[发明专利]基于大斜切角蓝宝石衬底外延生长氮化镓的方法及其应用

说明书

本发明提供了一种基于大斜切角蓝宝石衬底外延生长氮化镓的方法，其包括步骤：S1、将斜切角大于0.2°的大斜切角蓝宝石衬底置于外延生长装置中，在大斜切角蓝宝石衬底上依次叠层生长成核层、非故意掺杂GaN层和第一层n型GaN；S2、向外延生长装置中通入NH₃和三甲基镓，控制NH₃和三甲基镓的流量之比大于600，同时控制外延生长装置的腔室压力小于400mbar，以在第一层n型GaN上以大于0.5nm/s的速度生长第二层n型GaN，获得大斜切角蓝宝石‑氮化镓复合结构。本发明的方法通过优化生长工艺，实现了在大斜切角蓝宝石衬底上外延生长高质量的GaN，从而可基于此大斜切角蓝宝石‑氮化镓复合结构的模板生长得到高质量的绿光或黄光波段InGaN量子阱。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体来讲，涉及一种基于大斜切角蓝宝石衬底外延生长氮化镓的方法及其应用。

背景技术

蓝宝石衬底是当前LED(发光二极管)或LD(激光二极管)产业中常用的一种衬底，其价格低廉、技术成熟，相比于昂贵的GaN自支撑衬底，使用更加广泛。通过在蓝宝石衬底上外延生长一段GaN，从而获得了可以用于InGaN生长的GaN衬底，这种蓝宝石-氮化镓复合结构称为模板，其可用于后面的发光器件制作，所以在蓝宝石衬底上外延生长GaN得到的模板是LED及LD产业中必不可少的一项技术。

另外，InGaN是构成当前GaN基发光器件量子阱的核心材料，特别是对于绿光波段以上的长波长器件，高In高质量的InGaN生长更是重要。为了获得足够高的In组分，InGaN的生长温度通常较低且生长速率较快，这就导致原子的迁移长度不够，使得材料的生长模式从台阶流生长模式退化为岛状生长模式；二维岛状形状将导致InGaN量子阱和GaN垒层的界面粗糙，导致发光半宽增大，降低了发光材料的器件性能。通过增加衬底斜切角可以有效减小台面宽度，帮助原子在较小的迁移长度下也能有效并入到台阶扭折(kink)位置，实现低温下的台阶流生长。因此，为了实现台阶流生长，采用大斜切角蓝宝石衬底可以获得高质量的绿光波段InGaN。但是，目前商用的蓝宝石衬底的斜切角一般为0.2°，这是因为更大的斜切角会导致其上生长的GaN出现严重的台阶聚并，从而影响其使用。因此，当前GaN生长工艺都是针对小斜切角(0.2°)蓝宝石衬底而优化的，而在小斜切角上生长的InGaN其晶体质量不高，发光强度和半宽都不好。

因此，探索一种在大斜切角(大于0.2°)蓝宝石衬底上外延生长高质量的GaN是至关重要的，而基于此模板方可生长得到高质量的绿光或黄光波段InGaN量子阱。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于大斜切角蓝宝石衬底外延生长氮化镓的方法，其通过优化生长工艺，实现了在大斜切角蓝宝石衬底上外延生长高质量的GaN，从而可基于此大斜切角蓝宝石-氮化镓复合结构的模板生长得到高质量的绿光或黄光波段InGaN量子阱。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于大斜切角蓝宝石衬底外延生长氮化镓的方法，其特征在于，包括步骤：

S1、将大斜切角蓝宝石衬底置于外延生长装置中，在所述大斜切角蓝宝石衬底上依次叠层生长成核层、非故意掺杂GaN层和第一层n型GaN；其中，所述大斜切角蓝宝石衬底的斜切角大于0.2°；

S2、向所述外延生长装置中通入NH₃和三甲基镓，控制NH₃和三甲基镓的流量之比大于600，同时控制所述外延生长装置的腔室压力小于400mbar，以在所述第一层n型GaN上以大于0.5nm/s的速度生长第二层n型GaN，获得大斜切角蓝宝石-氮化镓复合结构。

进一步地，在所述步骤S2中，控制NH₃的流量为4000sccm～10000sccm，控制三甲基镓的流量为30sccm～150sccm。

进一步地，所述第二层n型GaN的厚度为0.5μm～2μm。