氮化镓单晶膜，其特征是在第一氮化镓缓冲层生长完后，将衬底加热到900-1100℃，通入大量的H2作载气，以100＜V/III＜500的气源进行淀积，生成一层厚度为0.5-4.0μm的第二氮化镓缓冲层。
2、根据权利要求1所述的制造方法，其特征是第二氮化镓缓冲层厚度为0.8-1.5μm。
3、根据权利要求1所述的制造方法，其特征是镓源为三甲基镓，氮源为氨气。
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