基于圖形化襯底的氮化鎵薄膜生長(zhǎng)方法(12月15日)

1、說(shuō) 明 書(shū)在圖形化藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵薄膜的方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及氮化鎵（GaN）基族氮化物的異質(zhì)外延生長(zhǎng)方法，特別涉及一種在圖形化藍(lán)寶石襯底（PSS，Patterned Sapphire Substrate）上生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN薄膜的方法。背景技術(shù)GaN基族氮化物是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，因其優(yōu)異的電學(xué)性能和物理、化學(xué)穩(wěn)定性，是制造發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode）、短波長(zhǎng)激光器、高功率晶體管、紫外光探測(cè)器等的理想材料。盡管GaN基LED早已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但目前LED器件的發(fā)光效率仍然較低，有待進(jìn)一步提高。藍(lán)寶石（Al2O3）是異質(zhì)外延GaN薄膜最為通用的一種襯底

2、材料，但由于藍(lán)寶石與GaN外延層的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的失配，會(huì)引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，缺陷密度高達(dá)1081010/cm3，造成載流子泄露和非輻射復(fù)合中心增加，從而降低器件的內(nèi)量子效率；另一方面由于GaN材料（折射率為2.5）和空氣（折射率為1）的折射率差異較大，有源區(qū)產(chǎn)生的光子有70%在GaN層上下兩個(gè)界面處發(fā)生多次全反射，降低了器件的光提取效率。圖形化襯底技術(shù)通過(guò)在襯底表面制作細(xì)微結(jié)構(gòu)圖形，圖形的存在有利于GaN外延層中的應(yīng)力弛豫，且能抑制外延材料生長(zhǎng)過(guò)程中向上延升的位錯(cuò)，從而提高器件的內(nèi)量子效率；而且圖形化襯底能使原本在臨界角范圍外的光線通過(guò)圖形的反射重新進(jìn)入到臨界角內(nèi)出射，因此

3、提高了光提取效率。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，基于藍(lán)寶石襯底的低溫生長(zhǎng)緩沖層和高溫生長(zhǎng)GaN外延層的“兩步法”工藝是一項(xiàng)成熟技術(shù)。但是與非圖形襯底相比，圖形化襯底表面均勻分布的圖形將使GaN初期的生長(zhǎng)模式發(fā)生較大變化，如直接采用普通藍(lán)寶石襯底上的GaN生長(zhǎng)工藝，可能會(huì)導(dǎo)致GaN薄膜出現(xiàn)表面粗糙、晶體質(zhì)量差的現(xiàn)象，所以基于圖形化襯底的GaN生長(zhǎng)工藝參數(shù)也需要作相應(yīng)的改變。其工藝應(yīng)保證如下要求：a、表面平整；b、晶體質(zhì)量良好。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種在圖形化藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN薄膜的方法，該方法通過(guò)在生長(zhǎng)初期采用低/比（氨氣與鎵源摩爾流量比）生長(zhǎng)來(lái)改變生長(zhǎng)模式，以獲得表面平整及晶體質(zhì)量良

4、好的GaN薄膜。本發(fā)明采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposition）技術(shù)。在MOCVD外延生長(zhǎng)GaN材料過(guò)程中，在位監(jiān)控是是監(jiān)測(cè)外延材料生長(zhǎng)過(guò)程、研究生長(zhǎng)機(jī)制的重要手段，對(duì)提高材料的質(zhì)量起著非常重要的作用。在位監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)探測(cè)一束波長(zhǎng)為635nm的入射激光在GaN表面的反射信號(hào)，對(duì)GaN材料的生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從激光實(shí)時(shí)反射率圖譜可觀察到緩沖層生長(zhǎng)、緩沖層重結(jié)晶、GaN生長(zhǎng)初期階段三維生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S生長(zhǎng)過(guò)程、以及合并后的GaN薄膜的生長(zhǎng)情況。圖1為藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN材料的實(shí)時(shí)反射率曲線。生長(zhǎng)初期的主要階段用分別標(biāo)記：（

5、）低溫緩沖層即成核層生長(zhǎng)；（）在升溫及退火過(guò)程中，緩沖層高溫重結(jié)晶，在襯底上形成具有一定密度的三維小島；（）高溫生長(zhǎng)GaN初期，生長(zhǎng)模式為三維島狀生長(zhǎng)，成核中心的小島在水平與垂直方向同時(shí)生長(zhǎng)；（）當(dāng)島完全合并后，GaN生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為二維生長(zhǎng)模式進(jìn)行。GaN的生長(zhǎng)模式對(duì)晶體質(zhì)量影響很大，目前基于藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)GaN材料大多通過(guò)在高溫生長(zhǎng)起始階段采用低/比生長(zhǎng)，以維持適當(dāng)?shù)娜S生長(zhǎng)時(shí)間，使晶核充分成長(zhǎng)，從而降低外延層的缺陷密度。PSS的圖案大多是圓形、菱形、六邊形或條形，圖案呈規(guī)則分布，在藍(lán)寶石襯底表面通過(guò)干法刻蝕或濕法腐蝕方式制成。由于圖形將襯底分隔成若干小區(qū)域，生長(zhǎng)過(guò)程中原子的表面遷移在圖形邊界處被

6、打斷，所以GaN在分隔的“臺(tái)階”上與“溝道”中獨(dú)立生長(zhǎng)，這種生長(zhǎng)既有橫向分量也有縱向分量，而且獨(dú)立生長(zhǎng)的每個(gè)區(qū)域的GaN晶體都產(chǎn)生了側(cè)向晶面，橫向和縱向生長(zhǎng)速率比可通過(guò)反應(yīng)室生長(zhǎng)條件如溫度、壓力、/比及氣氛來(lái)控制。由此可見(jiàn)，與普通藍(lán)寶石襯底相比，基于PSS的GaN生長(zhǎng)模式發(fā)生較大變化，如直接采用在普通藍(lán)寶石襯底上的GaN生長(zhǎng)工藝，可能會(huì)出現(xiàn)晶體質(zhì)量惡化甚至不能形成連續(xù)的GaN薄膜的現(xiàn)象。為達(dá)到在PSS上生長(zhǎng)出表面平整及晶體質(zhì)量良好的GaN薄膜的目的，應(yīng)根據(jù)PSS上的GaN生長(zhǎng)特點(diǎn)，對(duì)生長(zhǎng)初期的工藝參數(shù)作相應(yīng)改變。本發(fā)明所述的PSS的圖案可以是圓形、菱形、或六邊形，圖案呈正六邊形分布，圓形直徑為

7、2.06.0µm，菱形、六邊形邊長(zhǎng)為1.05.0µm，圖案間距為1.04.0µm，深度為0.52.0µm。本發(fā)明實(shí)施例采用PSS的圖形是呈正六邊形排列的圓形（立體形貌呈透鏡形狀），直徑為3.0µm，相互間距為1.5µm，深度為1.0µm，如圖2所示。本發(fā)明的技術(shù)方案是：在GaN初次二維生長(zhǎng)運(yùn)行5001200秒時(shí)，采用低/比來(lái)改變生長(zhǎng)模式。其生長(zhǎng)過(guò)程可劃分為（）低溫緩沖層生長(zhǎng)、（）重結(jié)晶、（）初次三維生長(zhǎng)、（）初次二維生長(zhǎng)、（）三維生長(zhǎng)、（）二維生長(zhǎng)階段，其激光實(shí)時(shí)反射率圖譜呈現(xiàn)二次探底，如圖3所示。本發(fā)明所述在圖形化藍(lán)寶石襯

8、底上生長(zhǎng)氮化鎵薄膜的方法，具體步驟為：在1085 °C下用H2高溫烘烤（0001）面PSS 10分鐘；降溫至525 °C生長(zhǎng)厚度約30nm的氮化鎵緩沖層；在350秒內(nèi)將溫度升至1040°C，并恒溫80秒；生長(zhǎng)高溫GaN層，/比為1039，生長(zhǎng)時(shí)間為600秒；生長(zhǎng)高溫GaN層，/比為2077，生長(zhǎng)時(shí)間為1200秒；生長(zhǎng)高溫GaN層，/比為100600，生長(zhǎng)時(shí)間為200800秒；生長(zhǎng)高溫GaN層，/比為1558，生長(zhǎng)時(shí)間為2500秒。本發(fā)明采用的金屬有機(jī)源和氮源分別是外延級(jí)三甲基鎵（TMGa）、6.5N級(jí)氨氣（NH3），H2為載氣，NH3與H2總流量為44升/分鐘，生

9、長(zhǎng)壓力為200Torr。原子力顯微鏡（AFM）測(cè)得PSS-GaN樣品的均方根粗糙度（RMS）為0.871 nm（觀察范圍為5×5µm），表明基于PSS生長(zhǎng)的GaN薄膜表面平整，適于器件制作。圖4為PSS-GaN樣品面的X射線雙晶衍射曲線，其半峰寬值（FWHM）301弧秒，表明基于PSS生長(zhǎng)的GaN薄膜晶體質(zhì)量良好。生產(chǎn)運(yùn)行證明以本發(fā)明為基礎(chǔ)的GaN生長(zhǎng)工藝具有較好的可控性和重復(fù)性，說(shuō)明生長(zhǎng)工藝窗口寬，適用規(guī)?；a(chǎn)。附圖說(shuō)明圖1 藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜的實(shí)時(shí)反射率曲線；圖2 本發(fā)明實(shí)施例PSS圖案排列示意圖；圖3 本發(fā)明實(shí)施例GaN薄膜生長(zhǎng)實(shí)時(shí)反射率曲線；圖4 PSS-

10、GaN樣品面的X射線雙晶衍射曲線。具體實(shí)施方式采用MOCVD方法生長(zhǎng)，H2為載氣，NH3與H2總流量為44升/分鐘，生長(zhǎng)壓力為200Torr，其生長(zhǎng)實(shí)時(shí)反射率曲線參見(jiàn)圖3。1）將（0001）面免清洗圖形化藍(lán)寶石襯底裝入反應(yīng)室，在H2氣氛下加熱至1085 °C， 烘烤10分鐘。2）降溫至525 °C生長(zhǎng)厚度約30nm的氮化鎵緩沖層，NH3流量為223毫摩爾/分鐘， TMGa流量為127微摩爾/分鐘（過(guò)程）。3）在350秒內(nèi)將溫度升至1040 °C，并恒溫80秒（過(guò)程）。4）在1040 °C生長(zhǎng)GaN層，/比為1039，NH3流量為536毫摩爾/分鐘，TMG

11、a流量為516微摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間為600秒（過(guò)程）。5）在1040 °C生長(zhǎng)GaN層，/比為2077，NH3流量為893毫摩爾/分鐘，TMGa流量為430微摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間為1200秒，對(duì)應(yīng)初次二維生長(zhǎng)約900秒（過(guò)程）。6）在1040 °C生長(zhǎng)GaN層，/比為218，NH3流量為75毫摩爾/分鐘，TMGa流量為344微摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間為550秒（過(guò)程）。7）在1040 °C生長(zhǎng)GaN層，/比為1558，NH3流量為536毫摩爾/分鐘，TMGa流量為344微摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間為2500秒（過(guò)程）。說(shuō) 明 書(shū) 摘 要本發(fā)明是一種基于圖形化藍(lán)寶石襯底的氮

12、化鎵生長(zhǎng)方法。本發(fā)明方法特征是：氮化鎵生長(zhǎng)轉(zhuǎn)入初次二維生長(zhǎng)一段時(shí)間后，采用低/比生長(zhǎng)來(lái)改變生長(zhǎng)模式，氮化鎵外延層的生長(zhǎng)過(guò)程包括低溫緩沖層生長(zhǎng)、重結(jié)晶、初次三維生長(zhǎng)、初次二維生長(zhǎng)、三維生長(zhǎng)、二維生長(zhǎng)階段，其激光實(shí)時(shí)反射率圖譜呈現(xiàn)二次探底。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：氮化鎵薄膜表面平整、晶體質(zhì)量良好，生長(zhǎng)工藝窗口寬。 圖 1圖 2 圖 3圖 4權(quán) 利 要 求 書(shū)1、在圖形化藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵薄膜的方法, 其特征在于：氮化鎵生長(zhǎng)轉(zhuǎn)入初次二維生長(zhǎng)階段5001200秒時(shí)，采用低/比生長(zhǎng)來(lái)改變生長(zhǎng)模式，使得氮化鎵外延層的生長(zhǎng)模式按低溫緩沖層生長(zhǎng)、重結(jié)晶、初次三維生長(zhǎng)、初次二維生長(zhǎng)、三維生長(zhǎng)、二維生長(zhǎng)階段進(jìn)行，其激光實(shí)時(shí)反射率圖譜呈現(xiàn)二次探底。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述在圖形化藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵薄膜的方法,其特征在于，所述圖案可以是圓形、菱形、或六邊形，圖案呈正六邊形分布，圓形直徑為2.06.0µm，菱形、六邊形邊長(zhǎng)為1.05.0&#