[发明专利]氮化镓生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别指在氮化镓材料生长中结合了氧化锌材料生长而设计的一种生长方法，可以用于实现高质量非极性氮化镓等的生长和低成本衬底上的氮化镓外延。

背景技术

III族氮化镓多元系材料属于直接带隙的半导体材料，带隙可以从0.7eV连续调节到6.2eV，颜色覆盖从红外到紫外波长，在光电子如蓝光、绿光、紫外光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)，紫外探测器、布拉格反射波导等方面具有重要的应用和发展。另外氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率、优异的物理化学稳定性等优异性能，在微电子应用方面也得到了广泛的关注，可以制作高温、高频和大功率器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。由于氮化镓材料在某些波段的发光基本不受材料缺陷的影响，近些年来氮化镓基的发光二极管照明迅猛发展，LED大量应用于显示器、照明、指示灯、广告牌、交通灯等，在农业中作为加速光合成光源，在医疗中作为诊断和治疗的工具。表一为GaN和ZnO基本性质的比较。

表一

氧化锌(ZnO)同样属于宽禁带半导体，其带隙接近氮化镓，同时晶格常数和热膨胀系数也非常接近氮化镓(见表一)。相比于氮化镓来说氧化锌具有活泼的化学性质和优异的生长取向性，同时也易于形成可控的纳米结构。由于晶格的接近，氮化镓和ZnO常常互相作为缓冲层用于提高晶体质量；由于ZnO的晶向相对容易控制，可以通过生长不同晶向的ZnO来实现各种晶向的氮化镓生长，包括极性的、半极性的和非极性的氮化镓生长。同时ZnO活泼的化学性质为工艺提供了更多的方便，可以作为氮化镓生长的辅助剥离层。

本发明以前氮化镓材料生长多以低温氮化镓或者氮化铝等作为缓冲层，通过两步法获得较高质量的氮化镓材料。这种方式在蓝宝石、SiC甚至Si上都获得比较好的氮化镓材料，但是最近的尝试表明如果在非c面氮化镓的生长中单纯的使用两步法难于获得高质量的器件级氮化镓材料。另外在更加廉价的多晶或者非晶衬底上生长氮化镓材料也难于使用两步法实现。相比于氮化镓来说，氧化锌更加易于择优取向，更加容易形成单晶纳米图形，这就使得氧化锌非常适合于在多晶或者非晶材料上形成择优取向的定向生长，从而为后续的单晶生长提供必要条件。此外ZnO的引入还可以使得我们控制氮化镓的生长取向，可以生长出极性、半极性或者非极性的氮化镓材料。

本发明旨在氮化镓生长中引入ZnO缓冲层，提高氮化镓的晶体质量；或者是形成适合于不同极性的氮化镓生长方法；或者是在Si、多晶、非晶等更加廉价的衬底上形成高质量的氮化镓生长。从而为发展高性能光电子和微电子材料提供新的选择。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种氮化镓生长方法，在生长氮化镓材料时，首先生长氧化锌缓冲层，结合氧化锌和氮化镓相同晶格结构、相近晶格常数和热膨胀系数以及氧化锌容易择优取向生长和形成纳米结构的优势，从而实现氮化镓材料的高质量生长和极性选择以及低成本衬底的使用。

本发明提供一种氮化镓生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上采用磁控溅射、脉冲激光沉积或MOCVD的方法，生长缓冲层；

步骤3：在缓冲层上采用MOCVD、HVPE或者脉冲激光沉积、磁控溅射的方法，生长外延层。

其中衬底的材料为SiC、蓝宝石、Si或者石英玻璃。

其中缓冲层的材料为氧化锌。

其中外延层的材料为氮化镓。

其中缓冲层的厚度为20-5000nm。

本发明的氮化镓生长方法，是在生长氮化镓材料前首先在衬底上生长一层氧化锌材料，然后在氧化锌上生长氮化镓材料。生长该层氧化锌材料可以利用氧化锌易于取向的特点实现不同的取向的生长；利用氧化锌易于腐蚀的特点方便实现图形化生长和选区外延；利用氧化锌和氮化镓的良好晶格匹配和热匹配实现高质量的氮化镓材料生长。

本发明所采用的技术措施，可以实现高质量氮化镓材料的低成本和高可控生长，为实现氮化镓材料体系的广阔市场应用奠定基础，最重要的应用包括非极性氮化镓的高质量生长，低成本多晶或者非晶衬底上的氮化镓单晶生长等。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施例及附图对本发明作一详细的描述，其中：

图1是发明的氮化镓生长示意图；