專利名稱：一種改善藍(lán)寶石襯底上GaN厚膜完整性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行氫化物氣相外延(HVPE)生長GaN過程 中，獲得完整無裂紋GaN厚膜的外延方法及工藝。
二背景技術(shù)：
III族氮化物在光顯示、光照明等光電子器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在光顯 示和光照明方面，用高效率藍(lán)綠光發(fā)光二極管制作的超大屏幕全色顯示和新型高效節(jié) 能固體光源，使用壽命超過10萬小時(shí)，可比白熾燈節(jié)電5-10倍，定將在世界范圍內(nèi) 引發(fā)照明電光源的一場劃時(shí)代的深刻革命。目前，GaN應(yīng)用的研究主要集中于發(fā)光二 極管(LED)和激光二極管(LD)兩個(gè)方面，并取得了一系列進(jìn)展?？梢旼aN半導(dǎo)體發(fā)光 二極管(LED)和激光二極管(LD)的發(fā)明和使用在商業(yè)用品和消費(fèi)品領(lǐng)域孕育了很大的 商機(jī)。
由于GaN的熔點(diǎn)極高( 300(TC)，并且在160(TC左右會(huì)發(fā)生分解，很難用傳統(tǒng) 的晶體生長技術(shù)生長出4英寸以上的GaN單晶，目前更是只能做到1厘米見方，遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不能達(dá)到制作微電子器件和光電子器件的要求。缺乏高質(zhì)量的GaN襯底材料成為 發(fā)展GaN高端器件的瓶頸。在直接生長GaN單晶很難的情況下，采用其他的厚膜生 長技術(shù)制備GaN準(zhǔn)單晶材料就具有了非常重要的意義。氫化物氣相外延(HVPE)技 術(shù)，生長速率高(可達(dá)300微米/小時(shí))，被普遍認(rèn)為是制備GaN厚膜、發(fā)展自支撐 GaN襯底的最優(yōu)選技術(shù)。HVPE技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括設(shè)備相對簡單，使用維護(hù)便利， 生長的材料質(zhì)量高，生長速率快，易于獲得厚膜，無需生長緩沖層等。但它也具有一 些技術(shù)難點(diǎn)，如隨著金屬Ga源的消耗，生長速率可能會(huì)受到影響；反應(yīng)副產(chǎn)物氯化 銨粉末會(huì)附積在管路下游，可能會(huì)影響管路中的氣流，從而影響生長質(zhì)量。
由于HVPE生長GaN具有很高的生長速率，在很短時(shí)間內(nèi)就可以得到較厚的GaN 薄膜。但是藍(lán)寶石襯底上GaN薄膜超過50微米，在降溫過程中薄膜就會(huì)出現(xiàn)裂紋， 時(shí)間久了，最終會(huì)碎裂成幾部分。這是異質(zhì)襯底上獲得GaN厚膜的關(guān)鍵困難之一， 無助于GaN厚膜的應(yīng)用，
在本發(fā)明中，本發(fā)明提出一種簡單的原位生長工藝，在氫化物氣相外延(HVPE) 生長系統(tǒng)中原位生長高低溫GaN薄膜來提高降溫后GaN厚膜的完整性。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種新的降低HVPE厚膜中應(yīng)力提高藍(lán)寶石上GaN厚膜完整 性的工藝方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案改善藍(lán)寶石襯底上GaN厚膜完整性的方法，釆用HVPE 工藝，反應(yīng)源材料為金屬鎵、HC1或三甲基鎵，載氣NH3;包括下述步驟 1)、采用的襯底是藍(lán)寶石或Si，2) 、將上述襯底經(jīng)過清洗、吹干后，放入HVPE生長系統(tǒng)中，先生長低溫GaN 緩沖層，緩沖層生長溫度550-75(TC，生長時(shí)間30-300s;
3) 、將生長溫度升高至850—950 。C，在該溫度下進(jìn)行GaN生長，時(shí)間30—300s;
4) 、維持步驟3生長條件開始升溫生長，在該過程中GaN生長一直持續(xù)進(jìn)行。 直到生長溫度提升至1050 — 1100 °C，繼續(xù)進(jìn)行GaN的HVPE生長，直到得到所需厚 度的GaN薄膜；升溫即變溫生長升溫時(shí)間0.5-2小時(shí)，在升溫過程中生長GaN薄膜 的厚度不能低于50微米；
5) 、生長完成后緩慢降溫至室溫，降溫速率不高于10'C/分鐘。 本發(fā)明在氫化物氣相外延生長系統(tǒng)中，先在低溫下藍(lán)寶石襯底上生長GaN低溫緩
沖層，升溫至更高溫度(不到最終生長溫度)生長GaN薄膜(高溫GaN層)，隨后在 升溫過程中邊升溫邊生長，直到達(dá)到最后的生長溫度進(jìn)行更厚GaN薄膜的生長。采用 緩慢降溫的方式降溫，達(dá)到室溫即可獲得無裂紋GaN厚膜。
本發(fā)明中的低溫緩沖層也可以是藍(lán)寶石上的MOCVD GaN籽晶層。 本發(fā)明的機(jī)理是研究表明，大部分位錯(cuò)都是集中在藍(lán)寶石襯底和GaN薄膜的界 面處。由于藍(lán)寶石和GaN晶格失配和熱失配都比較大，降溫過程會(huì)在GaN樣品中引起 較大的應(yīng)力，應(yīng)力使得GaN和藍(lán)寶石發(fā)生形變。在降溫過程中，這種形變會(huì)使得樣品 碎裂。我們采用的低溫緩沖層和高溫GaN緩沖層都可以阻礙位錯(cuò)進(jìn)一步延伸到GaN薄 膜表面，降低位錯(cuò)密度，并釋放部分晶格失配造成的應(yīng)變。而在升溫過程中的GaN生 長更可以有效的緩解應(yīng)力的產(chǎn)生，形成合適的應(yīng)力應(yīng)變釋放層。最終得到完整無裂紋 的藍(lán)寶石襯底上的GaN厚膜。
本發(fā)明的有益效果是，可以得到大面積(>2英寸)的而且完整無裂紋的藍(lán)寶石 襯底上的GaN厚膜。
四

圖1是本發(fā)明HVPE的GaN厚膜的生長工藝結(jié)構(gòu)示意圖。先生長低溫緩沖層或者 (MOCVD籽晶層)，然后生長高溫GaN層及在進(jìn)一步升溫的過程中繼續(xù)生長，直到達(dá) 到最終生長溫度，持續(xù)厚膜的生長。
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用的升溫即變溫GaN薄膜技術(shù)，改善藍(lán)寶石襯底上GaN厚膜完整性的方， 包括下面幾步HVPE,主要反應(yīng)源材料為金屬鎵，高純HC1，鎵源也可以采用三甲 基鎵或其它有機(jī)鎵源，載氣N2及NH3等；
1、 采用的襯底可以是藍(lán)寶石、Si等，也可以采用MOCVD、 MBE或HVPE等方法在 這些襯底上生長了 GaN的籽晶層。
2、 將上述襯底經(jīng)過清洗、吹干后，放入HVPE生長系統(tǒng)中，開始GaN的HVPE生 長。在沒有籽晶層的襯底上，先生長低溫GaN緩沖層。緩沖層生長溫度550-75(TC， 生長時(shí)間30-300s。有GaN籽晶層的不需要生長低溫GaN緩沖層，直接進(jìn)入步驟3。
3、 將生長溫度升高至一定溫度，典型的是850—950 °C，在該溫度下進(jìn)行GaN
4生長，時(shí)間30 — 300s 。
4、 維持步驟3生長條件開始升溫生長，在該過程中GaN生長一直持續(xù)進(jìn)行。直 到生長溫度提升至最終生長溫度(1050—1100 °C )，繼續(xù)進(jìn)行GaN的HVPE生長，直 到得到所需厚度的GaN薄膜。升溫即變溫生長升溫時(shí)間0.5-2小時(shí)不等，視生長速率 而定。在升溫過程中變溫生長GaN薄膜的厚度不能低于50微米。
5、 生長完成后緩慢降溫至室溫，降溫速率不高于l(TC/分鐘。 這樣生長得到的GaN厚膜，可以保持完整無裂紋。
籽晶層生長即GaN薄膜材料的控制生長方法，在MOCVD系統(tǒng)中生長，通過選擇 [1150]的R面藍(lán)寶石做襯底材料，首先，在MOCVD系統(tǒng)中對生長的R面藍(lán)寶石襯底在 900-IIO(TC溫度下進(jìn)行材料熱處理，時(shí)間為5-60分鐘；或然后通入氨氣進(jìn)行表面氮 化，在900-1100。C溫度下時(shí)間為10-120分鐘；再在900-1100。C溫度范圍通入H2和/ 或N2作為載氣、氨氣和金屬有機(jī)鎵源作為生長氣源；通過控制載氣，生長氣源氣體流 量以及生長溫度參數(shù)，在選擇的襯底某晶面的藍(lán)寶石襯底上合成生長非極性面的a面 或m面GaN材料。通入載氣H2、 A或K與&混合氣體對R面藍(lán)寶石襯底在900-1100 。C溫度下進(jìn)行材料熱處理。金屬有機(jī)鎵源為三甲基鎵，流量為l-50sccm，時(shí)間為10-60 分鐘，,3氣200-700 sccm， V/III比為200-3000，即N與Ga之摩爾比。仏或^或& 和N2混合氣稀釋氣流量2500-3500sccm;朋3氣200-700 sccm，尤其是500-700 sccm。
權(quán)利要求
1、改善藍(lán)寶石襯底上GaN厚膜完整性的方法，采用HVPE工藝，反應(yīng)源材料為金屬鎵、HCl或三甲基鎵，載氣NH3；其特征是包括下述步驟1)、采用的襯底是藍(lán)寶石或Si，2)、將上述襯底經(jīng)過清洗、吹干后，放入HVPE生長系統(tǒng)中，先生長低溫GaN緩沖層，緩沖層生長溫度550-750℃，生長時(shí)間30-300s；3)、將生長溫度升高至850—950℃，在該溫度下進(jìn)行GaN生長，時(shí)間30—300s；4)、維持步驟3生長條件開始升溫生長，在該過程中GaN生長一直持續(xù)進(jìn)行。直到生長溫度提升至1050—1100℃，繼續(xù)進(jìn)行GaN的HVPE生長，直到得到所需厚度的GaN薄膜；升溫即變溫生長升溫時(shí)間0.5-2小時(shí)，在升溫過程中生長GaN薄膜的厚度不能低于50微米；5)、生長完成后緩慢降溫至室溫，降溫速率不高于10℃/分鐘。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改善藍(lán)寶石襯底上GaN厚膜完整性的方法，其特征是 襯底藍(lán)寶石或Si先采用MOCVD、 MBE或HVPE生長GaN的籽晶層，再進(jìn)行步驟3) 的生長。
全文摘要
改善藍(lán)寶石襯底上GaN厚膜完整性的方法，采用HVPE工藝，包括下述步驟1)采用的襯底是藍(lán)寶石或Si，2)將上述襯底經(jīng)過清洗、吹干后，放入HVPE生長系統(tǒng)中，先生長低溫GaN緩沖層，緩沖層生長溫度550-750℃，生長時(shí)間30-300s；3)將生長溫度升高至850-950℃，在該溫度下進(jìn)行GaN生長，時(shí)間30-300s；4)維持步驟3生長條件開始升溫生長，直到生長溫度提升至1050-1100℃，繼續(xù)進(jìn)行GaN的HVPE生長，直到得到所需厚度的GaN薄膜；5)生長完成后緩慢降溫至室溫，降溫速率不高于10℃/分鐘。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101431017SQ200810235279
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者修向前, 華雪梅, 榮 張, 毅 施, 謝自力, 鄭有炓, 海 陸, 平 韓, 顧書林 申請人:南京大學(xué)