CN102146585A - 非极性面GaN外延片及其制备方法 - Google Patents

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陈莉
陈霞
熊辉
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Abstract

本发明公开一种非极性面GaN外延片，非极性GaN薄膜利用MOCVD***在蓝宝石衬底上合成生长，该薄膜包括在蓝宝石上一次生长低温缓冲层及a面GaN薄膜。在其上依据不同的期间应用生长不同的外延结构，如发光二极管，激光器，太阳能电池等。本发明可有效地控制非极性a面GaN材料的生长，可提高期间的量子效率及发光效率。

Description

非极性面GaN外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体材料制备领域，尤其是一种非极性面GaN外延片及其制备方法。
背景技术
目前商业上GaN薄膜外延生长的主流衬底是c面蓝宝石晶体.通常，c面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜是沿着其极性轴即c轴方向生长的，薄膜具有自发极化和压电极化效应，导致薄膜内部产生强大的内建电场，大大地降低了GaN薄膜的发光效率。另外，极化电场还带来一个严重的问题：随着注入电流的增大，二极管的发光峰位也会发生较大的蓝移。
解决的方案之一是生长立方结构氮化物异质结。理论表明，纤锌矿氮化镓在垂直[0001]对称轴方向是不存在自发极化的。同时如果在生长平面内部存在切变应力，那么子啊这些方向上的压电极化效应也不讲存在。近年来，科研人员正考虑生长方向垂直于c轴即所谓的非极性GaN薄膜来提高薄膜的量子效率。外延生长非极性GaN薄膜的衬底主要是r面(0112)面蓝宝石和γ-LiAlO2。虽然γ-LiAlO2的(100)面与GaN(1100)面晶格匹配好(平均晶格失配度为1.4％)，但是γ-LiAlO2晶体生长时存在严重的组分挥发，难以获得大尺寸的晶体，且晶体易水解，热稳定性不好，这些缺点极大地限制了γ-LiAlO2衬底的发展。蓝宝石晶体具有物化性能优良，热稳定性好，容易获得大尺寸和价格便宜等优点。虽然蓝宝石与GaN晶格失配和热失配比较大，但是随着蓝宝石衬底加工技术和GaN外延生长工艺的不断改进和提高，在蓝宝石衬底上外延GaN薄膜的工艺日臻成熟，目前已经成功商业化.Craven等首次报道了在r(0112)面蓝宝石上生长非极性GaN薄膜，由于晶格失配较大，生长的薄膜质量较差，缺陷较多(主要是位错和层错)。随着薄膜外延工艺的改进，目前r面蓝宝石作衬底生长得到的非极性GaN薄膜的X射线扫描半峰宽为0.29°，位错密度为2.6×1010cm-2，层错密度为3.8×105cm-2，平均粗糙度为0.46nm，GaN薄膜的发光效率明显提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非极性面GaN外延片，该外延片可以解决上述r面非极性GaN外延生长质量问题，本发明的另目的是提供一种用金属有机化学气相沉积***(MOCVD：Metal-Organic Chemical Vapour Deposition)技术在蓝宝石上异质外延非极性a面GaN薄膜的方法。
本发明的技术方案为：一种非极性面GaN外延片，非极性GaN薄膜利用MOCVD***在蓝宝石衬底上合成生长，该薄膜包括在蓝宝石上一次生长低温缓冲层及a面GaN薄膜。一种非极性面GaN外延片的制备方法包括以下步骤：步骤1：在MOCVD***中，在N2保护下，升温到700℃，在蓝宝石衬底上生长低温Al0.15Ga0.85N缓冲层，V/III比为6000，低温保护压力200乇，TMGa流量64SCCM，TMAl流量36SCCM；步骤2：升温到1050℃，生长a面GaN，TMGa流量64SCCM。生长非极性面GaN薄膜材料用于生长不同的外延结构，在发光二极管，激光器，太阳能电池上应用。
本发明的优点在于：本发明可有效地控制非极性a面GaN材料的生长，可提高期间的量子效率及发光效率。
附图说明
图1是本发明的非极性GaN外延片的生长结果图；
图2是本发明的非极性GaN外延片的X射线2θ/ω测试结果；
图3是本发明的非极性GaN外延片的X射线摇摆曲线半峰宽测试结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一种非极性面GaN外延片的制备方法包括以下步骤：在衬底上生长一层缓冲层；在缓冲层上生长a面GaN薄膜；进一步，所述衬底为r面蓝宝石衬底；进一步，所述缓冲层为金属有机源汽相外延生长的Al0.15Ga0.85N，其中Al源为三甲基铝，镓源为三甲基镓，氢气作为载气；进一步，在所述沉积缓冲层时，生长温度为700℃，V/III比为6000，厚度为20nm。
请参照图1，将免清洗的r面单抛光蓝宝石衬底放入金属有机源汽相外延(MOCVD)材料生长***的生长室，缓慢升温到1200℃，烘烤衬底5分钟后将温度降到700℃，V/III比为6000，生长20nm的Al0.15Ga0.85N缓冲层。然后缓慢升温到1050℃，在NH3气氛条件下退火15分钟后，生长1.5um的GaN。
用此方法甚至的GaN外延片属于(11-20)非极性GaN，对由以上步骤获得的样品进行测试分析。图2是本发明的非极性GaN外延片的X射线2θ/ω测试结果。X射线2θ/ω测试结果结果显示只有狭窄的Al2O3(1-102)，Al2O3(2-204)，GaN(11-20)衍射峰的存在，没有发现(0001)，(10-11)等其他杂相，证明了较好的晶体特性。图3是本发明的非极性GaN外延片的X射线摇摆曲线半峰宽测试结果。外延片的X射线摇摆曲线的双晶半高宽约为0.19°，显示了较好的结果。图4是本发明的非极性GaN外延片的扫描电子显微镜(SEM：scanning electron microscope)表面形貌图。可见膜表面平整，为发现三角坑等晶体缺陷，达到LED器件的基本要求。上述这些结果表面本发明可以在r面蓝宝石上去的质量较好的非极性r面GaN外延片。
以上制作实例为本发明的一半实施方案，制作方法上世纪可采用的制作方案是很多的，凡依照本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种非极性面GaN外延片，非极性GaN薄膜利用金属有机化学气相沉积***在蓝宝石衬底上合成生长，其特征在于：该薄膜包括在蓝宝石上一次生长低温Al0.15Ga0.85N缓冲层及a面GaN薄膜。
2.一种非极性面GaN外延片的制备方法包括以下步骤：步骤1：在MOCVD***中，在N2保护下，升温到700℃，在蓝宝石衬底上生长低温Al0.15Ga0.85N缓冲层，V/III比为6000，低温保护压力200乇，TMGa流量64SCCM，TMAl流量36SCCM；步骤2：升温到1050℃，生长a面GaN，TMGa流量64SCCM。
3.根据权利要求1所述一种非极性面GaN外延片，其特征在于：生长非极性面GaN薄膜材料用于生长不同的外延结构，在发光二极管，激光器，太阳能电池上应用。
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