一种硅衬底上生长半极性(11-22)面氮化镓的方法

摘要

本发明涉及一种硅图形化衬底上外延生长高质量半极性(11‑22)面氮化镓的方法。本发明通过改进的高温‑低温氮化镓层生长法，先在图形化硅衬底的(1‑11)面上生长一层氮化铝，然后高温生长一层氮化镓填上图形沟槽，最后再低温生长氮化镓，最终得到具有光滑表面的半极性(11‑22)面氮化镓外延层。该方法制得的样品能够有效改善极性面氮化镓具有的量子限制斯塔克效应，减小了量子限制斯塔克效应在光电半导体器件对发光性能的影响。

权利要求

1.一种硅衬底上生长半极性(11‑22)面氮化镓的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）准备好硅图形化衬底，所述硅图形化衬底上设有沟槽和掩膜层SiO2；所述掩膜层SiO2位于硅的(113)面，所述沟槽为沿硅的[21‑1]开设的平行沟槽，且沟槽的长斜边为硅的(1‑

11)面；

2）采用MOCVD的方法在硅的(1‑11)面生长AlN层，生长AlN层的生长温度为1100‑1200℃，生长时间为8‑12min，所述AlN层的Ⅴ/Ⅲ比为600‑800；

3）采用MOCVD的方法，在所述AlN层上高温生长第一层GaN，使第一层GaN刚好填补所述硅图形化衬底的沟槽，高温生长第一层GaN的生长温度为1050‑1150℃，生长时间为50‑

70min，所述第一层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为1200‑1700；

4）在所述第一层GaN上继续低温生长第二层GaN，并使第一层GaN和第二层GaN愈合，最终得到具有光滑表面的半极性(11‑22)面的氮化镓外延层的样品，低温生长第二层GaN的生长温度为1000‑1100℃，生长时间为80‑100min，所述第二层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为1200‑1700。

2.根据权利要求1所述的硅衬底上生长半极性(11‑22)面氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤4）中的氮化镓外延层的表面粗糙度为5‑50nm。

3.根据权利要求2所述的硅衬底上生长半极性(11‑22)面氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤2）4）中的MOCVD的方法具体为：用氢气或氮气携带金属有机化合物(MO)源和N源~以气态的形式输送到反应室进行反应。

4.根据权利要求3所述的硅衬底上生长半极性(11‑22)面氮化镓的方法，其特征在于，所述步骤2）中生长AlN层时，Al源为三甲基铝（TMAl），N源为氨气（NH3）；所述步骤3）和4）中生长GaN时，Ga源为三甲基镓（TMGa），N源为氨气（NH3）。

说明书

一种硅衬底上生长半极性(11‑22)面氮化镓的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体领域，具体涉及一种在图形化硅衬底上，采用改进高温‑低温生长法制备高质量半极性(11‑22)面氮化镓外延层的方法。

背景技术

[0002] 随着照明技术的迅速发展，发光二极管(LED)已经逐步取代了白炽灯，成为我们生活中常用的照明手段。同白炽灯相比，LED具有更高的发光效率并且更加绿色环保。LED的发展离不开以GaN为首的III族氮化物的迅速发展。GaN的晶体质量在很大程度上制约着GaN基LED发光效率的提高。目前，(0001)面GaN材料生长及发光器件的制备工艺日趋成熟，但是仍然存在着两个亟待解决的问题：一个是存在极化效应，另一个是缺乏合适的衬底。

[0003] 现有技术中，氮化镓(11‑22)面一般都生长在蓝宝石衬底上，但是蓝宝石衬底和GaN的晶格失配与热失配较大，并且还存在导电性差和导热率低等问题。因此在蓝宝石衬底上外延生长出来的GaN位错密度较高，同时由于材料硬度高、解理困难使器件加工工艺复杂。另一方面，氮化镓的外延工艺目前以直接生长法为主，这种方法生长出来的GaN上表面并不会完全愈合，依旧影响其使用性能。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不全面性，提出一种硅图形化衬底上外延生长高质量半极性(11‑22)面氮化镓的方法。

[0005] 本发明的一种硅衬底上生长半极性(11‑22)面氮化镓的方法，所述方法包括如下步骤：

[0006] 1)准备好硅图形化衬底，所述硅图形化衬底上设有沟槽和掩膜层SiO2；

[0007] 2)采用MOCVD的方法在硅的(1‑11)面生长AlN层；

[0008] 3)采用MOCVD的方法，在所述AlN层上高温生长第一层GaN，使第一层GaN刚好填补所述硅图形化衬底的沟槽；

[0009] 4)在所述第一层GaN上继续低温生长第二层GaN，并使第一层GaN和第二层GaN愈合，最终得到具有光滑表面的半极性(11‑22)面氮化镓外延层的样品。

[0010] 进一步，所述方法中掩膜层SiO2位于硅的(113)面，所述沟槽为沿硅的[21‑1]开设的平行沟槽，且沟槽的长斜边为硅的(1‑11)面。

[0011] 进一步，所述方法的步骤2)中生长AlN层的生长温度为1100‑1200℃，生长时间为8～12min，所述AlN层的Ⅴ/Ⅲ比为600‑800。

[0012] 进一步，所述方法的步骤3)中高温生长第一层GaN的生长温度为1050‑1150℃，生长时间为50‑70min，所述第一层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为1200‑1700。

[0013] 进一步，所述方法的步骤4)中低温生长第二层GaN的生长温度为1000‑1100℃，生长时间为80‑100min，所述第二层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为1200‑1700。

[0014] 进一步，所述方法的步骤4)中的氮化镓外延层的表面粗糙度为5‑50nm。

[0015] 进一步，所述方法中所述的MOCVD的方法，具体为：用载气(氢气或氮气)携带金属有机化合物(MO)源和N源以气态的形式输送到反应室进行反应。在该方法中，通入的气体分子以扩散的方式到达衬底的表面。在气相中，金属有机化合物可能会与非金属氢化物或有机化合物发生反应，反应生成的加合物会在温度升高时会逐渐分解或气相成核。源分子在扩散过程中会吸附到衬底表面，之后迁移到结晶区。在结晶区的源分子发生化学反应，形成外延层。反应生成的副产物会在生长表面解吸附，通过扩散的方式回到主气流，与部分气相产物一同被载气带出反应室。

[0016] 进一步，所述方法的步骤2)中生长AlN层时，Al源为三甲基铝(TMAl)，N源为氨气(NH3)；所述步骤3)和4)中生长GaN时，Ga源为三甲基镓(TMGa)，N源为氨气(NH3)[0017] 本发明在(113)面的硅衬底上外延生长出了(11‑22)面的氮化镓外延层，其中通过晶相的计算，发现硅衬底的(113)面与(1‑11)面的夹角是58.5°；氮化镓的(11‑22)面与(0001)面的夹角是58.4°，二者十分接近。氮化镓的生长习性是c轴(0001)取向的生长速率远远高于其他晶向，当GaN的(0001)面沿着硅的(1‑11)面方向生长并愈合后，生长出来的GaN外延层的上表面就是(11‑22)面。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0019] 本发明采用的高温‑低温生长法能够生长出高质量的半极性(11‑22)面氮化镓。一方面，本发明所述方法采用硅衬底可以降低成本，且硅材料工艺成熟，操作性，可控性较强，导热导电性都非常良好；另一方面生长出的半极性的氮化镓可以有效降低量子限制斯塔克效应。且经过XRD(从[1‑100]方向照射)检测出了位于69.19°的主峰，代表氮化镓的(11‑22)面；在AFM的测试下的表面粗糙度在纳米量级；在SEM的图中，可以直观地看出具有光滑的表面。

附图说明

[0020] 图1为所述MOCVD的方法示意图；

[0021] 图2为实施例1中所述样品的SEM截面图；

[0022] 图3为实施例1中所述样品的SEM表面图；

[0023] 图4为对比例1中所述样品的SEM截面图；

[0024] 图5为对比例1中所述样品的SEM表面图；

[0025] 图6为对比例2中所述样品的SEM截面图；

[0026] 图7为对比例2中所述样品的SEM表面图；

[0027] 图8为对比例3中所述样品的SEM截面图；

[0028] 图9为对比例3中所述样品的SEM表面图。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0030] 实施例1：

[0031] 本发明的一种硅衬底上生长半极性(11‑22)面氮化镓的方法，包括以下步骤：

[0032] 1)准备好硅图形化衬底；

[0033] 采用KOH腐蚀的方法制备好硅图形化衬底，所述硅图形化衬底包括具有掩膜层(SiO2)的(113)面，具有沿(21‑1)的平行沟槽，且沟槽的长斜边为硅的(1‑11)面；

[0034] 2)采用MOCVD的方法，在硅的(1‑11)面生长AlN层；

[0035] 采用MOCVD的方法，在所述AlN层上高温生长第一层GaN，使第一层GaN刚好填补所述硅图形化衬底的沟槽；

[0036] 4)在所述第一层GaN上继续低温生长第二层GaN，并使第一层GaN和第二层GaN愈合，最终得到具有光滑表面的半极性(11‑22)面氮化镓外延层的样品。

[0037] 如图1所示，所述步骤2)～4)中的MOCVD的方法具体为：用载气(氢气或氮气)携带金属有机化合物(MO)源和N源以气态的形式输送到反应室进行反应。其中，步骤2)中生长AlN层时，Al源为三甲基铝(TMAl)，N源为氨气(NH3)；所述步骤3)和4)中生长GaN时，Ga源为三甲基镓(TMGa)，N源为氨气(NH3)

[0038] 步骤2)中生长AlN层的生长温度为1120℃，生长时间为10min，所述AlN层的Ⅴ/Ⅲ比为700。步骤3)中高温生长第一层GaN的生长温度为1100℃，生长时间为60min，所述第一层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为1500；步骤4)中低温生长第二层GaN的生长温度为1040℃，生长时间为90min，所述第二层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为700。

[0039] 将所制备的具有GaN外延层的样品通过X射线衍射谱仪确定表面的晶向，通过扫描电子显微镜和原子力显微镜检测其表面质量。检测发现，生长出来的氮化镓外延层具有光滑的高质量半极性(11‑22)面，其表面粗糙度仅为6.375，如图2和图3所示。

[0040] 对比例1：本对比例1与实施例1的不同之处仅在于：所述步骤4)中低温生长第二层GaN的生长时间为30min。

[0041] 对比例2：本对比例2与实施例1的不同之处仅在于：所述步骤3)中第一层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为700，所述步骤4)中第二层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为700。

[0042] 对比例3：本对比例3与实施例2的不同之处仅在于：所述步骤3)中第一层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为1500，所述步骤4)中第二层GaN的Ⅴ/Ⅲ比为3000。

[0043] 结合图4～9，从上述实施例和对比例中可以明显看出，增加低温GaN层的生长时间可以促使GaN外延层愈合的更好；增大Ⅴ/Ⅲ比会促进GaN的横向生长，有助于不同条纹上生长的GaN快速愈合；但Ⅴ/Ⅲ比若过大，GaN层就难以愈合，并且会再相互接触的位置上长出其他晶向的晶粒。