專利名稱：橫向外延生長高質(zhì)量氮化鎵薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及橫向外延技術(shù)并結(jié)合金屬有機物氣相外延(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)等薄膜技術(shù)生長氮化鎵(GaN)薄膜的方法和技術(shù)，尤其是生長低位錯密度GaN薄膜的方法。
由于GaN本身物理性質(zhì)的限制，GaN體單晶的生長具有很大的困難，尚未實用化。然而，用GaN襯底進行同質(zhì)外延獲得III族氮化物薄膜材料卻顯示出了極其優(yōu)越的性能，因此用低位錯密度襯底進行GaN同質(zhì)外延是改善III族氮化物外延層質(zhì)量的較好辦法。早期人們主要采用氫化物氣相外延(HVPE)方法在藍寶石襯底上直接生長GaN，再加以分離，獲得GaN襯底材料。此法的突出缺點是GaN外延層中位錯密度很高，一般達1010cm-2左右。目前降低位錯密度的關(guān)鍵技術(shù)是采用橫向外延(Epitaxial-Lateral-Overgrown，ELO)的方法。位錯密度可以降低4～5個量級。
GaN橫向外延技術(shù)是指在已經(jīng)獲得的GaN平面材料上淀積掩蔽材料(如SiO2、Si3N4、W等)并刻出特定的圖形窗口，再在其上進行GaN的二次外延。采用橫向外延技術(shù)可大幅度降低外延層中的位錯密度，并改善外延層質(zhì)量，降低外延層非故意摻雜電子濃度，從而降低P型摻雜難度等。
在本發(fā)明中，我們采用橫向外延方法結(jié)合MOCVD、HVPE薄膜生長技術(shù)在藍寶石襯底上生長低位錯密度GaN薄膜，位錯密度低于106/cm2。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案首先用MOCVD、MBE或其他方法生長GaN籽晶層；在GaN籽晶層上沉積SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蝕刻出一定的圖形(如長條狀、六方形等)；然后用MOCVD或HVPE方法外延生長，直至掩模層被GaN鋪滿，繼續(xù)生長得到厚膜。這樣制備的GaN薄膜位錯密度較低(低于106/cm2)，質(zhì)量很高。
本發(fā)明的機理和技術(shù)特點是在GaN橫向外延技術(shù)中，由于選擇外延，只在GaN窗口部分能GaN才能外延生長，而SiO2等掩模層部分難以成核。當GaN窗口區(qū)中外延出的GaN超過掩模層厚度時，與豎直方向生長的同時，發(fā)生橫向生長。當橫向生長達到一定程度后便能得到全履蓋的GaN外延層。這種生長因為符合“準自由”生長條件，且生長方向垂直于原GaN位錯的攀移方向，因而有很高的質(zhì)量，位錯密度遠比直接生長較低。HVPE生長速率很快，可達兒十甚至幾百μm/小時。由于在遠離界面處位錯密度比較低，所以在橫向外延薄膜上HVPE厚膜外延，可得到位錯密度更低的GaN薄膜。
生長條件1100℃，[NH3]∶[HCl]＝0.076∶0.0023。
圖2是本發(fā)明橫向外延和HVPE技術(shù)生長的GaN薄膜AFM表面形貌圖。圖中，GaN窗口區(qū)與掩摸區(qū)上的GaN已經(jīng)結(jié)合在一起。生長條件1100oC，[NH3]∶[HCl]＝0.076∶0.0023。
2、在GaN籽晶層上淀積SiO2、Si3N4、W等薄膜作掩模層，厚度為100nm。
3、用光刻方法刻蝕掩模層獲得一定的圖形，掩摸區(qū)一般都大于窗口區(qū)。圖形形狀主要有平行長條狀和正六方形。對于平行長條狀，掩摸區(qū)寬度2-20μm，GaN窗口區(qū)寬度0.2-20μm，平行長條狀的開口方向是沿GaN的[1ī00]取向。正六邊形的開口，使GaN的[1ī00]取向垂直于正六邊形的邊。
4、控制V價N原子與III價Ga原子比(33～83∶1)，生長溫度(1030～1100℃)，窗口和掩膜區(qū)的選擇比等，在不同的條件下，在上述圖形GaN籽晶層上HVPE外延GaN厚膜。在圖形籽晶層上也可以直接用MOCVD進行橫向外延及厚膜生長，只是時間遠比HVPE長。
5、另外，上述步驟4也可以這樣進行先在圖形GaN上MOCVD生長GaN，當薄膜長滿整個掩模層后，再采用HVPE生長技術(shù)進行快速生長獲得厚膜。
這樣生長得到的GaN薄膜，位錯密度可以低于106/cm2。
權(quán)利要求
1.橫向外延生長高質(zhì)量氮化鎵薄膜的方法，其特征是用MOCVD、MBE或其他方法生長GaN籽晶層；在GaN籽晶層上沉積SiO2、Si3N4、W等薄膜，利用光刻方法蝕刻出一定的圖形，對于平行長條狀，掩摸區(qū)寬度2-20μm，GaN窗口區(qū)寬度0.2-20μm，平行長條狀的開口方向是沿GaN的[1ī00]取向；對于正六邊形的開口，使GaN的[1ī00]取向垂直于正六邊形的邊，然后用MOCVD或HVPE方法外延生長GaN，直至掩模層被GaN鋪滿，繼續(xù)生長得到低位錯密度氮化鎵薄膜。
2.由權(quán)利要求1所述的橫向外延生長高質(zhì)量氮化鎵薄膜的方法，其特征是V價N原子與III價Ga原子比33～83∶1。
全文摘要
橫向外延生長高質(zhì)量氮化鎵薄膜的方法,用MOCVD、MBE或其他方法生長GaN籽晶層;在GaN籽晶層上沉積SiO
文檔編號C23C16/34GK1389904SQ0211308
公開日2003年1月8日 申請日期2002年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者張 榮, 修向前, 顧書林, 盧佃清, 畢朝霞, 沈波, 江若璉, 施毅, 朱順明, 韓平, 胡立群, 鄭有炓 申請人:南京大學