[发明专利]制备非极性A面GaN薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体薄膜制备技术领域，尤其涉及一种制备非极性A面GaN薄膜的方法。

背景技术

氮化镓(GaN)属于第三代半导体材料，属六角纤锌矿结构，是半导体照明中发光二极管、短波长激光器、紫外探测器及高温大功率器件的核心组成部分，在工业上一般采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)来进行制备。

自然界缺乏天然的GaN体单晶材料，目前的工作主要在蓝宝石、SiC、Si等衬底上进行异质外延进行的。由于GaN和衬底间的晶格失配和热失配，导致异质外延GaN薄膜中具有高的位错密度，导致其应变和应力大大提高，从而极大地影响了其性能。

以在蓝宝石衬底上生长非极性A-GaN为例，非极性A-GaN与蓝宝石沿GaN[0001]方向的晶格失配为1％，沿[1-100]方向的晶格失配为16％，热失配分别为-72％和-25％。从生长温度降到室温时热失配沿[0001]方向的应变为-2.6×10^-3，而沿[1-100]方向的应变为-1.8×10^-3，其相应的应力分别为-0.74GPa和-1.11GPa，因此异质外延很难得到结晶质量优异的薄膜。

近几年的研究主要集中在如何提高非极性A面GaN薄膜的外延质量上。人们采用了很多方法来提高薄膜的结晶质量，例如铺一层Si_xN，侧向外延，生长在v-LiAlO₂衬底上，用纳米柱侧向外延。但是，采用传统的GaN缓冲层技术，很难得到结晶质量优异以及表面平整的A-GaN薄膜。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种制备非极性A面GaN薄膜的方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种制备非极性GaN薄膜的方法。该方法包括：在衬底表面制备A面ZnO缓冲薄膜；在制备的A面ZnO缓冲薄膜上制备非极性A面GaN薄膜。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明制备非极性A面GaN薄膜的方法具有以下有益效果：

(1)ZnO的晶格常数和GaN很匹配，同时其杨氏模量要远远小于GaN，ZnO缓冲层能够协调GaN和蓝宝石之间的晶格失配和热失配，从而极大的提高了制备的非极性A面GaN薄膜的结晶质量；

(2)由于Zn扩散进入了蓝宝石衬底，改善了A-GaN薄膜和R-Al₃O₂衬底之间的界面状态，形成一层有利于增加Ga原子表面扩散长度的化学状态的层；

(3)相比于MBE生长技术，MOCVD材料生长技术，由于其相对低廉的成本，已经在工业化生产中得到广泛的应用，本发明的方法具有高生长速度，达到0.6μm/hr，同时生长质量较好。

附图说明

图1为根据本发明实施例的制备非极性A面GaN薄膜的流程图；

图2为采用图1所示方法制备的GaN薄膜沿[0001]和[1-100]两个方向的摇摆曲线；

图3为采用图1所示方法制备的GaN薄膜在77K时的PL谱曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备非极性A面GaN薄膜的方法。如图1所示，该制备非极性A面GaN薄膜的方法包括：

步骤A：处理衬底；

本实施例中，选用R面蓝宝石作为衬底，当然也可以选用SiC、Si等与GaN晶格失配度小于2％的衬底。

处理衬底最重要的是清除衬底表面的杂质，即清洗步骤。在该清洗步骤中，首先用丙酮超声10分钟，用去离子水(DIW)冲洗数次；然后在H₂SO₄∶HNO₃＝1∶1的腐蚀液中煮沸10分钟，用大量离子水(DIW)将衬底冲洗干净；最后，在放入设备之前，用红外灯将衬底烘干。

步骤B：在衬底表面制备A面ZnO缓冲薄膜；

在进行沉积之前，需要对反应室进行抽真空处理，需要反复充抽反应室数次，目的是减少反应室内部杂质分子的影响，其中抽气的时候，压强以100Torr左右的数值减少，不可抽的过猛。