[发明专利]基于c面Al2O3衬底上极性c面GaN薄膜的MOCVD生长方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种c面Al₂O₃衬底上极性c面GaN半导体材料的金属有机物化学气相外延MOCVD生长方法，可用于制作极性c面GaN基的半导体器件。

技术背景

III-V族化合物半导体材料，如GaN基、GaAs基、InP基等半导体材料，它们的禁带宽度往往差异较大，因此人们通常利用这些III-V族化合物半导体材料形成各种异质结结构。由于在异质结中异质结界面两侧的III-V族化合物半导体材料的禁带宽度存在较大的差异，使得这些异质结构具有一个共同特点，即在异质结界面附近产生一个量子势阱。对于由III-V族化合物半导体材料所组成的异质结，人们不需要通过对材料进行掺杂，可以直接利用材料的极化效应等特性，在量子势阱中产生高浓度的二维电子气，从而使器件具有较高的电流和载流子迁移率，由于GaN的这种优势，目前GaN相关的材料及器件是目前的研究热点。.但是由于缺乏同质外延的衬底，在c面Al₂O₃上异质外延的c面GaN材料质量较差，同时应力较大，极性c面GaN材料还有非常大的提高空间。

为了减少缺陷，在c面Al₂O₃生长高质量的极性c面GaN外延层，许多研究者采用了不同的生长方法。1998年，Tetsu Kachi，等人采用了InN成核层的方法，参见A new buffer layer for high quality GaN growth by metalorganic vapor phase epitaxy，APPLIED PHYSICS LETTERS V72 p 704-706 1998。但这种方法生长的材料缺陷密度依然很高；2009年，M.J.Kappers，等人采用插入Si_xN的生长方式，在c面蓝宝石衬底上生长了极性c面GaN材料，参见Low dislocation density GaN growth on high-temperature AlN buffer layers on(0001)sapphire，Journal of Crystal Growth V312 p 363-367 2009。但是，这种方法的材料质量依然很差并有很大的应力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于c面Al₂O₃衬底的极性c面GaN薄膜的MOCVD生长方法，提高c面GaN薄膜质量，减小应力，为制作高性能极性c面GaN异质结和发光二极管提供底板。

实现本发明目的技术关键是：采用无应力AlInN成核层，结合两步TiN插入层的方式，在c面Al₂O₃衬底上依次生AlInN成核层，低V-III比极性c面GaN层，第一层TiN层，高V-III比极性c面GaN层，第二层TiN层和高V-III比极性c面GaN层；利用多次横向外延，减小极性c面GaN薄膜的位错密度。实现步骤包括如下：

(1)将c面Al₂O₂衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，对衬底基片进行热处理，反应室的真空度小于2×10^-2Torr，衬底加热温度为900-1200℃，时间为5-10min，反应室压力为20-760Torr；

(2)在热处理后的c面Al₂O₃衬底上生长厚度为100-300nm，温度为700℃的无应力AlInN成核层；

(3)在所述的AlInN成核层之上生长厚度为1000-2000nm，镓源流量为5-100μmol/min，氨气流量为2000-5000sccm的c面低V-III比GaN层；

(4)在所述的c面低V-III比GaN层之上生长1-10nm厚的Ti金属层，并对该Ti金属层进行氮化形成第一层TiN层；

(5)在第一层TiN层之上生长厚度为2000-5000nm，镓源流量为5-100μmol/min，氨气流量为3000-10000sccm的高V-III比c面GaN层；

(6)在所述的c面高V-III比GaN层上生长1-10nm厚的Ti金属层，并对该Ti金属层进行氮化形成第二层TiN层；