[发明专利]一种生长富In组分非极性A面InGaN薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及非极性半导体三元化合物薄膜生长技术领域，尤其是一种在无应力的非极性A面GaN模板上外延生长高质量的富In组分非极性A面InGaN薄膜的方法。

背景技术

在过去的几十年间，GaN和相关的InGaN、AlGaN等合金半导体材料取得了巨大的成功，这同时也推动了半导体领域的发光二极管(LEDs)，激光二级管(LDs)和高电子迁移率晶体管(HEMT)的快速发展。特别的，InGaN合金材料由于禁带宽度从0.67eV变到3.4eV(从紫外到红外波段)，几乎覆盖了整个太阳光谱，而且其禁带宽度可以通过In组分的变化连续调节，使之成为光电器件的理想材料。

虽然一般氮化物沿C向外延，但是沿C向存在的自发极化和压电极化造成材料内部较强的内建电场严重的阻碍着相关器件性能的进一步提高。为了减小极化电场对量子阱发光效率的影响，目前生长非极性A面氮化物成为研究的重点。GaN和InN最佳生长条件差异性太大导致外延生长InGaN相当挑战，三元合金很容易发生相分离。C面InGaN的生长条件已经有相关报道，但是非极性InGaN的生长条件有很大不同，并且比较少研究。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种生长富In组分非极性A面InGaN薄膜的方法，该方法利用自组装纳米尺度的横向外延模板生长高质量GaN模板层，再在其上生长高质量富In组分的A面InGaN薄膜。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种生长富In组分非极性A面InGaN薄膜的方法，包括：

步骤1：取一衬底，并在金属有机化学气相外延(MOCVD)设备的反应室中对该衬底进行高温氮化处理；

步骤2：利用MOCVD技术在衬底上生长非极性A面InGaN柔性层和低温GaN成核层，随后对该非极性A面InGaN柔性层和低温GaN成核层进行高温退火，形成自组装纳米尺度的横向外延模板；

步骤3：利用MOCVD技术在横向外延模板上生长非极性A面高温GaN模板层；

步骤4：利用MOCVD技术，用氮气作为载气将铟源、镓源的金属有机化合物和氨气通入反应室，在非极性A面高温GaN模板层上生长InGaN薄膜；

步骤5：关闭铟源和镓源，反应室降到300摄氏度以下关闭氮源，完成非极性A面InGaN薄膜的生长。

上述方案中，步骤1中所述衬底为R面蓝宝石衬底。步骤1中所述对衬底进行高温氮化处理，具体过程是：先在1100摄氏度并且通入氮气的条件下将衬底烘烤20分钟，再使用氮气和氨气的混合载气氮化衬底3分钟。

上述方案中，步骤2中所述利用MOCVD技术在衬底上生长非极性A面InGaN柔性层，具体过程是：利用三甲基铟、三甲基镓和氨气作为反应源，氮气作为载气，在750摄氏度下生长非极性A面InGaN柔性层，生长过程中反应室压强维持在200torr。所述非极性A面InGaN柔性层的厚度为40nm。

上述方案中，步骤2中所述利用MOCVD技术在衬底上生长低温GaN成核层，具体过程是：利用三甲基镓和氨气作为反应源，氮气作为载气，在550摄氏度条件下生长低温非极性A面GaN成核层，生长过程中反应室压强维持在50torr。所述低温非极性A面GaN成核层的厚度为10nm。

上述方案中，步骤2中所述对非极性A面InGaN柔性层和低温GaN成核层进行高温退火，退火温度为1100摄氏度，压强为50torr，时间为5分钟。

上述方案中，步骤3中所述利用MOCVD技术在横向外延模板上生长非极性A面高温GaN模板层，具体过程是：利用三甲基镓和氨气作为反应源，氢气和氮气1∶1混合气体作为载气，在1100摄氏度条件下生长非极性A面高温GaN模板层，生长过程中反应室压强维持在50torr。所述的非极性A面高温GaN模板层的厚度为1μm。

上述方案中，步骤4中所述的铟源、镓源的金属有机化合物为金属有机化学气相外延设备中能够使用的铟源和镓源，包括三甲基铟TMIn和三甲基镓TMGa。