[发明专利]基于Al2O3衬底的GaN薄膜的生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种Al₂O₃衬底上GaN薄膜的外延生长方法，可用于制作GaN基的半导体器件。

技术背景

GaN材料由于其宽禁带、高电子漂移速度、以及可以与其他氮化物如AlGaN形成异质结等特点而广泛用于制备半导体器件，如GaN基发光二极管、半导体激光器、探测器、异质结双极晶体管和微波大功率晶体管。生长高质量GaN薄膜是制作上述器件的关键，GaN薄膜通常是在晶格不匹配的异质衬底上用金属有机物化学气相淀积MOCVD、分子束外延MBE或氢化物气相外延HVPE等方法外延生长。目前较多使用的衬底有Al₂O₃、SiC和Si。虽然SiC与GaN具有非常接近的晶格参数，容易在其上生长出特性优良的GaN外延层，但是昂贵的价格制约了其广泛的使用。对于Al₂O₃和Si，由于它们与GaN之间存在较大的晶格失配和热失配，在其上生长的GaN外延层结晶质量较差，缺陷密度较高，而且生长较厚的外延层时表面会出现裂纹。

为了减少缺陷，生长高质量的GaN外延层，许多研究者提出了在GaN缓冲层中使用插入层的方法。1998年，Amano Hiroshi等人报道了使用低温GaN或低温AlN作为插入层，生长出了高质量、低位错密度的GaN外延层，参见Stress and Defect Control in GaN UsingLow Temperature Interlayers，Jpn.J.Appl.Phys.Part2p.L1540-L15421998。2003年，Jiménez A等人报道了在半绝缘GaN缓冲层中插入两层30nm厚的低温AlN，生长出电学特性优良的AlGaN/GaN异质结，并制作了高电子迁移率晶体管HEMTs，该HEMTs器件与没有使用低温AlN插入层的HEMTs器件相比，最大直流电流密度和非本征跨导均得到大幅度提高。参见Improved AlGaN/GaN high electron mobility transistor using AlNinterlayers，Applied Physics Letters V.82No.26，p.48272003。但是这种使用低温插入层的方法，由于在薄膜生长过程中温度的升降变化大，产生了过多的热应力，降低了GaN顶层的结晶质量和临界厚度，限制了GaN基微波大功率晶体管、发光二极管和激光器性能的提高。

发明的内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于Al₂O₃衬底的GaN薄膜的生长方法，以生长制作GaN基微波大功率晶体管、发光二极管和激光器所需低位错密度、高质量的GaN外延层。

实现本发明目的的技术关键是：在GaN缓冲层中插入生长一层高温AlN，通过优化高温AlN层生长的压力、流量、温度以及厚度等生长条件，缓解晶格失配带给GaN外延层的应力，减小GaN外延层的线位错密度，生长低缺陷、高结晶质量的GaN外延层。

技术方案1

将Al₂O₃衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中；向反应室通入氢气或氢气与氨气的混合气体，对衬底基片进行热处理；在热处理后的衬底上生长GaN成核层；在GaN成核层上生长GaN过渡层；在GaN过渡层上生长AlN插入层；在AlN插入层上生长GaN顶层，其中

反应室的真空度小于2×10^-2Torr；

衬底加热温度为900-1200℃，时间为5-10min，反应室压力为20-760Torr；

生长GaN成核层的温度为400-600℃，生长压力为20-760Torr，镓源流量为1-100μmol/min，氨气流量为1000-10000sccm；

生长GaN过渡层的温度为900-1100℃，生长压力为20-760Torr，镓源流量为5-100μmol/min，氨气流量为1000-10000sccm；

生长AlN插入层的温度为900-1100℃，生长压力为20-760Torr，铝源流量为1-20μmol/min，氨气流量为1000-5000sccm；

生长GaN顶层的温度为900-1100℃，生长压力为20-760Torr，镓源流量为5-100μmol/min，氨气流量为1000-10000sccm。

技术方案2