在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法

说明书
在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法
技术领域
本发明涉及氮化镓（GaN）基Ⅲ族氮化物的异质外延生长方法，特别涉及一种在图形化蓝宝石衬底（PSS，Patterned Sapphire Substrate）上生长高质量GaN薄膜的方法。

背景技术
GaN基Ⅲ族氮化物是宽禁带直接带隙半导体材料，因其优异的电学性能和物理、化学稳定性，是制造发光二极管（LED，Light Emitting Diode）、短波长激光器、高功率晶体管、紫外光探测器等的理想材料。

尽管GaN基LED早已实现产业化，但目前LED器件的发光效率仍然较低，有待进一步提高。

蓝宝石（Al2O3）是异质外延GaN薄膜最为通用的一种衬底材料，但由于蓝宝石与GaN外延层的晶格常数和热膨胀系数的失配，会引发界面处大量位错和缺陷的产生，缺陷密度高达108—1010/cm3，造成载流子泄露和非辐射复合中心增加，从而降低器件的内量子效率；另一方面由于GaN材料（折射率为2.5）和空气（折射率为1）的折射率差异较大，有源区产生的光子有70%在GaN层上下两个界面处发生多次全反射，降低了器件的光提取效率。

图形化衬底技术通过在衬底表面制作细微结构图形，图形的存在有利于GaN外延层中的应力弛豫，且能抑制外延材料生长过程中向上延升的位错，从而提高器件的内量子效率；而且图形化衬底能使原本在临界角范围外的光线通过图形的反射重新进入到临界角内出射，因此提高了光提取效率。

对本领域技术人员而言，基于蓝宝石衬底的低温生长缓冲层和高温生长GaN外延层的“两步法”工艺是一项成熟技术。

但是与非图形衬底相比，图形化衬底表面均匀分布的图形将使GaN初期的生长模式发生较大变化，如直接采用普通蓝宝石衬底上的GaN生长工艺，可能会导致GaN薄膜出现表面粗糙、晶体质量差的现象，所以基于图形化衬底的GaN生长工艺参数也需要作相应的改变。

其工艺应保证如下要求：a、表面平整；b、晶体质量良好。

发明内容
本发明的目的在于提供一种在图形化蓝宝石衬底上生长高质量GaN薄膜的方法，该方法通过在生长初期采用低Ⅴ/Ⅲ比（氨气与镓源摩尔流量比）生长来改变生长模式，以获得表面平整及晶体质量良好的GaN薄膜。

本发明采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposition）技术。

在MOCVD外延生长GaN材料过程中，在位监控是
是监测外延材料生长过程、研究生长机制的重要手段，对提高材料的质量起着非常重要的作用。

在位监控系统中，通过探测一束波长为635nm的入射激光在GaN表面的反射信号，对GaN材料的生长进行监测，从激光实时反射率图谱可观察到缓冲层生长、缓冲层重结晶、GaN生长初期阶段三维生长转变为二维生长过程、以及合并后的GaN薄膜的生长情况。

图1为蓝宝石衬底上生长GaN材料的实时反射率曲线。

生长初期的主要阶段用ⅰ~ⅳ分别标记：（ⅰ）低温缓冲层即成核层生长；（ⅱ）在升温及退火过程中，缓冲层高温重结晶，在衬底上形成具有一定密度的三维小岛；（ⅲ）高温生长GaN初期，生长模式为三维岛状生长，成核中心的小岛在水平与垂直方向同时生长；（ⅳ）当岛完全合并后，GaN生长转为二维生长模式进行。

GaN的生长模式对晶体质量影响很大，目前基于蓝宝石衬底生长GaN材料大多通过在高温生长起始阶段采用低Ⅴ/Ⅲ比生长，以维持适当的三维生长时间，使晶核充分成长，从而降低外延层的缺陷密度。

PSS的图案大多是圆形、菱形、六边形或条形，图案呈规则分布，在蓝宝石衬底表面通过干法刻蚀或湿法腐蚀方式制成。

由于图形将衬底分隔成若干小区域，生长过程中原子的表面迁移在图形边界处被打断，所以GaN在分隔的“台阶”上与“沟道”中独立生长，这种生长既有横向分量也有纵向分量，而且独立生长的每个区域的GaN晶体都产生了侧向晶面，横向和纵向生长速率比可通过反应室生长条件如温度、压力、Ⅴ/Ⅲ比及气氛来控制。

由此可见，与普通蓝宝石衬底相比，基于PSS的GaN生长模式发生较大变化，如直接采用在普通蓝宝石衬底上的GaN生长工艺，可能会出现晶体质量恶化甚至不能形成连续的GaN薄膜的现象。

为达到在PSS上生长出表面平整及晶体质量良好的GaN薄膜的目的，应根据PSS上的GaN生长特点，对生长初期的工艺参数作相应改变。

本发明所述的PSS的图案可以是圆形、菱形、或六边形，图案呈正六边形分布，圆形直径为2.0—6.0µm，菱形、六边形边长为1.0—5.0µm，图案间距为1.0—4.0µm，深度为0.5—2.0µm。

本发明实施例采用PSS的图形是呈正六边形排列的圆形（立体形貌呈透镜形状），直径为3.0µm，相互间距为1.5µm，深度为1.0µm，如图2所示。

本发明的技术方案是：在GaN初次二维生长运行500—1200秒时，采用低Ⅴ/Ⅲ比来改变生长模式。

其生长过程可划分为（ⅰ）低温缓冲层生长、（ⅱ）重结晶、（ⅲ）初次三维生长、（ⅳ）初次二维生长、（ⅴ）三维生长、（ⅵ）二维生长阶段，其激光实时反射率图谱呈现二次探底，如图3所示。

本发明所述在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法，具体步骤为：在1085 °C下用H2高温烘烤（0001）面PSS 10分钟；降温至525 °C生长厚度约30nm的氮化镓缓冲层；在350秒内将温度升至1040°C，并恒温80秒；生长高温GaN层，Ⅴ/Ⅲ比为1039，生长时间为600秒；生长高温GaN层，Ⅴ/Ⅲ比为2077，生长时间为1200秒；生长高温GaN层，Ⅴ/Ⅲ比为100—600，
生长时间为200—800秒；生长高温GaN 层，Ⅴ/Ⅲ比为1558，生长时间为2500秒。

本发明采用的金属有机源和氮源分别是外延级三甲基镓（TMGa ）、6.5N 级氨气（NH 3），H 2为载气，NH 3与H 2总流量为44升/分钟，生长压力为200Torr 。

原子力显微镜（AFM ）测得PSS-GaN 样品的均方根粗糙度（RMS ）为0.871 nm （观察范围为5×5µm ），表明基于PSS 生长的GaN 薄膜表面平整，适于器件制作。

图4为PSS-GaN 样品)2110(面的X 射线双晶衍射曲线，其半峰宽值（FWHM ）301弧秒，表明基于PSS 生长的GaN 薄膜晶体质量良好。

生产运行证明以本发明为基础的GaN 生长工艺具有较好的可控性和重复性，说明生长工艺窗口宽，适用规模化生产。

附图说明
图1 蓝宝石衬底上生长GaN 薄膜的实时反射率曲线；
图2 本发明实施例PSS 图案排列示意图；
图3 本发明实施例GaN 薄膜生长实时反射率曲线；
图4 PSS-GaN 样品)2110(面的X 射线双晶衍射曲线。

具体实施方式
采用MOCVD 方法生长，H 2为载气，NH 3与H 2总流量为44升/分钟，生长压力为200Torr ，其生长实时反射率曲线参见图3。

1）将（0001）面免清洗图形化蓝宝石衬底装入反应室，在H 2气氛下加热至1085 °C ， 烘烤10分钟。

2）降温至525 °C 生长厚度约30nm 的氮化镓缓冲层，NH 3流量为223毫摩尔/分钟， TMGa 流量为127微摩尔/分钟（过程ⅰ）。

3）在350秒内将温度升至1040 °C ，并恒温80秒（过程ⅱ）。

4）在1040 °C 生长GaN 层，Ⅴ/Ⅲ比为1039，NH 3流量为536毫摩尔/分钟，TMGa 流量为516微摩尔/分钟，生长时间为600秒（过程ⅲ）。

5）在1040 °C 生长GaN 层，Ⅴ/Ⅲ比为2077，NH 3流量为893毫摩尔/分钟，TMGa 流量为430微摩尔/分钟，生长时间为1200秒，对应初次二维生长约900秒（过程ⅲ—ⅳ）。

6）在1040 °C 生长GaN 层，Ⅴ/Ⅲ比为218，NH 3流量为75毫摩尔/分钟，TMGa 流量为344微摩尔/分钟，生长时间为550秒（过程ⅴ）。

7）在1040 °C 生长GaN 层，Ⅴ/Ⅲ比为1558，NH 3流量为536毫摩尔/分钟，TMGa 流量为344微摩尔/分钟，生长时间为2500秒（过程ⅴ—ⅵ）。

说 明 书 摘 要
本发明是一种基于图形化蓝宝石衬底的氮化镓生长方法。

本发明方法特征是：氮化镓生长转入初次二维生长一段时间后，采用低Ⅴ/Ⅲ比生长来改变生长模式，氮化镓外延层的生长过程包括低温缓冲层生长、重结晶、初次三维生长、初次二维生长、三维生长、二维生长阶段，其激光实时反射率图谱呈现二次探底。

本发明的优点在于：氮化镓薄膜表面平整、晶体质量良好，生长工艺窗口宽。

02000400060008000100001200014000
024
6
8
10
1214
16
18
20
22
24
ⅳ
ⅲⅱⅰ
激光 干
涉强度
时间( 秒)
图 1
图 2
02000400060008000
02
4
681012
14
16ⅵⅴⅳⅲⅱⅰ
激光 干 涉强度 时间( 秒)
图 3
-3000-2000-10000100020003000
10000
20000
30000400005000060000
70000
相 对强度(计数 值)Omega 扫描（弧秒）
图 4
权利要求书
1、在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法, 其特征在于：氮化镓生长转入初次二维生长阶段500—1200秒时，采用低Ⅴ/Ⅲ比生长来改变生长模式，使得氮化镓外延层的生长模式按低温缓冲层生长、重结晶、初次三维生长、初次二维生长、三维生长、二维生长阶段进行，其激光实时反射率图谱呈现二次探底。

2、根据权利要求1所述在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法,其特征在于，所述图案可以是圆形、菱形、或六边形，图案呈正六边形分布，圆形直径为2.0—6.0µm，菱形、六边形边长为1.0—5.0µm，图案间距为1.0—4.0µm，深度为0.5—2.0µm。

3、根据权利要求1所述在图形化蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜的方法, 其特征在于，所述低Ⅴ/Ⅲ比生长氮化镓外延层步骤的生长参数为：Ⅴ/Ⅲ比100—600，NH3流量为40—135毫摩尔/分钟，TMGa流量为215—400微摩尔/分钟，生长时间为200—800秒，生长温度为1040 °C，生长压力为200Torr 。