[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GaN薄膜的方法。

背景技术

在过去的几十年间，GaN和相关的InGaN，AlGaN等合金半导体材料取得了巨大的成功。这同时也推动了半导体领域的发光二极管(LEDs)，激光二级管(LDs)和高电子迁移率晶体管(HEMT)的快速发展。

虽然GaN半导体材料领域已经取得了显著的成绩，但在传统C面生长的六方晶系的氮化物材料中，沿C向存在的自发极化和压电极化造成材料内部较强的内建电场严重的阻碍着相关器件性能的进一步提高。为了减小极化电场对量子阱发光效率的影响，目前生长非极性A面GaN成为研究的重点。蓝宝石衬底由于价格上的优势，满足了大批量产业化的要求，因此采用R面蓝宝石衬底生长非极性A面GaN薄膜也受到了越来越多的注意。

然而，由于非极性A面GaN和R面蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，生长在R面蓝宝石衬底上的A面GaN薄膜中往往存在高密度的堆垛层错和位错，材料质量较差，而现行的很多用来改善C面GaN缺陷的方法应用到非极性的A面GaN薄膜中效果并不理想。

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GaN薄膜的方法，以提高非极性GaN薄膜的结晶质量。

(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A面GaN薄膜的方法。该方法包括：在衬底上生长非极性A面InGaN柔性层；在非极性A面InGaN柔性层生长非极性A面GaN缓冲层；对非极性A面InGaN柔性层和非极性A面GaN缓冲层进行退火，形成自组装横向外延模板；以及在自组装横向外延模板上生长非极性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GaN薄膜的方法具有以下有益效果：

(1)以前的研究表明直接在R面蓝宝石上两步法外延生长非极性GaN薄膜难以获得高质量的外延膜，而采用本发明自组装纳米尺度的横向外延模板可以改善薄膜质量，获得具有较高晶体质量的非极性GaN薄膜；

(2)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、简单的操作，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1μm/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为根据本发明实施例的制备非极性A面GaN薄膜过程中温度变化的示意图；

图3为根据本发明实施例制备的非极性A面GaN薄膜的剖面结构示意图；

图4为采用常规两步法(A)与利用图1所示方法(B)制备的非极性A面GaN薄膜的SEM图；

图5为采用常规两步法与利用图1所示方法制备的非极性A面GaN薄膜的摇摆半宽随方位角变化的曲线图。

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。

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

步骤A：取一衬底，并在金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中对衬底进行高温氮化处理；

将R面蓝宝石衬底置于金属有机化学气相沉积MOCVD反应室中，先在1100℃进行并且通入氮气的条件下将衬底烘烤20分钟，再使用氮气和氨气的混合载气氮化衬底3分钟，其温度同样为1100℃，如图2所示。

需要说明的是，本实施例采用的是蓝宝石衬底，对于其他的衬底，如硅或者碳化硅，只要满足其与非极性A面GaN的晶格匹配度小于20％，也可以采用。

步骤B：在衬底上利用MOCVD技术生长非极性A面InGaN柔性层；

将氮化后的衬底基片温度降为750℃，向反应室通入三甲基铟、三甲基镓和氨气作为反应源，氮气作为载气，在保持反应室压强为200torr的条件下，生长A面InGaN柔性层。

非极性A面InGaN柔性层的生长时间为2至16分钟。该层非极性A面InGaN柔性层的厚度介于10到90nm之间。

步骤C：利用MOCVD技术生长非极性A面GaN缓冲层；