基於r面Al₂O₃襯底上非極性a面GaN薄膜的MOCVD生長方法

2023-10-11 05:01:19

專利名稱：基於r面Al2O3襯底上非極性a面GaN薄膜的MOCVD生長方法
技術領域：
本發明屬於微電子技術領域，涉及半導體材料的生長方法，特別是一種！·面Al2O3 襯底上非極性a面GaN半導體材料的金屬有機物化學氣相外延MOCVD生長方法，可用於制 作非極性a面GaN基的半導體器件。
背景技術：
氮化鎵以及III-V族氮化物在光電子和微電子領域都取得了巨大的進步，這種材 料可以在高溫和比較惡劣的環境下工作，具有非常廣闊的應用前景，是目前研究的熱點。常 規的GaN主要是在極性面c面Al2O3上生長的，由於在c面GaN上存在著非常強的自發極 化和壓電極化，AlGaN/GaN異質結界面存在著高密度和高遷移率的二維電子氣2DEG，所以 不需要摻雜c面上的異質結就存在著非常優異的性能，可以利用這種優勢製作微波功率器 件。但是這種極化效應在光電器件當中是有較大危害的，由於極化引起的內建電場的存在 使能帶彎曲、傾斜，並使能級位置發生變化，強大的極化電場還會使正負載流子在空間上分 離，電子與空穴波函數的交迭變小，使材料的發光效率大大的降低。為了減小極化電場對量 子阱發光效率的影響，目前生長非極性a面氮化鎵成為研究的重點。Al2O3襯底由於具有價 格上的優勢，滿足大批量產業化的要求，所以在r面Al2O3襯底上生長非極性GaN就顯得格 外重要。但是，由於非極性a面GaN和r面Al2O3襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配， 生長的材料較差。所以，生長高質量非極性a面GaN薄膜是製作上述光電器件的關鍵。為了減少缺陷，生長高質量的非極性a面GaN外延層，許多研究者採用了不同的生 長方法。2008年，Arpan Chakraborty,等人採用插入SixN的生長方式，在r面Al2O3襯底
a M GaNDefect reduction in nonpolara-plane GaN films
using in situ SiNx nanomask, APPLIED PHYSICS LETTERS V89 ρ 041903 2006。但是， 這種方法的材料質量依然很差。2007年，Jeng-Jie Huang，等人採用了 LEO和脈衝結合的 方法在 r 面 Al2O3 襯底生長了 a 面 GaN,參見 Improved a-plane GaN quality grown with flow modulation epitaxy and epitaxial lateral overgrowth on r—plane sapphire substrate, APPLIED PHYSICS LETTERS V92 ρ 231902 2008。但是，這種 LEO 和脈衝結合 的方法，在生長完GaN底板以後，還要進行SiO2W澱積以及光刻的過程，大大增加了工藝流 程，效率較低。

發明內容
本發明的目的在於克服上述已有技術的不足，提供一種基於r面Al2O3襯底的非極 性a面GaN薄膜的生長方法，以簡化工藝複雜度，提高生長效率和a面GaN薄膜質量，為制 作高性能非極性a面GaN發光二極體提供底板。實現本發明目的技術關鍵是採用兩步TiN插入層的方式，在r面Al2O3襯底上依 次生長低溫AlN成核層，高溫AlN層，非極性a面GaN層，TiN層，非極性a面GaN層，TiN層和非極性a面GaN層；通過調節各層生長的壓力、流量、溫度以及厚度生長條件，利用多次橫 向外延，減小非極性a面GaN薄膜的位錯密度和生長低缺陷。實現步驟包括如下(1)將r面Al2O2襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室 通入氫氣與氨氣的混合氣體，對襯底基片進行熱處理，反應室的真空度小於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r面Al2O3襯底上生長厚度為20_200nm，溫度為500-650°C的低溫AlN成核 層；(3)在所述低溫AlN成核層上生長厚度為50-200nm，溫度為1000-1150°C的高溫 AlN 層；(4)在所述高溫AlN層之上生長厚度為500-2000nm，溫度為1000-1150°C的高溫 GaN 層；(5)在所述高溫GaN層之上生長一層l-30nm的Ti金屬層，並對該Ti金屬層進行 氮化形成TiN層；(6)在所述TiN層之上生長厚度為500-5000nm，溫度為1000-1150°C的高溫非極性 a面GaN層；(7)重複步驟(5) - (6)，二次生長TiN和GaN層。用上述方法獲得的非極性a面GaN薄膜，自下而上依次包括500-650°C低溫AlN成 核層、1000-1150°C高溫AlN層和1000-1150°C的非極性a面GaN層，其特徵在於a面GaN層 為上中下三層，且下層和中層上各設有厚度為l-30nm的TiN層。本發明具有如下優點1.由於採用本發明所用的兩步TiN插入層，大大降低了非極性a面GaN薄膜中的 各種線位錯密度，有利於降低非輻射複合中心，提高GaN薄膜質量。2.由於採用本發明所用的兩步TiN插入層，所以不需要澱積SiO2和光刻工藝，因 此具有效率高，步驟簡單，重複性強的特點。本發明的技術方案和效果可通過以下附圖和實施例進一步說明。


圖1是本發明非的極性a面GaN薄膜生長流程圖；圖2是本發明的非極性a面GaN薄膜剖面結構示意圖；圖3是本發明的非極性a面GaN薄膜的X射線衍射的測試結果圖；圖4是本發明的非極性a面GaN薄膜的原子力顯微鏡的測試結果圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明給出如下實施例實施例1，本發明的實現步驟如下步驟1，對襯底基片進行熱處理。將r面Al2O3襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室通入 氫氣與氨氣的混合氣體，在反應室的真空度小於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500_650°C低溫AlN成核層。將熱處理後的襯底基片溫度降低為620°C，向反應室通入流量為15ym0l/min的 鋁源、流量為1200SCCm氫氣和流量為1500SCCm的氨氣，在保持壓力為40Torr的條件下生 長厚度為25nm的低溫AlN成核層。步驟3，生長高溫 1000-1150°C AlN 層。將已經生長了 620°C低溫AlN成核層的基片溫度升高到1100°C，向反應室通入流 量為20ymol/min的鋁源、流量為1200sccm氫氣和流量為1500sccm的氨氣，在保持壓力為 40Torr的條件下，生長厚度為IOOnm溫度為1100°C的高溫AlN成核層。步驟4，生長非極性a面GaN層。將已經生長了 1100°C高溫AlN層的基片溫度保持在1020°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1500sccm的氨氣，在保持壓力為 40Torr的條件下生長厚度為IOOOnm的非極性a面GaN層。步驟5，生長TiN插入層。將已經生長了非極性a面GaN層的基片溫度保持在1020°C，向GaN表面澱積厚度 為IOnm的Ti層，然後在流量為1500SCCm的氨氣環境中，在保持壓力為40Torr和1020°C的 條件下氮化10分鐘形成IOnm厚的TiN層。步驟6，生長非極性a面GaN層。將已經生長了 TiN層的基片溫度保持在1020°C，向反應室通入流量為40μπιΟ1/ min的鎵源、流量為1200SCCm氫氣和流量為1500sCCm的氨氣，在保持壓力為40Torr的條件 下生長厚度為2000nm的非極性a面GaN層。步驟7，重複步驟5至步驟6，二次生長TiN插入層和非極性a面GaN層。步驟8，將通過上述過程生長的非極性a面GaN材料從MOCVD反應室中取出。通過上述步驟生長出的非極性a面GaN薄膜結構，如圖2所述，它自下而上依次為 厚度為200-500 μ m的r面Al2O3襯底、厚度為25nm的低溫AlN成核層、厚度為IOOnm的高 溫AlN層、厚度為IOOOnm的非極性a面GaN層、厚度為IOnm的TiN層、厚度為2000nm的非 極性a面GaN層、厚度為IOnm的TiN層和厚度為2000nm的非極性a面GaN層。實施例2 本發明的實現步驟如下 步驟A，對襯底基片進行熱處理。將r面Al2O3襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室通入 氫氣與氨氣的混合氣體，在反應室的真空度小於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B，生長500°C低溫AlN層。將熱處理後的襯底基片溫度降低為500°C，向反應室通入流量為5 μ mol/min的鋁 源、流量為1200SCCm氫氣和流量為lOOOsccm的氨氣，在保持壓力為20Torr的條件下生長 厚度為20nm的低溫AlN成核層。步驟C，生長1000°C高溫AlN層。將已經生長了 500°C低溫AlN成核層的基片溫度升高到1000°C，向反應室通入流 量為5 μ mol/min的鋁源、流量為1200sCCm氫氣和流量為lOOOsccm的氨氣，在保持壓力為20Torr的條件下，生長厚度為50nm溫度為的1000°C高溫AlN成核層。步驟D，生長非極性a面GaN層。將已經生長了 1000°C高溫AlN層的基片溫度保持在1000°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IOOOsccm的氨氣，在保持壓力為 20Torr的條件下生長厚度為500nm的非極性a面GaN層。步驟E，生長TiN層。將已經生長了非極性a面GaN層的基片表面澱積厚度為Inm的Ti層，然後在流量 為lOOOsccm的氨氣環境中，在保持壓力為20Torr和900°C的條件下氮化5分鐘形成Inm厚
TiN 層。 步驟F，生長非極性a面GaN層。將已經生長了 TiN層的基片溫度保持在1000°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lOOOsccm的氨氣，在保持壓力為20Torr的條件下 生長厚度為500nm的非極性a面GaN層。步驟G，重複步驟E至步驟F，二次生長TiN插入層和非極性a面GaN層。步驟H，將通過上述過程生長的非極性GaN材料從MOCVD反應室中取出。通過上述步驟生長出非極性a面GaN薄膜結構，如圖2所述，它自下而上依次包括 厚度為200-500 μ m的r面Al2O3襯底、厚度為20nm的低溫AlN層、厚度為50nm的高溫AlN 層、厚度為500nm的非極性a面GaN層、厚度為Inm的TiN層、厚度為500nm的非極性a面 GaN層、厚度為Inm的TiN層、厚度為500nm的非極性a面GaN層。實施例3 本發明的實現步驟如下步驟I，對襯底基片進行熱處理。將r面Al2O3襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室通入 氫氣與氨氣的混合氣體，在反應室的真空度小於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II，生長500-650°C低溫AlN成核層。將熱處理後的襯底基片溫度降低為650°C，向反應室通入流量為100 μ mol/min的 鋁源、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200nm溫度為650°C低溫AlN成核層。步驟III，生長1000-1150°C高溫 AlN 層。將已經生長了 650°C低溫AlN成核層的基片溫度升高為1150°C，向反應室通入流 量為100 μ mol/min的鋁源、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200nm溫度為1150°C高溫AlN層。步驟IV，生長非極性a面GaN層。將已經生長了高溫AlN層的基片溫度保持在1150°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lOOOOsccm的氨氣，在保持壓力為 760Torr的條件下生長厚度為2000nm的非極性a面GaN層。步驟V，生長TiN層。將已經生長了非極性a面GaN層的基片表面澱積厚度為30nm的Ti層，然後在流量為lOOOOsccm的氨氣環境中，在保持壓力為760Torr和1200°C的條件下氮化30分鐘形成 30nm厚的TiN層。步驟VI，生長非極性a面GaN層。將已經生長了 TiN層的基片溫度保持在1150°C，向反應室通入流量為IOOymol/ 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的非極性a面GaN層。步驟VL重複步驟V至步驟VI，二次生長TiN插入層和非極性a面GaN層。步驟通，將通過上述過程生長的非極性a面GaN材料從MOCVD反應室中取出。通過上述步驟生長出非極性a面GaN薄膜結構，如圖2所述，它自下而上依次包括 厚度為200-500μπι的r面Al2O3襯底、厚度為200nm的低溫AlN層、厚度為200nm的高溫 AlN層、厚度為2000nm的非極性a面GaN層、厚度為30nm的TiN層、厚度為5000nm的非極 性a面GaN層、厚度為30nm的TiN層、厚度為5000nm的非極性a面GaN層。本發明的效果可通過測試結果進一步說明1.測試內容A.用高分辨X射線衍射儀HRXRD對採用本發明兩步TiN插入層的材料和採用現有 無TiN插入層的材料質量分別進行測量，通過X射線衍射的搖擺曲線半高寬反映出材料的 結晶質量，測量結果如圖3所示。B.用原子力顯微鏡AFM對採用本發明兩步TiN插入層的材料和採用現有無TiN插 入層的材料質量分別進行測量，通過AFM的表面形貌反映出材料的結晶質量，測量結果如 圖4所示，其中圖4 (a)為採用兩次TiN插入層方法得到的測試結果，圖4(b)為採用常規方 法得到的測試結果，2.測試結果分析圖3所示的X射線衍射的搖擺曲線表明，採用本發明兩步TiN插入層薄膜的搖擺 曲線的半高寬僅僅為常規技術下薄膜搖擺曲線半高寬的75%，可見本發明採用的TiN插入 層方法大大降低了非極性a面GaN薄膜的線位錯密度，有利於降低非輻射複合中心，提高材 料的發光效率，提高擊穿電壓。圖4(a)所示的AFM測試結果表明，採用本發明兩步TiN插入層薄膜的表面粗糙度 為0. 594nm，而4(b)所示的常規方法生長的薄膜的表面粗糙度為28. 6nm，可見本發明採用 的兩次TiN插入層方法大大降低了非極性a面GaN薄膜中的線位錯密度，改善了了材料的 表面形貌。對於本領域的專業人員來說，在了解本發明內容和原理後，能夠在不背離本發明 的原理和範圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這 些基於本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
一種基於r面Al2O3襯底的非極性a面GaN薄膜生長方法，包括如下步驟(1)將r面Al2O2襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並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，反應室的真空度小於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)在熱處理後的r面Al2O3襯底上生長厚度為20 200nm，溫度為500 650℃的低溫AlN層；(3)在所述低溫AlN層上生長厚度為50 200nm，溫度為1000 1150℃的高溫AlN層；(4)在所述高溫AlN層之上生長厚度為500 2000nm，溫度為1000 1150℃的高溫GaN層；(5)在所述高溫GaN層之上生長一層1 30nm厚的Ti金屬層，並對該Ti金屬層進行氮化形成TiN層；(6)在所述TiN層之上生長厚度為500 5000nm，溫度為1000 1150℃的高溫非極性a面GaN層；(7)重複步驟(5) (6)，二次生長TiN和GaN層。
2.根據權利要求1所述的非極性a面GaN薄膜生長方法，其中步驟⑵所述的低溫AlN 層，採用如下工藝條件生長生長壓力20_760Torr ； 鋁源流量5-100ymol/min ； 氨氣流量1000-10000sccm。
3.根據權利要求1所述的非極性a面GaN薄膜生長方法，其中步驟(3)所述的高溫AlN 層，採用如下工藝條件生長生長壓力20_760Torr ； 鋁源流量5-100ymol/min ； 氨氣流量1000-10000sccm。
4.根據權利要求1所述的非極性a面GaN薄膜生長方法，其中步驟(4)所述的高溫GaN 層，採用如下工藝條件生長生長壓力20_760Torr ； 鎵源流量5_100 μ mol/min ； 氨氣流量1000-10000sccm。
5.根據權利要求1所述的非極性a面GaN薄膜生長方法，其中步驟(5)所述的TiN層， 採用如下工藝條件氮化溫度:900-1200°C ； 時間:5-30min ； 反應室壓力20_760Torr ； 氨氣流量1000-10000sccm。
6.根據權利要求1所述的非極性a面GaN薄膜生長方法，其中步驟(6)所述的高溫GaN 層，採用如下工藝條件生長生長壓力20_760Torr ； 鎵源流量5_100 μ mol/min ；氨氣流量1000-10000sccm。
7.一種基於r面Al2O3襯底的非極性a面GaN薄膜，自下而上依次包括500_650°C的低 溫AlN層、1000-1150°C的高溫AlN層和1000-1150°C的非極性a面GaN層，其特徵在於a面 GaN層為上，中，下三層，且下層和中層上各設有厚度為l-30nm的TiN層。
8.根據權利要求7所述極性非極性a面GaN薄膜，其特徵在於所述的低溫AlN層，厚 度為 20-200nm。
9.根據權利要求7所述極性非極性a面GaN薄膜，其特徵在於所述的高溫AlN層，厚 度為 50-200nm。
10.根據權利要求7所述極性非極性a面GaN薄膜，其特徵在於所述的非極性a面GaN 層，厚度為 1500-12000nm。
全文摘要
本發明公開了一種基於r面Al2O3襯底的非極性a面GaN薄膜的生長方法，主要解決常規非極性材料生長中材料質量、表面形貌較差的問題。其生長步驟是(1)將r面Al2O2襯底置於MOCVD反應室中，對襯底進行熱處理；(2)在r面Al2O3襯底上生長厚度為20-200nm，溫度為500-650℃的低溫AlN層；(3)在所述低溫AlN層之上生長厚度為50-200nm，溫度為1000-1150℃的高溫AlN層；(4)在所述高溫AlN層之上生長厚度為500-2000nm，溫度為1000-1150℃的GaN層；(5)在所述高溫GaN層之上生長1-30nm的TiN層；(6)在所述TiN層之上生長厚度為500-5000nm，溫度為1000-1150℃的GaN層；(7)在所述GaN層之上生長厚度1-30nm的TiN層；(8)在所述TiN層之上生長厚度為500-5000nm，溫度為1000-1150℃的GaN層。本發明具有工藝簡單，低缺陷的優點，可用於製作非極性a面GaN發光二極體。
文檔編號H01L21/205GK101901759SQ20101020956
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月24日 優先權日2010年6月24日
發明者史林玉, 周小偉, 張進成, 楊傳凱, 歐新秀, 許晟瑞, 郝躍, 陳珂 申請人:西安電子科技大學