專利名稱：制備非極性A面GaN薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種制備非極性A面GaN薄膜的方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)屬于第三代半導(dǎo)體材料，屬六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，是半導(dǎo)體照明中發(fā)光二極管、短波長激光器、紫外探測(cè)器及高溫大功率器件的核心組成部分，在工業(yè)上一般采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)來進(jìn)行制備。自然界缺乏天然的GaN體單晶材料，目前的工作主要在藍(lán)寶石、SiC,Si等襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延進(jìn)行的。由于GaN和襯底間的晶格失配和熱失配，導(dǎo)致異質(zhì)外延GaN薄膜中具有高的位錯(cuò)密度，導(dǎo)致其應(yīng)變和應(yīng)力大大提高，從而極大地影響了其性能。以在藍(lán)寶石襯底上生長非極性A-GaN為例，非極性A-GaN與藍(lán)寶石沿GaN
方向的晶格失配為1%，沿[1-100]方向的晶格失配為16%，熱失配分別為-72%和-25 %。從生長溫度降到室溫時(shí)熱失配沿
方向的應(yīng)變?yōu)?2. 6X10_3，而沿[1-100]方向的應(yīng)變?yōu)?I. 8 X 10_3，其相應(yīng)的應(yīng)力分別為-O. 74GPa和-I. IlGPa,因此異質(zhì)外延很難得到結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)異的薄膜。近幾年的研究主要集中在如何提高非極性A面GaN薄膜的外延質(zhì)量上。人們采用了很多方法來提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，例如鋪一層SixN,側(cè)向外延，生長在V-LiAlO2襯底上，用納米柱側(cè)向外延。但是，采用傳統(tǒng)的GaN緩沖層技術(shù)，很難得到結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)異以及表面平整的A-GaN薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題為解決上述的一個(gè)或多個(gè)問題，本發(fā)明提供了一種制備非極性A面GaN薄膜的方法。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種制備非極性GaN薄膜的方法。該方法包括在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜；在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性A面GaN薄膜。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明制備非極性A面GaN薄膜的方法具有以下有益效果(I)ZnO的晶格常數(shù)和GaN很匹配，同時(shí)其楊氏模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GaN，ZnO緩沖層能夠協(xié)調(diào)GaN和藍(lán)寶石之間的晶格失配和熱失配，從而極大的提高了制備的非極性A面GaN薄膜的結(jié)晶質(zhì)量；
(2)由于Zn擴(kuò)散進(jìn)入了藍(lán)寶石襯底，改善了 A-GaN薄膜和R-Al3O2襯底之間的界面狀態(tài)，形成一層有利于增加Ga原子表面擴(kuò)散長度的化學(xué)狀態(tài)的層；
(3)相比于MBE生長技術(shù)，MOCVD材料生長技術(shù)，由于其相對(duì)低廉的成本，已經(jīng)在工業(yè)化生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，本發(fā)明的方法具有高生長速度，達(dá)到O. 6 μ m/hr，同時(shí)生長質(zhì)
量較好。


圖I為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制備非極性A面GaN薄膜的流程圖；圖2為采用圖I所示方法制備的GaN薄膜沿
和[1-100]兩個(gè)方向的搖擺曲線；圖3為采用圖I所示方法制備的GaN薄膜在77K時(shí)的PL譜曲線。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種制備非極性A面GaN薄膜的方法。如圖I所示，該制備非極性A面GaN薄膜的方法包括步驟A :處理襯底；本實(shí)施例中，選用R面藍(lán)寶石作為襯底，當(dāng)然也可以選用SiC、Si等與GaN晶格失配度小于2%的襯底。處理襯底最重要的是清除襯底表面的雜質(zhì)，即清洗步驟。在該清洗步驟中，首先用丙酮超聲10分鐘，用去離子水(DIW)沖洗數(shù)次；然后在H2SO4 HNO3 =1:1的腐蝕液中煮沸10分鐘，用大量離子水(DIW)將襯底沖洗干凈；最后，在放入設(shè)備之前，用紅外燈將襯底烘干。步驟B :在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜；在進(jìn)行沉積之前，需要對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行抽真空處理，需要反復(fù)充抽反應(yīng)室數(shù)次，目的是減少反應(yīng)室內(nèi)部雜質(zhì)分子的影響，其中抽氣的時(shí)候，壓強(qiáng)以IOOTorr左右的數(shù)值減少，不可抽的過猛。再對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行數(shù)次抽真空處理后，向反應(yīng)室內(nèi)充氣以達(dá)到生長所需的壓強(qiáng)，生長過程中反應(yīng)室壓力維持在76Torr，同時(shí)打開加熱開關(guān)，升高溫度至生長溫度550攝氏度，當(dāng)溫度達(dá)到生長溫度后，先在生長溫度下烘烤襯底30分鐘，目的是去除襯底表面吸收的水分子并且激活襯底表面。而后，打開鋅源瓶的控制閥，先開出氣手動(dòng)閥，再開進(jìn)氣手動(dòng)閥，讓鋅源在管道內(nèi)先通一會(huì)，使其在通入反應(yīng)室之前達(dá)到氣流平穩(wěn)。當(dāng)烘烤時(shí)間達(dá)到30分鐘，打開鋅源快門，使鋅源氣流平穩(wěn)的通入反應(yīng)室，利用二乙基鋅和氧氣作為反應(yīng)源，鋅源保存在一個(gè)不銹鋼氣瓶里，其溫度保持在18°C，壓強(qiáng)保持在IOOOTorr，氮?dú)庾鲚d氣，二乙基鋅的流量為221111101/1^11，氧源02的流量為ISLM(標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘)，生長時(shí)間是8分鐘，厚度為50nm。制得的A面ZnO緩沖層在氧氣環(huán)境下保持15分鐘再降至室溫后取出。本實(shí)施例中，采用MOCVD方法制備A面ZnO緩沖薄膜，當(dāng)然也可以采用其他的方法來制備A面ZnO緩沖薄膜，例如化學(xué)氣相沉積法(CVD)、脈沖激光沉積法(PLD)或磁控濺射法等。A面ZnO緩沖薄膜的厚度介于IOnm至IOOnm之間。步驟C，在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性A面GaN薄膜；將制得的A面ZnO薄膜放入氮化物MOCVD設(shè)備中作為襯底，鎵源和氮源分別為三甲基鎵和氨氣，載氣為氮?dú)?，生長溫度為1100°C，生長壓強(qiáng)為60ΤΟ1Γ，鎵源流量為8 μ mol/min,氨氣流量為3SLM，生長時(shí)間為I小時(shí)，生長結(jié)束后測(cè)量樣品厚度為O. 62 μ m。本實(shí)施例中，采用MOCVD方法制備GaN緩沖薄膜，當(dāng)然也可以采用其他的方法來制備非極性A面GaN緩沖薄膜，例如化學(xué)氣相沉積法(CVD)、脈沖激光沉積法(PLD)或磁控濺射法等。
步驟D，在GaN薄膜制備完畢之后，關(guān)閉鎵源，在反應(yīng)室溫度降到300攝氏度以下關(guān)閉氮源，完成A面GaN薄膜的生長。作為對(duì)比，傳統(tǒng)GaN緩沖層生長的樣品沿m軸的搖擺半高寬為1347arcsecond，沿c軸的搖擺半高寬為2372arcsecond。而圖2為采用圖I所示方法制備的GaN薄膜沿
和[1-100]兩個(gè)方向的搖擺曲線。如圖2所示，用ZnO緩沖層生長的A-GaN薄膜中，沿m軸的半高寬為1558arcsecond,沿c軸的半高寬為1263arcsecond,而且沿兩個(gè)不同立體角方向的半高寬的差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的A-GaN緩沖層上生長的樣品的差值。可見，采用ZnO緩沖層生長的樣品，這說明了 ZnO緩沖層上生長的樣品的各向異性得到了很大改善，結(jié)晶質(zhì)量比采用傳統(tǒng)的A-GaN緩沖層生長的薄膜好。圖3為采用圖I所示方法制備的GaN薄膜在77K時(shí)的光致發(fā)光譜(PL)曲線。通過光致發(fā)光譜(PL)可以了解材料的質(zhì)量狀況，由于光致發(fā)光直接測(cè)量了樣品的發(fā)光強(qiáng)度，在相同的測(cè)量條件下，可以對(duì)不同樣品的相對(duì)發(fā)光效率做出對(duì)比，這對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光器件和激光器件材料的檢測(cè)鑒定具有直接的意義。如圖3所示，對(duì)比了 77K時(shí)的有無ZnO緩沖層的兩個(gè)樣品的發(fā)光特性，可以看出，在ZnO緩沖層上生長的樣品其發(fā)光強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)緩沖層上生長的樣品，所以用ZnO緩沖層生長的A-GaN薄膜具有較好的光學(xué)性能。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，包括 在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜； 在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性A面GaN薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述A面ZnO緩沖薄膜的厚度介于IOnm至IOOnm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法制備所述A面ZnO緩沖薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法制備A面ZnO緩沖薄膜的步驟中反應(yīng)源為二乙基鋅和氧氣，載氣為氮?dú)狻?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法來制備A面ZnO緩沖薄膜的步驟中，反應(yīng)參數(shù)為二乙基鋅的流量為22 μ mol/min ;氧源O2的流量為ISLM ;生長溫度為550°C ;反應(yīng)室壓力為76Torr。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法來制備A面ZnO緩沖薄膜的步驟之后還包括 生長溫度和反應(yīng)室壓力保持不變，將制備A面ZnO緩沖薄膜的襯底在反應(yīng)腔的氧氣環(huán)境下保持15分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法來制備A面ZnO緩沖薄膜的步驟之前還包括 將襯底放入反應(yīng)腔后，在550°C下通氮?dú)夂婵疽r底30分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法制備所述非極性A面GaN薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法來制備非極性A面GaN薄膜的步驟中鎵源和氮源分別為三甲基鎵和氨氣；載氣為氮?dú)狻?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法來制備非極性A面GaN薄膜的步驟中，反應(yīng)參數(shù)為三甲基鎵的流量為8μπι01/π η，氨氣的流量為3SLM ;生長溫度為1100°C ;反應(yīng)室壓力為60Torr。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10中任一項(xiàng)所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述襯底與GaN晶格失配度小于2%。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述襯底為R面藍(lán)寶石、SiC或Si。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備非極性GaN薄膜的方法。該方法包括在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜；在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性GaN薄膜。本發(fā)明中，ZnO緩沖層能夠協(xié)調(diào)GaN和襯底之間的晶格失配和熱失配，從而極大的提高了制備的非極性GaN薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01L21/314GK102903614SQ201210311148
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者劉建明, 桑玲, 趙桂娟, 劉長波, 王建霞, 魏鴻源, 焦春美, 劉祥林, 楊少延, 王占國 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所