專利名稱：一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在一種新型襯底(302)LiAlO2材料上用量產(chǎn)型MOCVD (金屬有機物化學氣相淀積)技術(shù)生長GaN薄膜的方法，尤其是指利用MOCVD技術(shù)提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法。
背景技術(shù)：
以GaN為代表的新一代半導體材料以其寬直接帶隙(Eg=3.4eV)、高熱導率、高硬度、高化學穩(wěn)定性、低介電常數(shù)、抗輻射等特點獲得了人們的廣泛關(guān)注，在固態(tài)照明、固體激光器、光信息存儲、紫外探測器等領(lǐng)域都有巨大的應用潛力。按中國2002年的用電情況計算，如果采用固態(tài)照明替代傳統(tǒng)光源， 一年可以省下三峽水電站的發(fā)電量，有著巨大的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益；而據(jù)美國能源部測算，到2010年，全美半導體照明行業(yè)產(chǎn)值將達500億美元。在光信息存儲方面，以GaN為基礎(chǔ)的固體藍光激光器可大幅度提高光存儲密度。正因為這些優(yōu)點，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)LEDs已經(jīng)商品化。
襯底材料對于外延薄膜的質(zhì)量有著重要影響。目前GaN體單晶材料生長十分困難，有報道說GaN在壓力為60-70kbar、溫度為2300°C下還不熔化。生長條件通常是高溫高壓，代價昂貴，不利于商業(yè)化，因此目前的應用大多是在c向藍寶石上做異質(zhì)外延。使用c向藍寶石的一個重大缺點是其與GaN薄膜的晶格失配高達13.6%，雖然通過緩沖層技術(shù)可以彌補這一缺點，但是這樣嚴重的失配仍然會導致外延膜中有著高密度的缺陷，從而降低器件效率。另外，GaN薄膜通常是沿著其極性軸c軸方向生長的，由自發(fā)極化和壓電效應而產(chǎn)生的強大的內(nèi)建電場大大地降低了發(fā)光效率。采用新型LiA102襯底有望解決這兩個問題。LiA102襯底與GaN薄膜晶格失配小，只有1.4%，而且在LiA102上生長的是非極性的GaN薄膜，可以消除內(nèi)建電場對于發(fā)光效率的限制作用。
但是，在LiA102襯底上生長非極性面的GaN薄膜很容易出現(xiàn)大小不一的凹坑，這些凹坑的存在一方面降低了薄膜質(zhì)量和表明平整度，另一方面成為來源于LiA102襯底的雜質(zhì)鋰擴散的一個途徑，對于LED器件是非常不利的。
鑒于此，有必要提供一種新的在鋁酸鋰襯底上生長非極性a面GaN薄膜的方法以避免上述問題的存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法，通過生長的阻擋層(SiNx或者Mg3N2)屬于多孔膜結(jié)構(gòu)，可以引起側(cè)向外延，從而降低缺陷密度，提高薄膜質(zhì)量和平整度，阻止雜質(zhì)擴散，從而有可能提高器件的效率。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案l.一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法，其特征在于該方法包括以下步驟
步驟一，生長低溫保護層，在MOCVD系統(tǒng)中，以鋁酸鋰(302)面做襯底，在N2保護下，升溫到800-950°C，在氮氣氣氛下生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr，三甲基鎵TMGa流量為l-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min—3E-4mole/min ;
歩驟二，生長非摻雜GaN層，然后降低壓力至100-300torr，升溫到1000-1100°C在氮氣氣氛下繼續(xù)生長非摻雜U-GaN層，三甲基鎵TMGa流量為10-150sccm，對應于摩爾流量4E-5mol/min—7.5E-4mole/min;
步驟三，生長阻擋層，接著關(guān)閉三甲基鎵TMGa的流量計，通入硅垸SiH4或二茂鎂Cp2Mg，生長一層SiNx層或Mg3N2層，厚度為l-100nm;
步驟四，生長高溫U-GaN層，然后再升溫到1050-1150°C，在氫氣氣氛下生長高溫U-GaN層約lum，三甲基鎵TMGa流量為20-200sccm，對應于摩爾流量8E-5mol/min—1E-3mole/min。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，在進行步驟一生長低溫保護層之前先對鋁酸鋰(302)面襯底在600-900°C下進行表面熱處理。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟三生長的SiNx阻擋層中，l《x《2。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟一中在MOCVD系統(tǒng)中，用鋁酸鋰(302)面做襯底，在N2保護下，升溫到900°C，在氮氣氣氛下生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr , 三甲基鎵 TMGa 流量為 l-50sccm , 對應于摩爾流量4E-6mole/min—3E-4mole/min 。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟三中生長的阻擋層厚度為50nm。
本發(fā)明提供一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法，通過生長的阻擋層(SiNx或者Mg3N2)屬于多孔膜結(jié)構(gòu)，可以引起側(cè)向外延，從而降低缺陷密度，提高薄膜質(zhì)量和平整度，阻止雜質(zhì)擴散，從而有可能提高器件的效率。


圖1是本發(fā)明鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例中a面GaN薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的具體實施步驟
實施例一
一種提高鋁酸鋰(302)面襯底上非極性a(ll-20)面GaN薄膜質(zhì)量的方法，在金屬有機物化 學氣相淀積(MOCVD)系統(tǒng)中，在鋁酸鋰(LiA102) (302)面襯底上，在N2保護下，升溫到 800-950°C，在氮氣氣氛下生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr，三甲基鎵 (TMGa)流量為l-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min—3E-4mole/min ;然后降低壓力 至100-300torr，升溫到1000-1100°C在氮氣氣氛下繼續(xù)生長非摻雜氮化鎵(U-GaN)層，TMGa 流量為10-150sccm，對應于摩爾流量4E-5mol/min—7.5E-4mole/min;接著關(guān)閉TMGa的流 量計，通入硅烷(SiH4)，生長一層SiNx，厚度為l-lOOnm，然后再升溫到1050-1150°C，在 氫氣氣氛下生長高溫U-GaN約lum， TMGa流量為20-200sccm,對應于摩爾流量 8E-5mol/min—lE-3mole/min。生長的SiNx層對于生長缺陷起到了阻擋的作用。參照圖2所示 的效果示意圖。
實施例二
一種提高鋁酸鋰(302)面襯底上非極性a(ll-20)面GaN薄膜質(zhì)量的方法，在金屬有機物化 學氣相淀積(MOCVD)系統(tǒng)中，在鋁酸鋰(LiA102) (302)面襯底上，在Ns保護下，升溫到 800-950°C，在氮氣氣氛下生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr，三甲基鎵 (TMGa)流量為l-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min—3E-4mole/min ;然后降低壓力 至100-300torr，升溫到1000-1100°C在氮氣氣氛下繼續(xù)生長非摻雜氮化鎵(U-GaN)層，TMGa 流量為10-150sccm，對應于摩爾流量4E-5mol/min—7.5E-4mole/min;接著關(guān)閉TMGa的流 量計，通入二茂鎂(Cp2Mg)，生長一層Mg3N2，厚度為l-100nm，然后再升溫到1050-1150°C， 在氫氣氣氛下生長高溫U-GaN約lum， TMGa流量為20-200sccm，對應于摩爾流量 8E-5mol/min—1E-3mole/min。生長的Mg3N2層對于生長缺陷起到了阻擋的作用。
實施例三
一種提高鋁酸鋰(302)面襯底上非極性a(ll-20)面GaN薄膜質(zhì)量的方法，在金屬有機物化 學氣相淀積(MOCVD)系統(tǒng)中，在鋁酸鋰(LiA102) (302)面襯底上，在N2保護下，升溫到 800-950°C，在氮氣氣氛下生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr，三甲基鎵 (TMGa)流量為l-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min—3E-4mole/min ;然后降低壓力 至100-300torr，升溫到1000-1100°C在氮氣氣氛下繼續(xù)生長非摻雜氮化鎵(U-GaN)層，TMGa流量為10-150sccm,對應于摩爾流量4E-5mol/min—7.5E-4mole/min;接著關(guān)閉TMGa的流 量計，通入硅烷(SiH4)或者二茂鎂(Cp2Mg)，生長一層SiNx或者Mg3N2，厚度為50nm， 然后再升溫到1050-1150。C，在氫氣氣氛下生長高溫U-GaN約lum，TMGa流量為20-200sccm， 對應于摩爾流量8E-5mol/min—lE-3mole/min。其中，SiNx層中的l《x《2。生長的SiNx或 者Mg3N2層對于生長缺陷起到了阻擋的作用。
本發(fā)明中涉及的其他工藝條件為常規(guī)工藝條件，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此 不再贅述。
本發(fā)明通過生長阻擋層(SiNx或者Mg3N2)由于阻擋層屬于多孔膜結(jié)構(gòu)，可以引起側(cè)向外 延，從而降低缺陷密度，提高薄膜質(zhì)量和平整度，阻止雜質(zhì)擴散，從而有可能提高器件的效率。
另一方面通過生長低溫保護層，保護鋁酸鋰襯底不被高溫破壞，而高溫U-GaN的目的是 提高薄膜質(zhì)量，改善表面平整度。
上述實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技 術(shù)方案均應涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當中。
權(quán)利要求
1. 一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一，生長低溫保護層在MOCVD系統(tǒng)中，以鋁酸鋰(302)面做襯底，在N2保護下，升溫到800-950℃，在氮氣氣氛下生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr，三甲基鎵TMGa流量為1-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min—3E-4mole/min；步驟二，生長非摻雜GaN層然后降低壓力至100-300torr，升溫到1000-1100℃在氮氣氣氛下繼續(xù)生長非摻雜U-GaN層，三甲基鎵TMGa流量為10-150sccm，對應于摩爾流量4E-5mol/min—7.5E-4mole/min；步驟三，生長阻擋層關(guān)閉三甲基鎵TMGa的流量計，通入硅烷SiH4或二茂鎂Cp2Mg，生長一層SiNx層或Mg3N2層，厚度為1-100nm；步驟四，生長高溫U-GaN層然后再升溫到1050-1150℃，在氫氣氣氛下生長高溫U-GaN層約1um，三甲基鎵TMGa流量為20-200sccm，對應于摩爾流量8E-5mol/min—1E-3mole/min。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法，其特征在于在進行步驟一生長低溫保護層之前先對鋁酸鋰(302)面襯底在600-900°C下進行表面熱處理。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法，其特征在于步驟三中生長的SiNx阻擋層中，l《x《2。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法，其特征在于步驟一中在MOCVD系統(tǒng)中，用鋁酸鋰(302)面做襯底，在N2保護下，升溫到900°C，在氮氣氣氛下生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr，三甲基鎵TMGa流量為l-50sccm,對應于摩爾流量4E-6mole/min—3E-4mole/min 。
5. 如權(quán)利要求1或3所述的一種提高鋁酸鋰襯底上非極性a面GaN薄膜質(zhì)量的方法，其特征在于步驟三中生長的阻擋層厚度為50nm。
全文摘要
一種提高鋁酸鋰(302)面襯底上非極性a(11-20)面GaN薄膜質(zhì)量的方法，在金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD)系統(tǒng)中，在鋁酸鋰(LiAlO₂)(302)面襯底上，在N₂保護下，升溫到800-950℃，在氮氣氣氛下生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr，三甲基鎵(TMGa)流量為1-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min-3E-4mole/min；然后降低壓力至100-300torr，升溫到1000-1100℃在氮氣氣氛下繼續(xù)生長非摻雜氮化鎵(U-GaN)層，TMGa流量為10-150sccm，對應于摩爾流量4E-5mol/min-7.5E-4mole/min；接著關(guān)閉TMGa的流量計，通入硅烷(SiH₄)或者二茂鎂(Cp₂Mg)，生長一層SiNx或者Mg₃N₂阻擋層，厚度為1-100nm，然后再升溫到1050-1150℃，在氫氣氣氛下生長高溫U-GaN約1um，TMGa流量為20-200sccm，對應于摩爾流量8E-5mol/min-1E-3mole/min。通過生長低溫保護層，保護鋁酸鋰襯底不被高溫破壞，而高溫U-GaN的目的是提高薄膜質(zhì)量，改善表面平整度。
文檔編號C30B29/40GK101509144SQ20091004658
公開日2009年8月19日 申請日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者周健華, 周圣明, 李抒智, 楊衛(wèi)橋, 潘堯波, 郝茂盛, 顏建鋒, 馬可軍 申請人:上海藍光科技有限公司;彩虹集團公司;中國科學院上海光學精密機械研究所;上海半導體照明工程技術(shù)研究中心