[发明专利]PA-MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法

摘要

本发明公开了一种PA‑MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，在C面GaN衬底上生长GaN薄膜，通过控制金属Ga源束流,衬底温度，氮气等离子体(N2plasma)流量和射频功率，生长出高晶体质量，高电子迁移率的单晶GaN薄膜。生长过程中，通过固定金属源束流，设定较低的生长速率；通过调节反射高能电子衍射(RHEED)的恢复时间，判定生长过程中的富Ga状态；通过调节衬底温度使得材料的生长模式从二维台阶生长模式+三维岛状生长模式转变为二维台阶生长模式。

主权项

1.一种PA‑MBE同质外延高质量GaN单晶薄膜的制备方法，其步骤包括：1)在C面GaN衬底的背面蒸镀上一层金属膜；2)将经过步骤1)处理的GaN衬底放入MBE缓冲室，MBE缓冲室抽真空，然后将衬底加热至350℃‑500℃烘烤除气；3)利用束流探测器分析引入MBE生长腔室内部的金属Ga源束流，通过控制MBE内金属坩埚顶部和底部的温度，将金属Ga源的束流控制在1×10‑8Torr‑1×10‑6Torr之间；4)将经过步骤1)‑步骤2)处理的GaN衬底放入生长腔室，并将该衬底升温至350℃‑450℃；向等离子体发生器引入流量为2‑4sccm的高纯N2；打开等离子体发生器，将等离子体发生器的功率升至350W‑500W之间；当引入等离子体发生器的高纯N2变成等离子体状态后，降低引入的N2流量至0.6‑0.85sccm；5)在完成步骤4)的基础上继续将GaN衬底升温至低于生长温度40℃‑80℃之间，并在温度达到450℃‑500℃时打开N2Plasma挡板；6)在完成步骤5)的基础上，打开金属Ga源挡板，然后将GaN衬底继续升温至生长温度后稳定5min；7)在完成步骤6)的基础上，关闭金属Ga源挡板，使得GaN衬底表面转化成富N状态，打开金属Ga源挡板并计时5‑10min，然后关闭金属Ga源挡板并计时直至衬底表面由富金属状态完全恢复为富N状态，通过调节引入等离子体发生器的气体流量使得该时间控制在5‑15s范围内；8)在完成步骤7)的基础上，打开金属Ga源挡板，进入生长GaN薄膜的过程，生长时间设置在1.5‑6h；9)生长结束后迅速关闭金属Ga源挡板，并将衬底从生长温度降温至100℃‑250℃后取片；当温度降至300℃‑500℃时，关闭N2Plasma挡板。