CN1763268A - 一种a面和m面GaN薄膜材料的控制生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种a面和m面GaN薄膜材料的控制生长方法，在MOCVD系统中用铝酸锂做衬底生长a面或m面的GaN材料，在MOCVD系统中对生长的(302)和(100)铝酸锂衬底在500－1050℃温度下进行材料热处理，时间为10－60分钟，或然后通入氨气进行表面氮化，时间为10－60分钟；然后在500－1050℃温度范围通入载气H2和或N2，NH3气以及金属有机镓源，金属有机镓源流量为1－50sccm；NH3气500－7000sccm；N与Ga之摩尔比为500－3000，在(302)或(100)铝酸锂衬底上合成生长a面或m面的GaN材料，生长温度500－1050℃温度下，时间为10－60分钟。本发明GaN薄膜具有更好的应用价值，且薄膜厚度可以控制。
Description
技术领域
本发明涉及在一种新型衬底(302)和(100)LjAlO2材料上用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术生长GaN的方法，尤其是利用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术在LiAlO2衬底材料上生长a面和M面GaN薄膜材料。
背景技术
以GaN为代表的IIIV族宽直接带隙半导体由于具有带隙宽(Eg＝3.39eV)、发光效率高、电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定以及抗辐射、耐高温等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器和紫外探测器等光电子器件以及抗辐射、高频、高温、高压等电子器件领域有着巨大的应用潜力和广阔的市场前景，引起人们的极大兴趣和广泛关注。GaN是III族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的III族氮化物材料。GaN材料非常坚硬，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水、酸和碱，其融点较高，约为1700℃。GaN的电学性质是决定器件性能的主要因素，电子室温迁移率目前可以达900cm2/(V·s)。在蓝宝石衬底上生长的非故意掺杂的GaN样品存在较高(＞1018/cm3)的n型本底载流子浓度，现在较好的GaN样品的本底n型载流子浓度可以降到1016/cm3左右。由于n型本底载流子浓度较高，制备p型GaN样品的技术难题曾经一度限制了GaN器件的发展。Nakamura等采用热退火处理技术，更好更方便地实现了掺Mg的GaN样品的p-型化，目前已经可以制备载流子浓度在1011～1020/cm3的p-型GaN材料。进入90年代以来，由于缓冲层技术的采用和p型参杂技术的突破，对GaN的研究热潮在全球范围内发展起来，并且取得了辉煌的成绩。InGaN超高亮度蓝、绿光LED已经实现商品化。
衬底材料对于异质外延GaN的晶体质量影响很大，对器件的性能和可靠性产生重要的影响。缺乏与GaN晶格匹配而且热兼容的合适的衬底材料是影响GaN器件成熟的主要困难之一。目前最为广泛使用的C面蓝宝石(c-plane-Al2O3)衬底与GaN的晶格失配率高达13.6％。虽然通过缓冲层可改善外延膜和衬底的匹配，但这种严重的晶格失配仍会导致外延膜中高密度缺陷的产生，使器件的寿命和性能大大下降。虽然在GaN衬底上进行同质外延前景诱人，但生长出大尺寸GaN单晶体尚需时日，寻找其它理想的衬底材料也是解决问题的有效途径之一。LiAlO2和GaN匹配非常好，它和GaN的晶格失配率分别只有1.4％，是很有发展前景的生长GaN的衬底材料。用C面LiAlO2做衬底材料，采用MBE，HVPE等技术合成生长M面GaN的工作已有很多文献报道，而利用MOCVD生长技术在(302)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料尚未见报道。
本发明的是利用MOCVD生长技术在(302)和(100)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料。用C面LiAlO2做衬底材料，采用MBE，HVPE等技术合成生长M面GaN的工作已有很多文献报道，而利用MOCVD生长技术在(302)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料尚未见报道。申请人首次利用MOCVD生长技术在(302)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料。本发明在(302)和(100)铝酸锂衬底上采用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术合成生长GaN薄膜材料，在技术上属于首次。
发明内容
本发明目的是：在(302)和(100)铝酸锂衬底上采用MOCVD(金属有机物化学汽相外延)技术合成生长a面和m面GaN薄膜材料。
本发明的技术解决方案：
a面和m面GaN薄膜材料的控制生长方法，在MOCVD系统中用(302)和(100)铝酸锂做衬底材料，在MOCVD系统中用(302)和(100)铝酸锂做衬底生长a面或m面的GaN材料，在MOCVD系统中对生长的(302)和(100)铝酸锂衬底在500-1050℃温度下进行材料热处理，时间为10-60分钟，或然后通入氨气进行表面氮化，时间为10-120分钟，更好的在10-60分钟，然后在500-1050℃温度范围通入载气H2和或N2，氨气以及金属有机镓源，流量为1-50sccm。通过控制载气，镓源气体流量等参数，NH3气500-7000sccm。V/III比为500-3000，指N与Ga之摩尔比。在(302)或(100)铝酸锂衬底上合成生长a面或m面的GaN材料。生长温度500-1050℃2温度下，时间为10-60分钟。
本发明的机理和技术特点：
利用MOCVD生长技术在(302)和(100)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料以及InGaN/GaN量子阱LED器件结构。在MOCVD系统中对生长的(302)和(100)铝酸锂衬底在500-1050℃温度下进行材料热处理，然后或通入氨气进行表面氮化，再在一定500-1050℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，经产物的检测表明，在(302)或(100)铝酸锂衬底上合成生长出了a面或m面的GaN薄膜材料。a面或m面的GaN薄膜具有更好的应用价值，且薄膜厚度可以控制。
其中，(302)和(100)铝酸锂衬底的采用，以及铝酸锂衬底生长前的热退火工艺是很重要的。当然，热退火温度以及生长材料的温度控制也是本发明的关键。
附图说明
图1为本发明在(302)铝酸锂衬底上生长的a面GaN的XRD扫描图。由图可以看出，LiAlO2衬底峰在61.24度，为[302]取向。其面内晶格常数为a＝5.3645，c＝5.1687。样品的XRD峰位在57.7度，是晶体取向为[11-20]的单晶GaN，说明生长出的GaN薄膜是具有a面的GaN薄膜。经过计算LiAlO2(302)衬底与a面GaN薄膜的晶格匹配很好，分别为2.9％和0.3％。
图2为本发明在(302)铝酸锂衬底上合成生长A面GaN薄膜材料的Raman谱。从图中可以看出，在Rman散射中能看到A1(TO)(533)、E1(TO)(558)、E2(568)、E1(LO)(742)而看不到A1(LO)(734)。因为A1(LO)在对c面中才能看到。而在M面GaN薄膜材料中仅仅出现E2峰。表明(302)铝酸锂衬底上合成生长A面GaN薄膜材料的晶格匹配较好。
图3为本发明在(100)铝酸锂衬底上生长的m面GaN的XRD扫描图。从图中可以看出，，(100)LiAlO2衬底峰在34.66度。其面内晶格常数为a＝5.1687，c＝6.2679。样品的XRD峰位在32.26度，是晶体取向为[1-100]的M面单晶GaN，说明生长出的GaN薄膜是具有M面的GaN薄膜。经过计算LiAlO2(302)衬底与a面GaN薄膜的晶格匹配很好，分别为0.3％和1.7％。
图4为本发明在(100)铝酸锂衬底上合成生长m面GaN薄膜材料的Raman谱。从图中可以看出，在Rman散射中能看到A1(TO)(528.67)、E1(TO)(556.75)、E2(566.78)、A1(LO)(736.52)。这里看不见a面GaN薄膜材料中存在的E1(LO)峰。表明(100)铝酸锂衬底上合成生长M面GaN薄膜材料的晶格匹配也较好。
具体实施方式
本发明利用MOCVD生长技术在(302)和(100)铝酸锂衬底上合成生长GaN薄膜材料。具体包括以下几步：a面和m面GaN薄膜材料的控制生长方法，在MOCVD系统中用(302)和(100)铝酸锂做衬底生长a面或m面的GaN材料，在MOCVD系统中对生长的(302)和(100)铝酸锂衬底在50C-1050℃温度下进行材料热处理，时间为10、30、60分钟无差别。
另一实施例是，在上述热处理后然后通入氨气进行表面氮化，时间为10、30、60分钟亦无显著差别。经处理后，然后在500-1050℃温度范围通入载气H2和或N2，氨气以及金属有机镓源，通过控制载气，镓源气体流量等参数，在(302)或(100)铝酸锂衬底上合成生长a面或m面的GaN材料。
有机镓源为三甲基镓流为1-50sccm。根据本装置的特点，采用不同流量的三甲基镓无显著区别，生长速度有所不同。载气流量为2-8slm。直接添加至衬底的氨气流量为1-15slm。NH3流量为3-8slm，生长温度为500-1050℃。
载带气体的进一步控制是，H2或N2或H2和N2混合气体作为稀释气体，NH3气作为氮源。H2或N2或H2和N2混合气稀释气流量2500-3500sccm，NH3气500-7000sccm，反应区域温度也可以是500-1050℃，生长时间为8-20min的条件下可以获得完全的A面GaN薄膜。V/III比为500-3000，指N与Ga之摩尔比，参见附表。气体流量控制通过质量流量计来控制。
1、在MOCVD系统中对生长的(302)和(100)铝酸锂衬底在500、1000、1050℃温度下进行材料热处理，或然后通入氨气进行表面氮化，亦在相同温度。
2、再在500-1050℃温度范围通入载气N2，氨气以及金属有机源，通过控制载气，源气体流量以及生长温度等参数，在(302)或(100)铝酸锂衬底上合成生长a面或m面的GaN材料。取700、800、900、1000℃温度进行MOCVD的方法进行生长无显著区别。
其中，(302)和(100)铝酸锂衬底的采用，以及铝酸锂衬底生长前的热退火工艺，热退火温度控制以及生长材料的温度控制是本发明的关键。
本发明在(302)和(100)铝酸锂衬底上生长GaN的优化生长条件范围见表1所示。
表1.在(302)铝酸锂衬底上生长GaN的优化生长条件范围3、
| 生长层 | 生长温度(℃) | 压力(Torr) | V/iII比 | 材料 |
| 成核层 | 500-1050 | 0-500 | - | 铝酸锂衬底 |
| 缓冲层 | 500-1050 | 0-500 | 500-3000 | GaN |
| 生长层 | 500-1050 | 0-500 | 500-3000 | GaN |
本发明通入载气H2、或N2，也可以是H2、与N2混合气体，氨气以及金属有机镓源，提供氮源和镓源，通过控制载气，镓源气体流量等参数，本发明实施例表明：容易在(302)铝酸锂衬底上合成生长a面或(100)铝酸锂衬底上合成生长m面的GaN材料。薄膜的厚度通过生长时间来控制。
Claims (3)
1、一种a面和m面GaN薄膜材料的控制生长方法，其特征是在MOCVD系统中用(302)和(100)铝酸锂做衬底生长a面或m面的GaN材料，在MOCVD系统中对生长的(302)和(100)铝酸锂衬底在500-1050℃温度下进行材料热处理，时间为10-60分钟，或然后通入氨气进行表面氮化，时间为10-60分钟；然后在500-1050℃温度范围通入载气H2和或N2，NH3气以及金属有机镓源，金属有机镓源流量为1-50sccm；NH3气500-7000sccm；N与Ga之摩尔比为500-3000，在(302)或(100)铝酸锂衬底上合成生长a面或m面的GaN材料，生长温度500-1050℃温度下，时间为10-60分钟。
2、由权利要求1所述的a面和m面GaN薄膜材料的控制生长方法，其特征是有机镓源为三甲基镓。
3、由权利要求1所述的a面和m面GaN薄膜材料的控制生长方法，其特征是载气为H2或N2或H2和N2混合气体作为稀释气体，以NH3气作为氮源，H2或N2或H2和N2混合气稀释气流量为2500-3500sccm。
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