[发明专利]基于m面SiC衬底的非极性m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m面SiC衬底上非极性m面GaN半导体材料的金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长方法，可用于制作非极性m面GaN基的半导体器件。

技术背景

GaN以及III-V族氮化物在光电子器件和微波功率器件领域都取得了巨大的进展，特别是LED已经大规模产业化，GaN材料具有广阔的应用前景和空间，是目前研究的热点。常规的GaN是在极性面c面Al₂O₃和SiC上生长的，GaN基器件的出色性能主要因为AlGaN/GaN异质结界面存在着高密度和高迁移率的二维电子气2DEG，这层2DEG是由于异质结中较大的导带不连续性以及较强的极化效应产生的。但是这种极化效应在光电器件当中是有较大危害的，由于极化引起的内建电场的存在使量子阱能带弯曲，强大的极化电场还会使正负载流子在空间上分离，电子与空穴波函数的交迭变小，使材料的发光效率大大的降低。为了减小极化电场对量子阱发光效率的影响，生长非极性m面GaN成为目前研究的热点。由于缺乏同质外延的衬底，非极性m面GaN可以在m面SiC上进行生长，但是由于非极性m面GaN和m面SiC衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，生长的m面GaN材料较差，生长高质量非极性m面GaN薄膜是制作上述器件的关键。

为了减少缺陷，在m面SiC衬底上生长高质量的非极性m面GaN外延薄膜，许多研究者采用了不同的生长方法。2009年，Qian Sun等人采用金属有机物化学气相淀积的生长方式，在m面SiC衬底上生长了非极性m面GaN材料，参见Effect of NH₃ flow rate on m-plane GaN growth on m-plane SiC by metalorganic chemical vapor deposition，Journal of Crystal Growth V.311，p 3824-3829 2009。但是，这种方法的材料质量较差。2008年，Kwang Choong Kim，等人采用了侧墙横向外延的方法，参见Low extended defect density nonpolar m-plane GaN by sidewall lateral epitaxial overgrowth，APPLIED PHYSICS LETTERS V93 p 142108 2008。但是，这种侧墙横向外延的方法，在生长完非极性m面GaN底板以后，还要进行SiO₂的淀积以及光刻的过程，大大增加了工艺流程，效率较低。

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m面SiC衬底的非极性m面GaN薄膜的MOCVD生长方法，以提高非极性m面GaN外延层的质量，降低工艺复杂度。

实现本发明目的技术关键是：采用多步缓冲层的方式，在m面SiC衬底上分别生长低温AlN成核层，高温AlN层，AlInN层，非极性m面GaN缓冲层，最后生长一非极性m面GaN外延层。具体步骤如下：

(1)将m面SiC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，对衬底进行热处理，反应室的真空度小于2×10^-2Torr，衬底加热温度为950-1250℃，时间为5-15min，反应室压力为20-760Torr；

(2)在热处理后的m面SiC衬底上生长厚度为20-50nm，温度为550-680℃的低温AlN成核层；

(3)在所述低温AlN成核层上生长厚度为100-300nm，温度为1000-1200℃的高温AlN层；

(4)在所述高温AlN层上生长厚度为200-500nm，温度为600-800℃的无应力AlInN插入层；

(5)在所述AlInN插入层之上生长厚度为500-1000nm，镓源流量为10-100μmol/min，氨气流量为1000-10000sccm的高V-III比非极性m面GaN层；

(6)在所述高V-III比非极性m面GaN层之上生长厚度为1000-10000nm，镓源流量为20-200μmol/min，氨气流量为500-5000sccm的低V-III比非极性m面GaN层。

本发明具有如下优点：

1.由于采用多步法生长缓冲层，利用了多次横向外延的思想，同时采用无应变AlInN插入层，所以本发明可以提高非极性m面GaN材料的质量。