晶體質(zhì)量可控的氮化鎵薄膜外延生長方法
【專利摘要】一種晶體質(zhì)量可控的氮化鎵薄膜外延生長方法。本發(fā)明所述方法的特征是：在常規(guī)兩步法外延工藝中低溫緩沖層生長之前加入兩層氮化鎵的預(yù)生長，一層是在1050-1120℃烘烤過程中的進(jìn)行氮化鎵預(yù)生長，一層是在1050-1120℃烘烤到500-600℃緩氮化鎵沖層生長的降溫過程中或者在緩沖層生長溫度下進(jìn)行氮化鎵預(yù)生長。通過優(yōu)化這些預(yù)生長層的具體生長方式、溫度、五三比和生長時(shí)間，并優(yōu)化緩沖層的生長溫度，提高在藍(lán)寶石襯底上外延氮化鎵薄膜的晶體質(zhì)量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，通過改變低溫緩沖層的生長溫度和預(yù)生長層的溫度和五三比，能在保證氮化鎵薄膜（002）面X射線衍射曲線半高寬值很低的情況下，平滑調(diào)整（102）面X射線衍射曲線半高寬值。
【專利說明】晶體質(zhì)量可控的氮化鎵薄膜外延生長方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮化鎵(GalliumNitride, GaN)基異質(zhì)外延薄膜的生長方法,特別是一種晶體質(zhì)量可控的氮化鎵薄膜外延生長方法。

【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵材料因其直接帯隙、熱穩(wěn)定性高、電子遷移率大等特性被稱作第三代半導(dǎo)體材料受到了人們的關(guān)注，氮化鎵基發(fā)光二極管(Light EmittingD1de, LED)更因其在照明領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而成為了廣大研究人員以及政府部門的研究熱點(diǎn)。氮化鎵基LED作為白光照明的潛在替換材料具有壽命長、可靠性高、體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、易于調(diào)制和集成等優(yōu)點(diǎn)。然而目前工業(yè)水平的氮化鎵基外延薄膜的晶體質(zhì)量沒有得到很好的控制，影響了 LED芯片發(fā)光效率的提高，對芯片電性能以及散熱也有很大的影響。
[0003]目前工業(yè)上普遍采用“兩步法”工藝在藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長氮化鎵薄膜，采用“兩步法”工藝，即對藍(lán)寶石襯底高溫烘烤之后，降低到530°C左右氮化，然后生長一層低溫氮化鎵作為緩沖層，升溫退火至1030°C再進(jìn)行三維生長，最后過渡到二維生長?！皟刹椒ā惫に嚿L的外延片晶體質(zhì)量具有可控性差的缺點(diǎn)，雖然通過生長參數(shù)，包括溫度、厚度及五三比等的調(diào)節(jié)可以調(diào)整外延片質(zhì)量(由(002)和(102)面X射線衍射曲線半高寬值表現(xiàn))，但這樣的調(diào)整有較大的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，使得晶體質(zhì)量的波動(dòng)比較大，同時(shí)(002)面和(102)面晶體質(zhì)量之間的相互干擾也非常大。研究表明在一定的條件下，(102)面X射線衍射曲線半高寬值較大的情況下，LED具有更高的發(fā)光效率和強(qiáng)度。因此，我們需要便控制氮化鎵薄膜晶體質(zhì)量的生長工藝方法，能穩(wěn)定可調(diào)地控制氮化鎵外延薄膜的晶體質(zhì)量，同時(shí)有效阻止(002)面和(102)面的晶體質(zhì)量的相互干擾。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種晶體質(zhì)量可控的氮化鎵薄膜生長工藝方法。本發(fā)明基于金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD,MetalorganicChemicalVaporDeposit1n)技術(shù)。在外延生長過程中，通過射入635nm激光到外延片表面并監(jiān)測其反射回來的干涉強(qiáng)度曲線可以在線實(shí)時(shí)反映外延片的生長情況。以在平片藍(lán)寶石襯底上采用常規(guī)“兩步法”工藝生長氮化鎵薄膜為例(圖1)，可以從干涉曲線中間接觀察到(i)緩沖層的生長、
(ii)升溫退火重結(jié)晶、(iii)高溫生長初級階段三維生長以及其后的(iv) 二維生長。通過觀察干涉曲線，我們能夠間接的實(shí)時(shí)監(jiān)測氮化鎵外延薄膜的生長狀態(tài)，包括厚度、晶體形態(tài)以及表面狀態(tài)。
[0005]在氮化鎵薄膜的生長過程中，極性面對表面的形態(tài)以及晶體質(zhì)量具有非常大的影響。氮化鎵薄膜具有兩種極性面，分別是-C極性面和+C極性面。-C極性面的氮化鎵薄膜具有六角刻面的特性，而+C極性面則是光滑的表面。生長過程中，界面要保持極性的一致性，同時(shí)各層之間應(yīng)該保持一致的極性面，這樣高溫生長的氮化鎵薄膜才具有光滑的表面和高的晶體質(zhì)量。緩沖層之前的氮化溫度和時(shí)間的選擇、以及緩沖層的五三比等參數(shù)都對極性面的調(diào)整有非常大的影響。低于700°C氮化得到+c極性面氮化鎵薄膜，而高五三比生長緩沖層則得到-C極性面，同時(shí)還要注意到藍(lán)寶石襯底在低溫不容易被氮化，過短的氮化時(shí)間會(huì)導(dǎo)致表面混合極性面的出現(xiàn)，從而使得外延表面不光滑，晶體質(zhì)量也不好把握和調(diào)整。極性面的控制對在平片襯底上的外延生長尤為重要。
[0006]為了達(dá)到上述目的，在常規(guī)的兩步生長方法的基礎(chǔ)上，增加2步氮化鎵的預(yù)生長，其特征在于:在氮化鎵500-60(TC緩沖層生長之前加入兩層氮化鎵的預(yù)生長，一層是在1050-1120°C烘烤過程中的進(jìn)行氮化鎵預(yù)生長，一層是在1050-1120°C烘烤到500-600°C緩氮化鎵沖層生長的降溫過程中或者在緩沖層生長溫度下進(jìn)行氮化鎵預(yù)生長，其生長步驟是:
[0007]步驟1，升溫至1050-1120°C，在H2氣氛中烘烤60-600秒鐘，然后預(yù)生長5-120秒鐘的氮化鎵，摩爾五三比為300-1000。然后再進(jìn)行60-600秒鐘的烘烤；
[0008]步驟2，在1050-1120°C烘烤過程到500-600°C緩氮化鎵沖層生長的降溫過程中或者在緩沖層生長溫度下，進(jìn)行氮化鎵預(yù)生長，摩爾五三比為300-1000，時(shí)間為60-600秒；
[0009]步驟3，在緩沖層生長溫度500-600°C下生長10_40nm厚氮化鎵緩沖層，摩爾五三比為 200-2000 ；
[0010]步驟4，在100-600秒內(nèi)升溫至900-1100°C，并恒溫30-300秒；
[0011]步驟5進(jìn)行高溫氮化鎵的初始生長，即三維生長，生長溫度為900-1100°C，時(shí)間為300-1500 秒；
[0012]步驟6，進(jìn)行氮化鎵三維轉(zhuǎn)二維生長，溫度升至1000-1100°C，時(shí)間為60-1200秒；
[0013]步驟7，進(jìn)行氮化鎵二維生長，生長溫度為1000-1100°C。
[0014]所述氮化鎵的預(yù)生長可以選擇以下三種方式之一進(jìn)行生長:在降溫過程中的500-1050°C溫度下進(jìn)行恒溫生長或者在整個(gè)降溫過程中一個(gè)降溫階段中進(jìn)行連續(xù)變溫生長或者降溫過程完成后進(jìn)行恒溫生長。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:所述方法通過在低溫緩沖層生長之前加入兩層氮化鎵的預(yù)生長，通過調(diào)整這些預(yù)生長層的溫度、厚度和五三比等參數(shù)，使得工藝達(dá)到優(yōu)化和穩(wěn)定，最后基于優(yōu)化的工藝配方，通過改變低溫緩沖層的生長溫度和預(yù)生長層的溫度，能在保證(002)面X射線衍射曲線半高寬值很低的情況下，平滑調(diào)整(102)面X射線衍射曲線半高寬值。采用本發(fā)明在藍(lán)寶石平片襯底和PSS襯底上生長的氮化鎵薄膜都有很好的晶體質(zhì)量和很好的可控性，并且采用本發(fā)明的工藝配方，能在藍(lán)寶石平片襯底上得到非常好的晶體質(zhì)量，接近PSS襯底上生長的外延片的晶體質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為常規(guī)“兩步法”外延工藝生長氮化鎵薄膜實(shí)時(shí)激光干涉強(qiáng)度和溫度曲線圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間(秒);
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)施例氮化鎵薄膜生長實(shí)時(shí)激光干涉強(qiáng)度和溫度曲線圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間(秒)，左邊縱坐標(biāo)為激光干涉強(qiáng)度，右邊縱坐標(biāo)為溫度rc )。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施例:
[0019]實(shí)施例一
[0020]a)在MOCVD設(shè)備中放置滿爐的藍(lán)寶石平片襯底，升溫至1050-1120°C，本實(shí)施例為10800C，在H2氣氛中烘烤60-600秒鐘，本實(shí)施例為270秒鐘，然后預(yù)生長5-120秒鐘的氮化鎵，本實(shí)施例為預(yù)生長30秒鐘氮化鎵(見圖2HT-Predose)，NH3和TMGa的流量分別為49.1毫摩爾/分鐘和71.4微摩爾/分鐘,摩爾五三比為687。然后再進(jìn)行60-600秒鐘的烘烤，本實(shí)施例烘烤210秒鐘。
[0021]b)在1050-1120°C烘烤過程中降溫至730°C，然后再從730°C降溫至555°C的過程中，進(jìn)行500°C至1000°C預(yù)生長(見圖2LT-Predose)，NH3和TMGa的流量分別為49.1毫摩爾/分鐘和71.4微摩爾/分鐘，摩爾五三比為687，時(shí)間為60-600秒，本實(shí)施例時(shí)間為100秒。
[0022]c)在緩沖層生長溫度500-600°C下生長10_40nm厚氮化鎵緩沖層，摩爾五三比為200-2000，本實(shí)施例在555 °C下生長約25nm氮化鎵緩沖層，NH3和TMGa的流量分別為446.0毫摩爾/分鐘和276.3微摩爾/分鐘，摩爾五三比為1614.4。
[0023]d)在100-600秒內(nèi)升溫至900-1100°C，并恒溫30-300秒。本實(shí)施例在300秒內(nèi)升溫至1000°C,并恒溫140秒。
[0024]e)進(jìn)行高溫氮化鎵的初始生長，即三維生長，NH3和TMGa的流量分別為1070.4毫摩爾/分鐘和762.1微摩爾/分鐘，摩爾五三比為1404.6，生長溫度為900-1100°C，本實(shí)施例生長溫度為1000°C，時(shí)間為300-1500秒，本實(shí)施例時(shí)間為1200秒。
[0025]f)進(jìn)行氮化鎵三維轉(zhuǎn)二維生長，溫度升至1000-1100°C，本實(shí)施例溫度升至1030°C,NH3和TMGa的流量分別為1070.4毫摩爾/分鐘和905.0微摩爾/分鐘，摩爾五三比為1182.8，時(shí)間為60-1200秒，本實(shí)施例時(shí)間為420秒。
[0026]g)進(jìn)行氮化鎵二維生長，NH3和TMGa的流量分別為1070.4毫摩爾/分鐘和809.7微摩爾/分鐘，摩爾五三比為1321.9，生長溫度為1000-1100°C，本實(shí)施例生長溫度為1030°C，時(shí)間為4200秒。
[0027]以上實(shí)施例生長過程中采用H2作為載氣，總氣量為72升/分鐘，高溫氮化鎵的生長壓力為256mbar。實(shí)施例中藍(lán)寶石襯底平片外延片表明平滑，同時(shí)晶體質(zhì)量達(dá)到了(002)面的X射線衍射曲線半高寬為237弧秒，(102)面的X射線衍射曲線半高寬為361弧秒，表明氮化鎵外延薄膜晶體質(zhì)量良好。最重要的是，通過調(diào)整所加入的兩個(gè)生長層的溫度和生長，能非常方便可控地將氮化鎵薄膜(102)的X射線衍射曲線半高寬值在361弧秒至500弧秒之間調(diào)整，同時(shí)保證在整個(gè)調(diào)整過程中(002)面的X射線衍射曲線半高寬值都很好的保持在260弧秒以下。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鎵薄膜外延生長方法，在常規(guī)的兩步生長方法的基礎(chǔ)上，增加2步氮化鎵的預(yù)生長，其特征在于:在氮化鎵500-600°C緩沖層生長之前加入兩層氮化鎵的預(yù)生長，一層是在1050-1120°C烘烤過程中的進(jìn)行氮化鎵預(yù)生長，一層是在1050-1120°C烘烤到500-600°C緩氮化鎵沖層生長的降溫過程中或者在緩沖層生長溫度下進(jìn)行氮化鎵預(yù)生長，其生長步驟是: 步驟1，升溫至1050-1120°C，在H2氣氛中烘烤60-600秒鐘，然后預(yù)生長5-120秒鐘的氮化鎵，摩爾五三比為300-1000。然后再進(jìn)行60-600秒鐘的烘烤； 步驟2，在1050-1120°C烘烤過程到500-600°C緩氮化鎵沖層生長的降溫過程中或者在緩沖層生長溫度下，進(jìn)行氮化鎵預(yù)生長，摩爾五三比為300-1000，時(shí)間為60-600秒； 步驟3，在緩沖層生長溫度500-600°C下生長10-40nm厚氮化鎵緩沖層，摩爾五三比為200-2000 ； 步驟4，在100-600秒內(nèi)升溫至900-1100°C，并恒溫30-300秒； 步驟5進(jìn)行高溫氮化鎵的初始生長，即三維生長，生長溫度為900-1100°C，時(shí)間為300-1500 秒； 步驟6，進(jìn)行氮化鎵三維轉(zhuǎn)二維生長，溫度升至1000-1100°C，時(shí)間為60-1200秒； 步驟7，進(jìn)行氮化鎵二維生長，生長溫度為1000-1100°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵薄膜外延生長方法，其特征在于所述氮化鎵的預(yù)生長可以選擇以下三種方式之一進(jìn)行生長:在降溫過程中的500-1050°C溫度下進(jìn)行恒溫生長或者在整個(gè)降溫過程中一個(gè)降溫階段中進(jìn)行連續(xù)變溫生長或者降溫過程完成后進(jìn)行恒溫生長。
【文檔編號】C30B25/02GK104347761SQ201310339724
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月6日
【發(fā)明者】甘志銀, 張榮軍, 汪沛, 嚴(yán)晗 申請人:甘志銀