[发明专利]镓极性氮化镓缓冲层的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化镓缓冲层，尤其是涉及一种采用四步骤生长氮化镓(GaN)缓冲层的方法。

背景技术

近年来，金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在GaN材料制备中获得了广泛的应用。由于这种材料生长方法的设备简单，生长速率高，易于掺杂控制，因此是目前制备GaN外延层的一种主要方法。人们采用这种方法已经成功制备出质量较好的GaN薄膜。目前MOCVD外延GaN薄膜主要采用α-Al₂O₃衬底，它与GaN材料的晶格失配和热失配较大，因此在外延的GaN材料中存在较大的应力和较高的位错密度。为了降低GaN和衬底之间的界面自由能，首先在衬底上沉积一层很薄的低温缓冲层，该低温缓冲层的物理性质介于衬底和GaN之间，能够有效地降低界面自由能。利用低温缓冲层，人们异质外延获得了高质量的GaN单晶，使位错密度降低了3～4个数量级(H.Amano，N.Sawaki，I.Akasaki and T.Toyoda：Appl.Phys.Lett.1986，48：353)。参见图1，在衬底(α-Al₂O₃)1上生长的纤锌矿GaN缓冲层(Bufferlayer)2和高温外延的GaN薄膜(Epi-layer)5通常具有镓极性(Ga-)4和氮极性(N-)3，在图1中，A表示生长顺序，晶轴方向分别为[0001]和两种极性面生长出来的GaN的结构和电学性质是不同的：镓极性GaN外延层易于实现光亮平整的晶体表面，而氮极性GaN表面则布满了六角形的金字塔结构的粗糙表面；镓极性GaN相对于氮极性GaN具有更佳的电子迁移率和低的背景(n-型)掺杂浓度；同时做金属-p-型GaN欧姆接触时，镓极性GaN的接触电阻比氮极性小了两个数量级(M.Sumiya and S.Fuke：MRS Internet J.NitrideSemicond.2004，9：1)。因此为了制取高质量的GaN基半导体器件，外延生长过程中控制获得镓极性GaN是十分重要的。

传统方法(参见图2)在低温缓冲层2上生长GaN，GaN成核初期形成一个个拥有[0001]轴的柱体，这些柱体的轴方向是任意的，并不都与蓝宝石衬底1的[0001]方向一致，这些柱体相互交错形成缺陷区(Faulted zone)9。但是那些与衬底[0001]方向一致的轴的柱体生长速度最快，所以最终剩下轴方向都与衬底垂直的柱体。接着这些柱体开始岛状生长，并覆盖掉较小的岛，形成半声区(Semi-sound zone)10。最后横向生长，各岛相互聚合在一起，形成声区(Sound zone)11。最终在声区上长出了平整的GaN晶体12(K.Hiramatsu，S.Itoh，H.Amano，I.Akasaki，N.Kuwano，T.Shiraishi，K.Oki，J.Crystal Growth.1991，115：628)。由此可知，传统方法在低温缓冲层上生长的GaN，初期GaN是混合极性的，并且方向是随机的，形成了晶体质量较差的缺陷区、半声区及声区。在图2中，代号13表示位错。

在蓝宝石衬底1(参见图3)上直接高温生长GaN，虽然无法获得大面积均匀极性高质量的GaN晶体，但是在生长初期GaN的方向却是较为单一的，这些GaN都是六棱柱结构的，并且轴方向为[0001]和都垂直于蓝宝石的α平面，分别呈现镓极性4和氮极性3。(I.Akasaki，H.Amano，Y.Koide，K.Hiramatsu，N.Sawaki，J.Crystal Growth.1989，98：209)。但是氮极性GaN热稳定性比镓极性GaN低，氮极性GaN在900～950℃左右时升华，而镓极性GaN在1000℃以上时仍然是相对稳定的(M.Sumiya，N.Ogusu，Y.Yotsuda，M.Itoh，S.Fuke，T.Nakamura，S.Mochizuki，T.Sano，S.Kamiyama，H.Amano，I.Akasaki，J.Appl.Phys.2003，93：1311)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的低温缓冲层的生长方法中生长的外延层存在质量较差的缺陷区、半声区和声区等问题，提供一种位错较少的单纯镓极性氮化镓缓冲层的生长方法。