專利名稱：基于c面Al₂O₃襯底上極性c面GaN薄膜的MOCVD生長方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領域，涉及半導體材料的生長方法，特別是一種c面Al2O3 襯底上極性c面GaN半導體材料的金屬有機物化學氣相外延MOCVD生長方法，可用于制作 極性c面GaN基的半導體器件。
背景技術(shù)：
III-V族化合物半導體材料，如GaN基、GaAs基、InP基等半導體材料，它們的禁帶 寬度往往差異較大，因此人們通常利用這些III-V族化合物半導體材料形成各種異質(zhì)結(jié)結(jié) 構(gòu)。由于在異質(zhì)結(jié)中異質(zhì)結(jié)界面兩側(cè)的III-V族化合物半導體材料的禁帶寬度存在較大的 差異，使得這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有一個共同特點，即在異質(zhì)結(jié)界面附近產(chǎn)生一個量子勢阱。對于 由III-V族化合物半導體材料所組成的異質(zhì)結(jié)，人們不需要通過對材料進行摻雜，可以直 接利用材料的極化效應等特性，在量子勢阱中產(chǎn)生高濃度的二維電子氣，從而使器件具有 較高的電流和載流子遷移率，由于GaN的這種優(yōu)勢，目前GaN相關的材料及器件是目前的研 究熱點。.但是由于缺乏同質(zhì)外延的襯底，在c面Al2O3上異質(zhì)外延的c面GaN材料質(zhì)量較 差，同時應力較大，極性c面GaN材料還有非常大的提高空間。為了減少缺陷，在c面Al2O3生長高質(zhì)量的極性c面GaN外延層，許多研究者采 用了不同的生長方法。1998年，Tetsu Kachi，等人采用了 InN成核層的方法，參見A new buffer layer for high quality GaN growth by metalorganic vapor phase epitaxy, APPLIED PHYSICS LETTERS V72 ρ 704-706 1998。但這種方法生長的材料缺陷密度依然很 高；2009年，Μ. J. Kappers,等人采用插入SixN的生長方式，在c面藍寶石襯底上生長了極 性 c 面 GaN 材料，參見 Low dislocation density GaN growth on high-temperature AlN buffer layers on(0001)sapphire, Journal of Crystal Growth V312 ρ 363-367 2009。 但是，這種方法的材料質(zhì)量依然很差并有很大的應力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種基于c面Al2O3襯底的極性 c面GaN薄膜的MOCVD生長方法，提高c面GaN薄膜質(zhì)量，減小應力，為制作高性能極性c面 GaN異質(zhì)結(jié)和發(fā)光二極管提供底板。實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)關鍵是采用無應力AlInN成核層，結(jié)合兩步TiN插入層的方 式，在c面Al2O3襯底上依次生AlInN成核層，低V-III比極性c面GaN層，第一層TiN層， 高V-III比極性c面GaN層，第二層TiN層和高V-III比極性c面GaN層；利用多次橫向外 延，減小極性c面GaN薄膜的位錯密度。實現(xiàn)步驟包括如下(1)將c面Al2O2襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，并向反應室 通入氫氣與氨氣的混合氣體，對襯底基片進行熱處理，反應室的真空度小于2 X 10_2Τοπ·，襯 底加熱溫度為900-1200°C，時間為5-lOmin，反應室壓力為20-760Torr ；(2)在熱處理后的c面Al2O3襯底上生長厚度為100-300nm，溫度為700°C的無應力AlInN成核層；(3)在所述的AlInN成核層之上生長厚度為1000-2000nm，鎵源流量為 5-100 μ mol/min，氨氣流量為 2000-5000sccm 的 c 面低 V-III 比 GaN 層；(4)在所述的c面低V-III比GaN層之上生長I-IOnm厚的Ti金屬層，并對該Ti
金屬層進行氮化形成第一層TiN層；(5)在第一層TiN層之上生長厚度為2000-5000nm，鎵源流量為5-100 μ mol/min, 氨氣流量為3000-10000sccm的高V-III比c面GaN層；(6)在所述的c面高V-III比GaN層上生長I-IOnm厚的Ti金屬層，并對該Ti金 屬層進行氮化形成第二層TiN層；(7)在第二層TiN層之上生長厚度為2000-5000nm，鎵源流量為5-100 μ mol/min, 氨氣流量為3000-10000sccm的高V-III比c面GaN層。用上述方法獲得的極性c面GaN薄膜，自下而上依次包括厚度為200-500 μ m 的c面Al2O3襯底層；溫度為700°C，厚度為100-300nm的AlInN無應力成核層；溫度為 950-1IOO0C，厚度為 1000-2000nm 的 GaN層；第一層 I-IOnmTiN層；溫度為 950-1100°C，厚度 為 2000-5000nm 的 GaN 層；第二層 I-IOnmTiN 層；溫度為 950-1100°C，厚度為 2000_5000nm
的GaN層。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.由于采用本發(fā)明所用的無應力AlInN成核層和TiN插入層，材料的質(zhì)量大大提
尚ο2.由于采用本發(fā)明所用的無應力AlInN成核層和TiN插入層，大大降低了材料應 力。本發(fā)明的技術(shù)方案和效果可通過以下附圖和實施例進一步說明。


圖1是本發(fā)明的極性c面GaN薄膜生長流程圖；圖2是本發(fā)明的極性c面GaN薄膜剖面示意圖。
具體實施例方式參照圖1，本發(fā)明給出如下實施例實施例1本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下步驟1，對襯底基片進行熱處理。將c面Al2O3襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，并向反應室通入 氫氣與氨氣的混合氣體，在反應室的真空度小于2X IO-2Torr,襯底加熱溫度為1100°C，時 間為8min，反應室壓力為40Τοπ·的條件下，對襯底基片進行熱處理。步驟2，生長700°C的AlInN成核層。將熱處理后的襯底基片溫度降低為700°C，向反應室通入流量為15 μ mol/min的 鋁源、5 μ mol/min的銦源、流量為1200sCCm氫氣和流量為4000sCCm的氨氣，在保持壓力為 200Torr的條件下生長厚度為200nm的AlInN成核層。
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步驟3，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了 AlInN成核層的基片溫度升高為1000°C，向反應室通入流量為 30ymol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為3000sccm的氨氣，在保持壓力為 40Torr的條件下生長厚度為1500nm的極性c面GaN層。步驟4，生長第一層TiN插入層。將已經(jīng)生長了極性c面GaN層的基片溫度保持在1000°C，向GaN表面淀積厚度為 5nm的第一層Ti層，然后在流量為4000SCCm的氨氣環(huán)境中，在保持壓力為40Torr和1000°C 的條件下氮化8分鐘形成5nm厚的第一層TiN層。 步驟5，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了第一層TiN層的基片溫度保持在1000°C，向反應室通入流量為 40ymol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為6000sccm的氨氣，在保持壓力為 40Torr的條件下生長厚度為3000nm的極性c面GaN層。步驟6，生長第二層TiN插入層。將已經(jīng)生長了極性c面GaN層的基片溫度保持在1000°C，向GaN表面淀積厚度為 5nm的第二層Ti層，然后在流量為4000SCCm的氨氣環(huán)境中，在保持壓力為40Torr和1000°C 的條件下氮化8分鐘形成5nm厚的第二層TiN層。步驟7，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了第二層TiN層的基片溫度保持在1000°C，向反應室通入流量為 40ymol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為6000sccm的氨氣，在保持壓力為 40Torr的條件下生長厚度為3000nm的極性c面GaN層。步驟8，將通過上述過程生長的極性c面GaN材料從MOCVD反應室中取出。通過上述步驟生長出極性c面GaN薄膜結(jié)構(gòu)，如圖2所述，它自下而上依次為厚度 為200-500μπι的c面Al2O3襯底、厚度為200nm的AlInN成核層、厚度為1500nm的極性c 面GaN層、厚度為5nm的第一層TiN層、厚度為3000nm的極性c面GaN層、厚度為5nm的第 二層TiN層和厚度為3000nm的極性c面GaN層。實施例2本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下步驟一，對襯底基片進行熱處理。將c面Al2O3襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，并向反應室通入 氫氣與氨氣的混合氣體，在反應室的真空度小于2X 10_2Τοπ·，襯底加熱溫度為900°C，時間 為5min，反應室壓力為20Τοπ·的條件下，對襯底基片進行熱處理。步驟二，生長700°C的AlInN成核層。將熱處理后的襯底基片溫度降低為700°C，向反應室通入流量為5 μ mol/min的鋁 源、lymol/min的銦源、流量為1200sccm氫氣和流量為3000sccm的氨氣，在保持壓力為 200Torr的條件下生長厚度為IOOnm的Al InN成核層。步驟三，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了 700°C AlInN成核層的基片溫度升高為950°C，向反應室通入流量 為5μ mol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為2000sccm的氨氣，在保持壓力為 20Torr的條件下生長厚度為IOOOnm的極性c面GaN層。
步驟四，生長第一層TiN層。將已經(jīng)生長了極性c面GaN層的基片表面淀積厚度為Inm的第一層Ti層，然后在 流量為3000sCCm的氨氣環(huán)境中，在保持壓力為20Torr和900°C的條件下氮化5分鐘形成 Inm厚的第一層TiN層。步驟五，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了 TiN層的基片溫度升高為950°C，向反應室通入流量為δμπιο /π η 的鎵源、流量為1200SCCm氫氣和流量為3000SCCm的氨氣，在保持壓力為20Torr的條件下 生長厚度為2000nm的極性c面GaN層。步驟六，生長第二層TiN層。將已經(jīng)生長了極性c面GaN層的基片表面淀積厚度為Inm的第二層Ti層，然后在 流量為3000sCCm的氨氣環(huán)境中，在保持壓力為20Torr和900°C的條件下氮化5分鐘形成 Inm厚的第二層TiN層。步驟七，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了第二層TiN層的基片溫度升高為950°C，向反應室通入流量為 5ymol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為3000sccm的氨氣，在保持壓力為 20Torr的條件下生長厚度為2000nm的極性c面GaN層。步驟八，將通過上述過程生長的極性c面GaN材料從MOCVD反應室中取出。通過上述步驟生長出極性c面GaN薄膜結(jié)構(gòu)，如圖2所述，它自下而上依次包括厚 度為200-500 μ m的c面Al2O3襯底、厚度為IOOnm的AlInN成核層、厚度為IOOOnm的極性 c面GaN層、厚度為Inm的第一層TiN層、厚度為2000nm的極性c面GaN層、厚度為Inm的 第二層TiN層、厚度為2000nm的極性c面GaN層。實施例3本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下步驟A，對襯底基片進行熱處理。將面Al2O3襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，并向反應室通入氫 氣與氨氣的混合氣體，在反應室的真空度小于2X IO-2Torr,襯底加熱溫度為1200°C，時間 為lOmin，反應室壓力為760Τοπ·的條件下，對襯底基片進行熱處理。步驟B，生長700°C的AlInN成核層。將熱處理后的襯底基片溫度降低為700°C，向反應室通入流量為100 μ mol/min的 鋁源、20ymol/min的銦源、流量為1200sccm氫氣和流量為lOOOOsccm的氨氣，在保持壓力 為200Torr的條件下生長厚度為300nm的AlInN成核層。步驟C，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了 700°C AlInN成核層的基片溫度升高為1100°C，向反應室通入流量 為100 μ mol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為5000sccm的氨氣，在保持壓力為 760Torr的條件下生長厚度為2000nm的極性c面GaN層。步驟D，生長第一層TiN層。將已經(jīng)生長了極性c面GaN層的基片表面淀積厚度為IOnm的第一層Ti層，然后 在流量為lOOOOsccm的氨氣環(huán)境中，在保持壓力為760Torr和1200°C的條件下氮化10分鐘 形成IOnm厚的第一層TiN層。
步驟E，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了第一層TiN層的基片溫度升高為1100°C，向反應室通入流量為 lOOymol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為lOOOOsccm的氨氣，在保持壓力為 760Torr的條件下生長厚度為5000nm的極性c面GaN層。步驟F，生長第二層TiN層。將已經(jīng)生長了極性c面GaN層的基片表面淀積厚度為IOnm的第二層Ti層，然后 在流量為lOOOOsccm的氨氣環(huán)境中，在保持壓力為760Torr和1200°C的條件下氮化10分鐘 形成IOnm厚的第二層TiN層。 步驟G，生長極性c面GaN層。將已經(jīng)生長了第二層TiN層的基片溫度升高為1100°C，向反應室通入流量為 lOOymol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為lOOOOsccm的氨氣，在保持壓力為 760Torr的條件下生長厚度為5000nm的極性c面GaN層。步驟H，將通過上述過程生長的極性c面GaN材料從MOCVD反應室中取出。通過上述步驟生長出極性c面GaN薄膜結(jié)構(gòu)，如圖2所述，它自下而上依次包括厚 度為200-500 μ m的c面Al2O3襯底、厚度為300nm的AlInN層成核、厚度為2000nm的極性 c面GaN層、厚度為IOnm的第一層TiN層、厚度為5000nm的極性c面GaN層、厚度為IOnm 的第二層TiN層、厚度為5000nm的極性c面GaN層。對于本領域的專業(yè)人員來說，在了解本發(fā)明內(nèi)容和原理后，能夠在不背離本發(fā)明 的原理和范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這 些基于本發(fā)明的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于c面Al2O3襯底的極性c面GaN薄膜的MOCVD生長方法，包括如下步驟(1)將c面Al2O2襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，并向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體，對襯底基片進行熱處理，反應室的真空度小于2×10 2Torr，襯底加熱溫度為900 1200℃，時間為5 10min，反應室壓力為20 760Torr；(2)在熱處理后的c面Al2O3襯底上生長厚度為100 300nm，溫度為700℃的無應力AlInN成核層；(3)在所述的AlInN層之上生長厚度為1000 2000nm，鎵源流量為5 100μmol/min，氨氣流量為2000 5000sccm的c面低V III比GaN層；(4)在所述的c面低V III比GaN層之上生長1 10nm厚的Ti金屬層，并對該Ti金屬層進行氮化形成第一層TiN層；(5)在第一層TiN層之上生長厚度為2000 5000nm，鎵源流量為5 100μmol/min，氨氣流量為3000 10000sccm的高V III比c面GaN層；(6)在所述的c面高V III比GaN層上生長1 10nm厚的Ti金屬層，并對該Ti金屬層進行氮化形成第二層TiN層；(7)在第二層TiN層之上生長厚度為2000 5000nm，鎵源流量為5 100μmol/min，氨氣流量為3000 10000sccm的高V III比c面GaN層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極性c面GaN薄膜的MOCVD生長方法，其中步驟(2)所述 的AlInN層，其生長工藝條件是壓力為200Torr ；鋁源流量為5-100 μ mol/min ；銦源流量 1-20 μ mol/min ；氨氣流量為 3000_10000sccm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極性c面GaN薄膜的MOCVD生長方法，其中步驟(3)所述的 c面GaN層，其生長工藝條件是壓力為20-760Torr ；鎵源流量為5-100 μ mol/min ；氨氣流 量為 2000-5000sccm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極性c面GaN薄膜的MOCVD生長方法，其中步驟(4)所述 的第一層TiN層，其生長工藝條件是溫度為900-1200°C ；時間為5-lOmin ；反應室壓力為 20-760Torr ；氨氣流量為 3000-10000sccm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極性c面GaN薄膜的MOCVD生長方法，其中步驟(5)所述的 GaN層，其生長工藝條件是壓力為20-760Torr ；鎵源流量為5-100 μ mol/min ；氨氣流量為 3000-10000sccm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極性c面GaN薄膜的MOCVD生長方法，其中步驟(6)所述 的第二層TiN層，其生長工藝條件是溫度為900-1200°C ；時間為5-lOmin ；反應室壓力為 20-760Torr ；氨氣流量為 3000-10000sccm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極性c面GaN薄膜的MOCVD生長方法，其中步驟(7)所述的 GaN層，其生長工藝條件是壓力為20-760Torr ；鎵源流量為5-100 μ mol/min ；氨氣流量為 3000-10000sccm。
8.一種基于c面Al2O3襯底的極性c面GaN薄膜，其特征在于自下而上依次包括c面Al2O3襯底層；溫度為700°C AlInN成核層；鎵源流量為5-100ymol/min，氨氣流量為2000-5000sccm的低V-III比GaN層；第一層TiN層；鎵源流量為5-100ymol/min，氨氣流量為3000-10000sccm的高V-III比GaN層；第二層TiN層；鎵源流量為5-100ymol/min，氨氣流量為3000-10000sccm的高V-III比GaN層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述極性c面GaN薄膜，其特征在于所述的AlInN成核層為無應 力層，厚度為100-300nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述極性c面GaN薄膜，其特征在于所述的低V-III比GaN 層厚度為1000-2000nm，所述的TiN層厚度為l-lOnm，所述的高V-III比GaN層厚度為 2000-5000nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于c面A12O3襯底的極性c面GaN薄膜的生長方法，主要解決常規(guī)極性c面GaN材料生長中質(zhì)量較差，應力大的問題。其生長步驟是(1)將c面Al2O2襯底置于MOCVD反應室中，對襯底進行熱處理；(2)在c面Al2O3襯底上生長厚度為100-300nm，溫度為700℃的無應力AlInN成核層；(3)在所述低溫無應力AlInN層之上生長厚度為1000-2000nm，溫度為950-1100℃的GaN層；(4)在所述GaN層之上生長1-10nm的第一層TiN層；(5)在所述第一層TiN層之上生長厚度為2000-5000nm，溫度為950-1100℃的極性c面GaN層；(6)在所述極性c面GaN層之上生長厚度1-10nm的第二層TiN層；(7)在所述第二層TiN層之上生長厚度為2000-5000nm，溫度為950-1100℃的極性c面GaN層。本發(fā)明具有低缺陷，應力小的優(yōu)點，可用于制作極性c面GaN發(fā)光二極管及晶體管。
文檔編號C23C16/44GK101901756SQ20101020932
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者付小凡, 史林玉, 張進成, 張金風, 梁曉禎, 毛維, 許晟瑞, 郝躍 申請人:西安電子科技大學