[发明专利]一种非极性GaN薄膜及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及在一种新型衬底LiAlO₂材料上用量产型MOCVD机台生长非极性GaN薄膜及其生长方法。

背景技术

以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙(Eg＝3.4eV)、高热导率、高硬度、高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点获得了人们的广泛关注，在固态照明、固体激光器、光信息存储、紫外探测器等领域都有巨大的应用潜力。按中国2002年的用电情况计算，如果采用固态照明替代传统光源，一年可以省下三峡水电站的发电量，有着巨大的经济、环境和社会效益；而据美国能源部测算，到2010年，全美半导体照明行业产值将达500亿美元。在光信息存储方面，以GaN为基础的固体蓝光激光器可大幅度提高光存储密度。正因为这些优点，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱结构LEDs已经商品化。

衬底材料对于外延薄膜的质量有着重要影响。目前GaN体单晶材料生长十分困难，有报道说GaN在压力为60-70kbar、温度为2300℃下还不熔化。生长条件通常是高温高压，代价昂贵，不利于商业化，因此目前的应用大多是在c向蓝宝石上做异质外延。使用c向蓝宝石的一个重大缺点是其与GaN薄膜的晶格失配高达13.6％，虽然通过缓冲层技术可以弥补这一缺点，但是这样严重的失配仍然会导致外延膜中有着高密度的缺陷，从而降低器件效率。另外，GaN薄膜通常是沿着其极性轴c轴方向生长的，由自发极化和压电效应而产生的强大的内建电场大大地降低了发光效率。采用新型LiAlO₂衬底有望解决这两个问题。LiAlO₂衬底与GaN薄膜晶格失配小，只有1.4％，而且在LiAlO₂上生长的是非极性的GaN薄膜，可以消除内建电场对于发光效率的限制作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：提供一种非极性GaN薄膜的生长方法，其利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长非极性GaN薄膜。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种非极性GaN薄膜的生长方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：在MOCVD系统中，在N₂保护下，升温到800-900℃，在铝酸锂衬底上生长低温保护层，低温保护层压力150-500torr，TMGa流量1-50sccm，对应于摩尔流量：4E-6mole/min-3E-4mole/min。

步骤二：降低压力至100-300torr，升温到1000-1100℃生长U-GaN层，TMGa流量10-200sccm，对应于摩尔流量：4E-5mol/min-1E-3mole/min

步骤三：再升温到1150-1200℃，在这个温度下生长高温U-GaN层100nm；

步骤四：再降温到1000-1100℃生长另一U-GaN层。

作为本发明的一种优选方案之一，在步骤一中，在生长开始之前，首先对铝酸锂衬底表面在600-900℃下进行原位热处理。

综上所述，本发明提供一种非极性GaN薄膜及其生长方法，其利用MOCVD系统在LiAlO₂衬底上合成生长非极性GaN薄膜，通过生长低温保护层，保护铝酸锂衬底不被高温破坏，高温U-GaN层可改善生长的GaN的表面平整度。

附图说明

图1是本发明生长流程中工艺条件示意图；

图2是本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤：

一种非极性GaN薄膜，其利用MOCVD系统在铝酸锂衬底上合成生长，该薄膜包括铝酸锂衬底上依次生长的低温保护层、U-GaN层、高温U-GaN层及另一U-GaN层。

一种非极性GaN薄膜的生长方法，在MOCVD系统中，在N₂保护下，(可以在600-900℃进行原位热处理，也可以不处理)升温到800-900℃，生长低温保护层，低温保护层压力比较高(150-500torr)，TMGa流量比较低(1-50sccm，对应于摩尔流量：4E-6mole/min-3E-4mole/min)，然后降低压力(100-300torr)，升温到1000-1100℃继续生长U-GaN层，TMGa流量比较高(10-200sccm，，对应于摩尔流量：4E-5mol/min-1E-3mole/min)，然后再升温到1150-1200℃，生长约100nm，然后再降温到1000-1100℃生长U-GaN。