基於a面6H-SiC襯底上非極性a面GaN的MOCVD生長方法

2023-07-22 11:19:06 1

專利名稱：基於a面6H-SiC襯底上非極性a面GaN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，特別是一種基於a面 6H-SiC襯底上非極性a面GaN半導體材料的金屬有機化合物化學氣相澱積MOVCD生長方 法，可用於製作非極性a面GaN基的半導體器件。
背景技術：
由III族元素和V族元素所組成的半導體材料，即III-V族化合物半導體材料， 如GaN、GaAs, 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結構，用以只做各種電子器件。由於在c面GaN上 存在著非常強的自發極化和壓電極化，在c面GaN材料上生長的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，這對功率器件是非常有利的。但是這種極化效應在LED和LD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，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，從而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。在a 面6H_SiC襯底上生長a面GaN是一種可行的方法，但是由於非極性a面GaN和a面6H_SiC 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，在a面6H_SiC襯底上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。2004年，M. D.Craven，等人採用高溫AlN成核層的生長方 式,在a面6H-SiC襯底上生長了非極性a面GaN材料，參見Microstructural evolution of a-plane GaN grown on a—plane SiC by metalorganic chemical vapor deposition, APPLIED PHYSICS LETTERS V 84 ρ 1281-1283 2004。但是，這種方法生長的材料質量和表 面形貌都很差。

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a面6H_SiC襯底的非 極性a面GaN薄膜的MOCVD生長方法，以提高a面GaN薄膜質量和表面形貌。實現本發明目的技術關鍵是採用無應力Al InN成核層和Al InN插入層的方式，在 a面6H-SiC襯底上依次生長無應力Al InN成核層、非極性a面GaN緩衝層、無應力Al InN插 入層和非極性a面GaN外延層；通過調節各層生長的壓力、流量、溫度以及厚度生長條件，提 高非極性a面GaN薄膜的質量和表面形貌。其實現步驟包括如下(1)將a面6H_SiC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，對襯底進行熱處理，反應室的真空度小於2 X 10_2Torr，襯底 加熱溫度為900-1200°C，時間為5-10min，反應室壓力為20_760Torr ；(2)在熱處理後的a面6H-SiC襯底上生長厚度為100_200nm，溫度為600-800°C的無應力AlInN成核層；(3)在所述無應力AlInN成核層之上生長厚度為1000-2000nm，鎵源流量為 5-100ymol/min，氨氣流量為lOOO-lOOOOsccm的高V-III比非極性a面GaN緩衝層；(4)在所述a面GaN緩衝層之上生長厚度為100-500nm，溫度為600-800°C的無應 力AlInN插入層；(5)在所述無應力AlInN插入層之上生長厚度為2000-4000nm，鎵源流量為 50-200 μ mol/min，氨氣流量為1000-3000sccm的低V-III比非極性a面GaN外延層。用上述方法獲得的非極性a面GaN薄膜，自下而上依次包括無應力AlInN成核層， 高V-III比非極性a面GaN緩衝層，無應力AlInN插入層，低V-III比非極性a面GaN外延 層；其特徵在於所述的SiC襯底層上設有無應力的AlInN成核層；所述的GaN緩衝層上設 有無應力的Al InN插入層。本發明具有如下優點1.由於採用無應力的AlInN成核層和插入層，材料的質量大大提高。2.由於採用無應力的AlInN成核層和插入層，材料的形貌得到改善。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是本發明的非極性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。
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，對襯底進行熱處理。將a面6H_SiC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2xio-2Torr，襯底加熱溫度為iioo°c， 時間為8min，反應室壓力為40Torr的條件下，對襯底進行熱處理。步驟2，生長溫度為700°C的無應力AlInN成核層。將熱處理後的襯底溫度降低為700°C，向反應室通入流量為20 μ mol/min的鋁源、 流量為5 μ mol/min的銦源、流量為1200sCCm氫氣和流量為1500sCCm的氨氣，在保持壓力 為200Torr的條件下生長厚度為150nm的Al InN成核層。步驟3，生長非極性a面GaN緩衝層。將已經生長了無應力AlInN成核層的襯底升高到1000°C，向反應室通入流量 為20 μ 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 40Torr的條件下，生長厚度為1500nm的GaN緩衝層。步驟4，生長溫度為7001的無應力六111^插入層。將已經生長了 GaN緩衝層的襯底溫度降低為700°C，向反應室通入流量為 20 μ mol/min的鋁源、5 μ mol/min的銦源、流量為1200sccm氫氣和流量為1500sccm的氨氣，在保持壓力為200Torr的條件下生長厚度為200nm的Al InN插入層。步驟5，生長非極性a面GaN外延層。將已經生長了無應力AlInN插入層的襯底溫度升高為1100°C，向反應室通入流量 為60ymol/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3000nm的非極性a面GaN外延層。步驟6，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。參照圖2，按照本發明上述方法製作的非極性a面GaN薄膜，它自下而上依次是厚 度為200-500 μ m的a面SiC襯底層、厚度為150nm的無應力AlInN成核層、厚度為1500nm 的GaN緩衝層、厚度為200nm的AlInN插入層和厚度為3000nm的非極性a面GaN外延層。實施例2 本發明的實現步驟如下步驟A，對襯底進行熱處理。將a面6H_SiC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900°C，時 間為5min，反應室壓力為20Torr的條件下，對襯底進行熱處理。步驟B，生長溫度為600°C的無應力AlInN成核層。將熱處理後的襯底溫度降低為600°C，向反應室通入流量為5ym0l/min的鋁源、 流量為lymol/min的銦源、流量為1200sCCm氫氣和流量為lOOOsccm的氨氣，在保持壓力 為IOOTorr的條件下生長厚度為IOOnm的AlInN成核層。步驟C，生長非極性a面GaN緩衝層。將已經生長了無應力AlInN成核層的襯底升高到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IOOOsccm的氨氣，在保持壓力為 20Torr的條件下，生長厚度為IOOOnm的a面GaN緩衝層。步驟D，生長溫度為6001的無應力六111^插入層。將已經生長了 a面GaN緩衝層的襯底溫度降低為600°C，向反應室通入流量為 5ymol/min的鋁源、流量為1 μ mol/min的銦源、流量為1200sccm氫氣和流量為IOOOsccm 的氨氣，在保持壓力為IOOTorr的條件下生長厚度為IOOnm的AlInN插入層。步驟E，生長非極性a面GaN外延層。將已經生長了無應力AlInN插入層的溫度升高為1000°C，向反應室通入流量為 50mol/min的鎵源、流量為1200sccm氫氣和流量為IOOOccm的氨氣，在保持壓力為20Torr 的條件下生長厚度為2000nm的非極性a面GaN外延層。步驟F，將通過上述過程生長的非極性a面GaN薄膜從MOCVD反應室中取出。參照圖2，按照本發明上述方法製作的非極性a面GaN薄膜，它自下而上依次是厚 度為200-500 μ m的a面SiC襯底層、厚度為IOOnm的無應力AlInN成核層、厚度為IOOOnm 的a面GaN緩衝層、厚度為IOOnm的AlInN插入層和厚度為2000nm的非極性a面GaN外延層。實施例3 本發明的實現步驟如下步驟一，對襯底進行熱處理。
將a面6H_SiC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2Χ10-2Τοπ·，襯底加熱溫度為1200°C， 時間為lOmin，反應室壓力為760Torr的條件下，對襯底進行熱處理。步驟二，生長溫度為800°C的無應力AlInN成核層。將熱處理後的襯底溫度降低為800°C，向反應室通入流量為ΙΟΟμπιοΙ/min的鋁 源、流量為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300Torr的條件下生長厚度為200nm的Al InN成核層。步驟三，生長非極性a面GaN緩衝層。將已經生長了無應力AlInN成核層的襯底溫度升高到1100°C，向反應室通入流量 為ΙΟΟμπιοΙ/min的鎵源、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2000nm的a面GaN緩衝層。步驟四，生長溫度為800°C的無應力AlInN插入層。將已經生長了 a面GaN緩衝層的襯底溫度降低為800°C，向反應室通入流量為 100 μ mol/min的鋁源、20 μ mol/min的銦源、流量為1200sccm氫氣和流量為lOOOOsccm的 氨氣，在保持壓力為300Torr的條件下生長厚度為500nm的Al InN插入層。步驟五，生長非極性a面GaN外延層。將已經生長了無應力AlInN插入層的襯底溫度升高為1150°C，向反應室通入流 量為200mOl/min的鎵源、流量為1200sCCm氫氣和流量為3000ccm的氨氣，在保持壓力為 200Torr的條件下生長厚度為4000nm的非極性a面GaN外延層。步驟六，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。參照圖2，按照本發明上述方法製作的非極性a面GaN薄膜，它自下而上依次是厚 度為200-500 μ m的a面SiC襯底層、厚度200nm的無應力AlInN成核層、厚度為2000nm的 GaN緩衝層、厚度為500nm的AlInN插入層和厚度為4000nm的非極性a面GaN層。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a面6H SiC襯底的非極性a面GaN薄膜生長方法，包括如下步驟(1)將a面6H SiC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a面6H SiC襯底上生長厚度為100 200nm，溫度為600 800℃的無應力AlInN成核層；(3)在所述無應力AlInN成核層之上生長厚度為1000 2000nm，鎵源流量為5 100μmol/min，氨氣流量為1000 10000sccm的高V III比非極性a面GaN緩衝層；(4)在所述a面GaN緩衝層之上生長厚度為100 500nm，溫度為600 800℃的無應力AlInN插入層；(5)在所述無應力AlInN插入層之上生長厚度為2000 4000nm，鎵源流量為50 200μmol/min，氨氣流量為1000 3000sccm的低V III比非極性a面GaN外延層。
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(2)所述的在a面 6H-SiC襯底上生長的厚度為100-200nm，溫度為600-800°C的無應力AlInN成核層，其工藝 條件如下生長壓力為100-300Torr ；鋁源流量為5-100 μ mol/min ；銦源流量為1-20 μ mol/min ；氨氣流量為lOOO-lOOOOsccm。
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)所述的在無應 力AlInN成核層上生長高V-III比非極性a面GaN緩衝層，其工藝條件如下生長溫度為950-1100°C ；生長壓力為20-200Torr ；鎵源流量為5-100 μ mol/min ；氨氣流量為lOOO-lOOOOsccm。
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⑷所述的在GaN 緩衝層之上生長厚度為100-500nm，溫度為600-800°C的無應力AlInN插入層，其工藝條件 如下生長壓力為100-300Torr ；鋁源流量為5-100 μ mol/min ；銦源流量為1-20 μ mol/min ；氨氣流量為lOOO-lOOOOsccm。
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)所述的在無應 力AlInN插入層之上生長低V-III比非極性a面GaN外延層，其工藝條件如下生長溫度為1000-1150°C ；長壓力為20-200Torr ；鎵源流量為50-200 μ mol/min ；氨氣流量為1000-3000sccm。
6.一種基於a面6H_SiC襯底的非極性a面GaN薄膜，自下而上依次包括a面6H_SiC 襯底層，鎵源流量為5-100 μ mol/min、氨氣流量為lOOO-lOOOOsccm的高V-III比非極性a 面GaN緩衝層，鎵源流量為50-200 μ mol/min、氨氣流量為1000-3000sccm的低V-III比非 極性a面GaN外延層；其特徵在於所述的SiC襯底層上設有無應力的AlInN成核層；所述的 GaN緩衝層上設有無應力的Al InN插入層。
7.根據權利要求6所述的非極性a面GaN薄膜，其特徵在於所述的AlInN成核層厚 度為 100-200nm。
8.根據權利要求6所述的非極性a面GaN薄膜，其特徵在於所述的AlInN插入層厚 度為 100-500nm。
9.根據權利要求6所述的非極性a面GaN薄膜，其特徵在於所述的GaN緩衝層厚度 為 1000-2000nm。
10.根據權利要求6所述的非極性a面GaN薄膜，其特徵在於所述的GaN外延層厚度 為 2000-4000nm。
全文摘要
本發明公開了一種基於a面6H-SiC襯底的非極性a面GaN薄膜生長方法，主要解決常規非極性材料質量差的問題。其生長步驟是(1)將a面6H-SiC襯底置於MOCVD反應室中，並向反應室通入氫氣與氨氣的混合氣體，對襯底進行熱處理；(2)在a面SiC襯底上生長厚度為100-200nm，溫度為600-800℃的無應力AlInN成核層；(3)在所述無應力AlInN成核層之上生長厚度為1000-2000nm，鎵源流量為5-100μmol/min，氨氣流量為1000-10000sccm的高V-III比非極性a面GaN緩衝層；(4)在所述非極性a面GaN緩衝層之上生長厚度為100-500nm，溫度為600-800℃的無應力AlInN插入層；(5)在所述無應力AlInN插入層之上生長厚度為2000-4000nm，鎵源流量為50-200μmol/min，氨氣流量為1000-3000sccm的低V-III比非極性a面GaN外延層。本發明的a面GaN薄膜具有低缺陷的優點，用於製作非極性a面GaN發光二極體。
文檔編號C23C16/44GK101901757SQ20101020932
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, 楊林安, 王昊, 許晟瑞, 郝躍, 陳珂 申請人:西安電子科技大學