專利名稱：在圖形化藍寶石襯底上生長氮化鎵薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化鎵(GaN)基m族氮化物的異質(zhì)外延生長方法，特別涉及 一種在圖形化藍寶石襯底(PSS， Patterned Sapphire Substrate)上生長高質(zhì)量 GaN薄膜的方法。
背景技術(shù)：
GaN基m族氮化物是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，因其優(yōu)異的電學(xué)性能和 物理、化學(xué)穩(wěn)定性，是制造發(fā)光二極管(LED, Light Emitting Diode )、短波長 激光器、高功率晶體管、紫外光探測器等的理想材料。盡管GaN基LED早已 實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但目前LED器件的發(fā)光效率仍然較低，有待進一步提高。
藍寶石(A1203)是異質(zhì)外延GaN薄膜最為通用的一種村底材料，但由于 藍寶石與GaN外延層的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的失配，會引發(fā)界面處大量位 錯和缺陷的產(chǎn)生，缺陷密度高達10S-10力cm3,造成栽流子泄露和非輻射復(fù)合 中心增加，從而降低器件的內(nèi)量子效率；另一方面由于GaN材料(折射率為 2.5)和空氣(折射率為1)的折射率差異較大，有源區(qū)產(chǎn)生的光子有70%在 GaN層上下兩個界面處發(fā)生多次全反射，降低了器件的光提取效率。圖形化襯 底技術(shù)通過在襯底表面制作細微結(jié)構(gòu)圖形，圖形的存在有利于GaN外延層中 的應(yīng)力弛豫，且能抑制外延材料生長過程中向上延升的位錯，從而提高器件的 內(nèi)量子效率；而且圖形化襯底能使原本在臨界角范圍外的光線通過圖形的反射 重新進入到臨界角內(nèi)出射，因此提高了光提取效率。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，基于藍寶石村底的低溫生長緩沖層和高溫生長 GaN外延層的"兩步法"工藝是一項成熟技術(shù)。在金屬有機物化學(xué)氣相沉積
(MOCVD， Metalorganic Chemical Vapor Deposition)外延生長GaN材料過程 中，在位監(jiān)控是是監(jiān)測外延材料生長過程、研究生長機制的重要手段，對提高 材料的質(zhì)量起著非常重要的作用。在位監(jiān)控系統(tǒng)中，通過探測一束波長為 635nm的入射激光在GaN表面的反射信號，對GaN材料的生長進行監(jiān)測。 圖1為藍寶石襯底上生長GaN材料的實時反射率曲線。生長主要階段用
i iv分別標(biāo)記(i )低溫緩沖層即成核層生長；(ii )在升溫及退火過程中， 緩沖層高溫重結(jié)晶，在村底上形成具有一定密度的三維小島；(iii)高溫生長 GaN初期，生長模式為三維島狀生長，成核中心的小島在水平與垂直方向同時 生長；(iv)當(dāng)島完全合并后，GaN生長轉(zhuǎn)為二維生長模式進行。GaN的生長 模式對晶體質(zhì)量影響很大，目前基于藍寶石襯底生長GaN材料大多通過在高 溫生長起始階段采用較低V/III比生長工藝，以維持適當(dāng)?shù)娜S生長時間，使晶核充分成長，從而降低外延層的缺陷密度。
PSS的圖案大多是圓形、菱形、六邊形或條形，圖案呈規(guī)則分布，在藍寶
石襯底表面通過干法刻蝕或濕法腐蝕方式制成。由于圖形將^H"底分隔成若干小
區(qū)域，生長過程中原子的表面遷移在圖形邊界處被打斷，所以GaN在分隔的 "臺階"上與"溝道"中獨立生長，這種生長既有橫向分量也有縱向分量，而 且獨立生長的每個區(qū)域的GaN晶體都產(chǎn)生了側(cè)向晶面，橫向和縱向生長速率 比可通過反應(yīng)室生長條件如溫度、壓力、V/III比及氣氛來控制。由此可見， 與普通藍寶石襯底相比，基于PSS的GaN生長模式發(fā)生較大變化，如直接采 用在普通藍寶石襯底上的GaN生長工藝，可能會出現(xiàn)晶體質(zhì)量惡化甚至因不 能形成連續(xù)的GaN薄膜而導(dǎo)致生長失敗的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在圖形化藍寶石襯底上生長氮化鎵薄膜的方
法，該方法通過在生長初期采用低v/m比(氨氣與鎵源摩爾流量比)生長來
改變生長模式，以獲得表面平整及晶體質(zhì)量良好的GaN薄膜。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在GaN初次二維生長運行500—1200秒時，采用 低V/III比生長來改變生長模式。其生長過程可劃分為(i )低溫緩沖層生長、 (ii)重結(jié)晶、(iii)初次三維生長、(iv)初次二維生長、(v )三維生長、(vi) 二維生長階段，其激光實時反射率圖傳呈現(xiàn)二次探底，如圖4所示。
本發(fā)明所述的PSS的圖案可以是圓形、菱形、或六邊形，圖案呈正六邊形 分布，圓形直徑為2.0—6.0Wn，菱形、六邊形邊長為1.0—5.0toi，圖案間距為 1.0—4.0Mm，深度為0.5—2.0Mm。本發(fā)明實施例采用PSS的圖案是呈正六邊形 排列的圓形(立體形貌呈透鏡形狀)，直徑為3.0Wn，相互間距為L5lim，深度 為l.OPm,如圖2、圖3所示。
本發(fā)明采用MOCVD設(shè)備，金屬有機源和氮源分別是外延級三曱基鎵 (TMGa)、 6.5N級氨氣(NH3)， H2為載氣，NH3與Hz總流量為44升/分鐘， 生長壓力為200Torr。
本發(fā)明所述在圖形化藍寶石襯底上生長氮化鎵薄膜的方法，具體步驟為 在1085 °C下用H2高溫烘烤(0001 )面PSS 10分鐘；降溫至525 °C生長厚度 約30nm的氮化鎵緩沖層；在350秒內(nèi)將溫度升至1040°C，并恒溫80秒；生 長GaN層，V/III比為1039,生長時間為600秒；生長GaN層，V/111比為2077, 生長時間為1200秒；生長GaN層，V/III比為100—600，生長時間為200— 800秒；生長GaN層，V/III比為1558,生長時間為2500秒。
原子力顯微鏡(AFM)測得PSS-GaN樣品的均方根粗糙度(RMS )為0.871 nm (觀察范圍為5x5toi)，表明基于PSS生長的GaN薄膜表面平整，適于器 件制作。 —
圖5為PSS-GaN樣品(10T2)面的X射線雙晶衍射(XRD)曲線，其半 峰寬值(FWHM) 301弧秒，表明基于PSS生長的GaN薄膜晶體質(zhì)量良好。生產(chǎn)運行證明以本發(fā)明為基礎(chǔ)的GaN生長工藝可控性和重復(fù)性強，說明 生長工藝窗口寬，適用規(guī)?；a(chǎn)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于直接將藍寶石襯底上生長GaN常規(guī)工藝應(yīng)用于PSS， 可能導(dǎo)致生長失敗，而以本發(fā)明為基礎(chǔ)的GaN生長工藝可控性和重復(fù)性強； AFM和XRD測試結(jié)果表明，基于PSS生長的GaN薄膜表面平整、晶體質(zhì)量 良好。


圖1 藍寶石襯底上生長GaN薄膜的實時反射率曲線，橫坐標(biāo)為時間(秒),
縱坐標(biāo)為激光干涉強度； 圖2本發(fā)明實施例PSS圖案排列俯視圖； 圖3 本發(fā)明實施例PSS圖案排列側(cè)視圖4本發(fā)明實施例GaN薄膜生長實時反射率曲線，橫坐標(biāo)為時間(秒)，
縱坐標(biāo)為激光干涉強度； 圖5 PSS-GaN樣品(10T2)面的X射線雙晶衍射曲線，橫坐標(biāo)為co方向
掃描角度(弧秒)，縱坐標(biāo)為相對強度(計數(shù)值)。
具體實施例方式
采用MOCVD方法生長，H2為載氣，NH3與H2總流量為44升/分鐘，生 長壓力為200Torr,其生長實時反射率曲線參見圖4。
1)將(0001 )面免清洗圖形化藍寶石襯底裝入反應(yīng)室，在H2氣氛下加熱 至1085。C，烘烤10分鐘。
2 )降溫至525 °C生長厚度約30nrn的氮化鎵緩沖層，NH3流量為223毫摩 爾/分4中，TMGa流量為127微摩爾/分鐘(過程i )。
3 )在350秒內(nèi)將溫度升至1040。C，并恒溫80秒(過程ii )。
4)在1040 。C生長GaN層，V/III比為1039, NH3流量為536毫摩爾/分 鐘，TMGa流量為516微摩爾/分鐘，生長時間為600秒(過程iii )。
5 )在1040 。C生長GaN層，V/III比為2077, NH3流量為893毫摩爾/分 鐘，TMGa流量為430微摩爾/分鐘，生長時間為1200秒，對應(yīng)初次二維生長 約900秒(過程iii一 iv)。
6) 在1040。C生長GaN層，V/III比為218, NH3流量為75毫摩爾/分鐘， TMGa流量為344孩傳爾/分鐘，生長時間為550秒(過程v )。
7) 在1040 。C生長GaN層，V/III比為1558, NH3流量為536毫摩爾/分 鐘，TMGa流量為344微摩爾/分鐘，生長時間為2500秒(過程v—vi )。
權(quán)利要求
1、在圖形化藍寶石襯底上生長氮化鎵薄膜的方法，其特征在于氮化鎵生長轉(zhuǎn)入初次二維生長階段500—1200秒時，采用低V/III比生長來改變生長模式，使得氮化鎵外延層的生長模式按低溫緩沖層生長、重結(jié)晶、初次三維生長、初次二維生長、三維生長、二維生長階段進行，其激光實時反射率圖譜呈現(xiàn)二次探底。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在圖形化藍寶石襯底上生長氮化鎵薄膜的方法，其 生長步驟為在1085 。C下用H2烘烤(0001 )面PSS IO分鐘；降溫至525 。C 生長厚度約30nm的氮化鎵緩沖層；在350秒內(nèi)將溫度升至1040°C，并恒溫80 秒；生長GaN層，V/III比為1039,生長時間為600秒；生長GaN層，V/III 比為2077，生長時間為1200秒；生長GaN層，V/III比為100—600，生長時間為200—800秒；生長GaN層，V/III比為1558,生長時間為2500秒。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述在圖形化藍寶石襯底上生長氮化鎵薄膜的方法，其 特征在于，所述圖案可以是圓形、菱形或六邊形，圖案呈正六邊形分布，圓形 直徑為2.0—6.0Mm,菱形、六邊形邊長為1.0—5.0tai，圖案間距為1.0—4.0tai， 深度為0.5—2.0Mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述在圖形化藍寶石村底上生長氮化鎵薄膜的方法，其特 征在于，所述低V/III比生長氮化鎵外延層步驟的生長參數(shù)為V/III比100— 600， NH3流量為40—135毫摩爾/分鐘，TMGa流量為215二400微摩爾/分鐘， 生長時間為200—800秒，生長溫度為1040°C，生長壓力為200Torr 。
全文摘要
本發(fā)明是一種在圖形化藍寶石襯底上生長氮化鎵薄膜的方法。本發(fā)明方法特征是氮化鎵生長轉(zhuǎn)入初次二維生長一段時間后，采用低V/III比生長來改變生長模式，氮化鎵外延層的生長過程包括低溫緩沖層生長、重結(jié)晶、初次三維生長、初次二維生長、三維生長、二維生長階段，其激光實時反射率圖譜呈現(xiàn)二次探底。本發(fā)明的優(yōu)點在于氮化鎵薄膜表面平整、晶體質(zhì)量良好，生長工藝窗口寬。
文檔編號C30B25/16GK101431018SQ200810236950
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者何清華, 昌 劉, 榕 劉, 董彬忠, 陳長清 申請人:武漢華燦光電有限公司