[发明专利]一种在Ga‑极性GaN模板上生长极性交替的GaN结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到半导体工艺和器件领域，具体指一种在Ga-极性GaN模板上生长极性交替的GaN结构的方法。

背景技术

纤锌矿结构的GaN具有六方晶体结构，在C-轴方向的正负电荷不是中心对称的，具有本征极化效应，在N与Ga键合中，共价键电子偏向N，所以自发极化的方向是N到Ga，在+C(0001)方向是Ga到N，表现为Ga-极性，在-C(000-1)方向表现出Ga-极性，他们具有明显不同的特性，如化学活性、掺杂效率、极化方向、功函数、表面形态和内电场等。虽然六方的GaN半导体具有这种不同的极性，但目前的GaN基器件仍基本上采用单一极性或单一晶体取向。例如，在电子器件如发光二极管、半导体激光器以及微波大功率晶体管等中常采用的是Ga-极性GaN。近年来，为了把不同极性GaN的不同特征结合起来，研究者致力于在同一模板上生长具有交替Ga-极性和Ga-极性GaN结构的研究。

具有交替极性GaN结构在光学和电学器件中有重要的应用领域。GaN具有大的二次非线性系数，结合其高热导率、宽带隙和宽的透明窗口，是准相位匹配(quasi-phase matching)型频率转换的理想材料。在准相位匹配技术中，可使用晶体取向变换的周期排列来校正光通过晶体时的相对相位，这是目前非线性光学材料所无法满足的。

目前，这种交替极性GaN结构的实现方法仍在不断发展，主要使用异质衬底(如蓝宝石衬底、SiC衬底)，通过使用不同的衬底取向和生长条件、掺杂水平以及缓冲层和成核层来控制外延层GaN的极性。例如，在晶格失配为3.4％的SiC(0001)衬底上使用MOCVD生长GaN时，可在Si极性面的SiC衬底上外延Ga-极性GaN，在C面上获得Ga-极性GaN。以前用于Ga-极性反转的技术主要是通过Mg掺杂诱导的反转，Mg重掺杂的P型层能将Ga-极性GaN变成N-极性GaN，但这个方法会导致薄膜内掺杂聚集，影响薄膜的质量和合成结构的性能。另外，单层Mg和Mg_xN_y薄层也可将GaN的Ga-极转换为N-极性，虽然它们不会有掺杂聚集的问题出现，但是在N-极性和Ga-极性材料的界面处出现反演畴界。后来在不使用Mg诱导反转的情况下，采用一层薄的极性反转层AlN来控制Ga-极性GaN的生长，文献1(S.Mita.J.Cryst.Growth.311(2009)3044-3048)报道，在蓝宝石衬底上生长极性反转层AlN，再通过光刻和刻蚀工艺得到图案化AlN，然后使用MOCVD方法生长具有交替极性变换的GaN结构。该方法由于采用的是生长速率较慢的外延技术，对实现厚膜生长不利，且刻蚀步骤会对器件的结构造成部分损坏。

考虑到GaN具有高的热导率和相对较低的激光阈值，这一特性可用于功率型的频率转换器件，目前的非线性光学材料不能满足要求。对这种高功率应用，需要厚度达1毫米左右的极性交替GaN结构。当前，虽然使用HVPE和氨热法制备GaN体材料日趋成熟，但GaN衬底成本仍居高不下，使用GaN衬底生长周期取向且较厚的GaN结构仍较难普及。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出在蓝宝石衬底上预先生长Ga-极性的GaN模板，在模板上通过图案化的掩膜层选择性生长极性反转层Al₂O₃，剥离掩膜层图案化Al₂O₃，最后在裸露的该模板和图案化的Al₂O₃上使用HVPE生长厚膜GaN，满足高功率器件需要厚度达1mm的极性交替的GaN要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种在Ga-极性GaN模板上生长极性交替的GaN结构的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)在蓝宝石衬底上MOCVD(金属有机物化学气相沉积)生长Ga-极性GaN，得蓝宝石衬底/Ga-极性GaN结构作为模板；代替了成本较高的GaN衬底，而且避免了直接用蓝宝石衬底时在异质衬底上因晶格失配和热失配产生的缺陷；

(2)在所述模板上制作图案化的PVP(聚乙烯吡咯烷酮)作为掩膜层，得蓝宝石衬底/Ga-极性GaN/图案化PVP结构；

所述图案化的PVP是指按照一定的图案去除部分PVP保留剩余部分PVP,同时使相应的位于所述去除部分PVP的下层的Ga-极性GaN裸露；