[发明专利]光辐射加热金属有机化学汽相淀积氮化镓生长方法与装置

说明书

本发明涉及一种生长氮化镓(GaN)材料的方法和装置，尤其涉及利用光辐射加热金属有机化学汽相淀积氮化镓材料的生长方法与装置。

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能使其成为短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料。1994年底，首次出现了GaN基高亮度蓝光发光二极管(LED)，室温下工作电流20mA时，输出光功率ImW，亮度达1.2Cd：又推出绿光、白光LED，现已形成大规模生产能力。荷兰Philips公司、美国HP公司等也先后推出GaN基蓝光LED并实现商品化生产。1995年12月，日本日亚公司又研制出世界上第一只GaN基多量子阱蓝光激光二极管(LD)，室温下工作电流2.3A时，可输出417nm的脉冲激光，功率2.5mW.1996年底，该公司实现GaN基蓝光LD的室温连续波(CW)发射，寿命达20多小时，1998年6月，该公司宣布其GaN基蓝光LD的发射寿命已超过6千小时，外推寿命超过1万小时，预计98年底可推出商品。

目前，制备GaN材料的主要方法是采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)，在蓝宝石(α-Al₂O₃)或碳化硅(SiC)衬底上异质外延GaN单晶薄膜。GaN基材料是自然界不存在，而完全由人工制备的新型半导体材料，主要包括立方相(闪锌矿结构)和六方相(纤锌矿结构)两种结构类型。立方GaN为热力学上的亚稳相，高温下不稳定。因此，用于制备半导体器件的GaN材料主要是六方相。由于GaN的饱和N₂气压很高，人们无法象拉制Si和GaAs那样在常规条件下拉制GaN单晶体材料。即使在1百多个大气压下拉制的GaN晶体直径也只有几毫米，根本不实用。因此，到目前为此，实用的GaN材料制备方法是在异质材料如α-Al₂O₃、SiC等衬底上异质外延GaN单晶薄膜。用于GaN异质外延的方法主要有：射频加热(RF)金属有机化学气相淀积(MOCVD)，分子束外延(MBE)和卤化物汽相外延(HVPE)。其中，MOCVD是最有效和实用的外延生长方向，具有最强的工业应用背景。正是由于80年代末，90年代初用于GaN基材料生长的MOCVD外延生长技术的突破，才在国际上掀起GaN基材料和器件的研究热潮。中国专利CN94105603给出了一种快速灯加热生长锗硅异质结的方法，但其方法并不能直接用于在α-Al₂O₃基底上生长GaN。

在MOCVD制备GaN薄膜的过程中，使用的Ga源为高纯H₂或N₂气体携带的金属有0机材料如三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG),N源为高纯氨气(NH₃)。它们在高达1000℃以上的温度下反应，在α-Al₂O₃或SiC等衬底上形成GaN薄膜。由于现在MOCVD技术对气压、流量、温度等的控制己达到很高的水平，加上采用了缓冲层技术等新的异质外延生长技术，用MOCVD方法制备的GaN材料质量已达到了初步实用化的水平，目前制备的GaN基短波长LED、LD等器件均采用MOCVD制备的GaN基材料。

用射频加热MOCVD制备GaN外延薄膜依然存在一些困难，主要包括

(1)由于GaN和衬底材料的晶格失配和热失配，加上高温生长，使GaN外延层中的位错密度高达10⁹-10¹⁰cm^-2量级。即使人们采用了选择横向外延技术、多层缓冲层技术等方法，位错密度依然在10⁶cm^-2以上。

(2)由于作为N源的NH₃分子的离化能非常高，即使在1000℃以上的生长温度下，NH₃分子分解率也低于1％，使得GaN外延层中存在大量N空位，导致GaN样品呈本征n型。

(3)由于作为p型掺杂剂的Zn、Mg原子在GaN禁带中的离化能达200meV，使得GaN的p型掺杂效率很低。