[发明专利]生长半极性GaN厚膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料生长技术领域，尤其涉及一种生长半极性GaN厚膜的方法。

背景技术

目前，GaN基发光二极管(LED)主要生长在c面蓝宝石上，由于异质节处极化不连续，引起InGaN/GaN量子阱能带弯曲和量子限制斯达克效应QCSE)，这降低了辐射复合效率，发光峰值波长红移，同时，随着电流增加发光峰值波长蓝移。当发光光谱从蓝光向绿光发展，GaN基LED发光效率急剧降低。相对于c面GaN，半极性面GaN具有很多优点，如降低或者消除了极化电场，量子阱中应力各向异性导致光偏振，某些半极性面In并入效率提高。

半极性面GaN生长有两种方法，一种是从体单晶GaN沿半极性面切割，衬底尺寸受梨晶大小的限制，尺寸小，成本高，难以满足市场需求。另一种是在异质衬底上外延生长半极性GaN模板。在2005年，Baker等人首次证实了异质衬底上半极性面材料生长，他们采用HVPE法在(100)MgAl₂O₄生长出半极性面(10-1-3)和(10-1-1)GaN模板，接着，在2006年，他们在蓝宝石上制备了(10-1-3)和(11-22)GaN模板。此外，Si和SiC衬底上已经证实生长半极性(11-22)和(10-1-1)模板。目前，异质外延半极性GaN主要面临如下挑战：1)由于是异质外延，GaN与衬底之间存在热失配及晶格失配，外延层中产生大量的缺陷，如基面堆垛层错(BSF，～10⁵cm^-1)及不完全位错(PD，～10¹⁰cm^-2)；2)由于各向异性的晶体缺陷，外延膜表面形貌差。最近，研究人员积极地制备大面积高质量的模板，推动成本降低，以便与体单晶GaN竞争。横向外延过生长是一种非常有用的技术，已经证明在外延膜“翅膀”区缺陷密度大大降低。然而，传统的横向外延过生长存在如下缺点：1)在掩膜制备工艺中，需要用到光刻工艺，尤其对于二次横向外延生长，需要多次光刻和外延，其工艺复杂且成本高；2)图形为微米级，其生长后的外延膜“窗口”区仍然存在大量位错，难以得到大面积均匀的外延膜。

发明内容

一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种生长半极性GaN厚膜的方法。

二)技术方案

本发明生长半极性GaN厚膜的方法包括：步骤A：在衬底10上外延半极性GaN模板层；步骤B，在GaN模板层上制备纳米级网状结构的TiN掩膜层；步骤C，在TiN掩膜层上制备自组装纳米球阵列掩膜层；以及步骤D，在依次沉积半极性GaN模板层、TiN掩膜层和自组装纳米球阵列掩膜层的衬底上继续外延生长半极性GaN厚膜。

三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明生长半极性GaN厚膜的方法具有以下有益效果：

1)由于采用TiN和SiO₂纳米球阵列作为掩膜，相当的二次横向外延半极性GaN厚膜，位错被该掩膜阻止而大大降低，有效释放了应力，从而实现了高质量、大面积半极性GaN厚膜异质外延；

2)采用TiN和自组装的SiO₂纳米球阵列作为掩膜，避免了繁复的光刻过程，从而实现了大面积、低成本的半极性GaN厚膜异质外延。

本发明提供一种无光刻的横向外延过生长工艺，工艺简单，成本低，仅仅通过一次再外延生长，得到二次横向外延的效果。由于掩膜图形为纳米级，从而能够得到大面积均与的外延膜。另外，由于在异质界面形成很多纳米空洞，从而有效的释放了应力。

附图说明

图1A为根据本发明实施例生长半极性GaN厚膜方法的流程图；

图1B为采用本实施例方法制备的半极性GaN厚膜的剖面示意图；

图2为本发明制备的半极性GaN外延膜的X射线2θ-ω；

图3为本发明制备的半极性GaN外延膜的X射线摇摆曲线；

图4为本发明制备的半极性GaN外延膜的透射电子显微镜相片。

【主要元件】

10-衬底；           20-GaN模板层；

30-TiN掩膜层；      40-自组装纳米球阵列掩膜层；

50-GaN厚膜。

具体实施方式