[发明专利]硅衬底GaN基LED外延生长方法

说明书

本发明提出了一种硅衬底GaN基LED外延生长方法，采用Thomas Swan的LP‑MOCVD系统，选用Si(111)为衬底，三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)及高纯NH3分别为Ga、Al、In及N源，H2和N2为载气，硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别为n型和p型掺杂剂；在生长前要对Si衬底进行清洗，以去除污染物和杂质，获得干净的表面。外延生长出了硅衬底GaN基LED外延片，并采用DCXRD对其结晶质量进行测试分析。结果表明：InGaN/GaN多量子阱的界面较平整,结晶质量较好；同时，采用两种方法计算获得的量子阱周期厚度基本一致。

技术领域

本发明涉及硅衬底GaN基LED外延生长方法。

背景技术

虽然GaN是很理想的半导体器件材料,但一直缺乏合适的衬底,因此一直得不到质量很好的GaN外延层，目前用于器件的GaN材料是通过蓝宝石或SiC衬底外延出来的。可是这两种衬底也存在着明显的不足,蓝宝石是绝缘体,硬度高和导热性差，加工困难；而SiC成本很高，使器件的生产成本很高。如用Si作衬底,相对上述两种衬底材料有着很大的优势，主要有面积大，成本低,高质量，导电、导热性能良好等优点。因此,在Si衬底上生长GaN薄膜的研究受到了广泛关注。但用Si作衬底还存在着很多困难,GaN外延层和Si晶体存在着较大的晶格失配，使外延层出现大量位错；GaN和Si晶体还存在着很大的热失配,在反应结束时从高温下降到室温,这种热失配将在外延层产生巨大的张应力,从而引起外延片的龟裂。为了解决龟裂,采用了各种缓冲层技术，如AlN、GaN、AlGaN、ZnO、GaAs等，以及采用掩膜技术和侧向外延技术等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种硅衬底GaN基LED外延生长方法，采用AlN缓冲层后原位生长SiN掩膜层，随后外延生长高质量GaN薄膜,并在此基础上外延生长出GaN基发光二极管(LED)外延片。

根据上述发明目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种硅衬底GaN基LED外延生长方法，采用Thomas Swan的LP-MOCVD系统，选用Si(111)为衬底，三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)及高纯NH3分别为Ga、Al、In及N源，H2和N2为载气，硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别为n型和p型掺杂剂；在生长前要对Si衬底进行清洗，以去除污染物和杂质，获得干净的表面；

外延生长过程如下：样品1先在1100℃、H2气氛下氢化10min，以清洁硅片表面；在氢化处理后，降温到1060℃生长AlN缓冲层和高温GaN层，在高温GaN层生长过程中两次插入LT-AlN插入层；样品2仅在AlN缓冲层后原位沉积一SiN层，该SiN层作为随后高温GaN外延生长的掩膜层，可降低GaN薄膜的位错密度，其他外延条件与样品1一致，通过SiN层的生长可获得1.7μm无龟裂GaN外延层。

采用原位沉积SiN掩膜层横向外延生长GaN薄膜的方法,获得了1.7μm无裂纹的GaN薄膜，降低了薄膜的位错密度,其(0002)面的FWHM降低到403arcsec，并改善了其表面平整度。在此研究的基础上，外延生长出了硅衬底GaN基LED外延片，并采用DCXRD对其结晶质量进行测试分析。结果表明：InGaN/GaN多量子阱的界面较平整,结晶质量较好；同时，采用两种方法计算获得的量子阱周期厚度基本一致。

附图说明

图1为硅衬底GaN基LED的外延片结构示意图；

图2为样品1、2的DCXRD摇摆曲线；

图3为样品1、2的AFM图像；

图4为InGaN/GaN MQWs的DCXRD(0002)面摇摆曲线；