制備非極性A面GaN薄膜的方法技術

本發明專利技術提供了一種制備非極性GaN薄膜的方法。該方法包括：在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜；在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性GaN薄膜。本發明專利技術中，ZnO緩沖層能夠協調GaN和襯底之間的晶格失配和熱失配，從而極大的提高了制備的非極性GaN薄膜的結晶質量。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及半導體薄膜制備
，尤其涉及一種制備非極性A面GaN薄膜的方法。
技術介紹
氮化鎵(GaN)屬于第三代半導體材料，屬六角纖鋅礦結構，是半導體照明中發光二極管、短波長激光器、紫外探測器及高溫大功率器件的核心組成部分，在工業上一般采用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)來進行制備。自然界缺乏天然的GaN體單晶材料，目前的工作主要在藍寶石、SiC,Si等襯底上進行異質外延進行的。由于GaN和襯底間的晶格失配和熱失配，導致異質外延GaN薄膜中具有高的位錯密度，導致其應變和應力大大提高，從而極大地影響了其性能。以在藍寶石襯底上生長非極性A-GaN為例，非極性A-GaN與藍寶石沿GaN方向的晶格失配為1%，沿[1-100]方向的晶格失配為16%，熱失配分別為-72%和-25 %。從生長溫度降到室溫時熱失配沿方向的應變為-2. 6X10_3，而沿[1-100]方向的應變為-I. 8 X 10_3，其相應的應力分別為-O. 74GPa和-I. IlGPa,因此異質外延很難得到結晶質量優異的薄膜。近幾年的研究主要集中在如何提高非極性A面GaN薄膜的外延質量上。人們采用了很多方法來提高薄膜的結晶質量，例如鋪一層SixN,側向外延，生長在V-LiAlO2襯底上，用納米柱側向外延。但是，采用傳統的GaN緩沖層技術，很難得到結晶質量優異以及表面平整的A-GaN薄膜。
技術實現思路
(一 )要解決的技術問題為解決上述的一個或多個問題，本專利技術提供了一種制備非極性A面GaN薄膜的方法。( 二 )技術方案根據本專利技術的一個方面，提供了一種制備非極性GaN薄膜的方法。該方法包括在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜；在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性A面GaN薄膜。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本專利技術制備非極性A面GaN薄膜的方法具有以下有益效果(I)ZnO的晶格常數和GaN很匹配，同時其楊氏模量要遠遠小于GaN，ZnO緩沖層能夠協調GaN和藍寶石之間的晶格失配和熱失配，從而極大的提高了制備的非極性A面GaN薄膜的結晶質量； (2)由于Zn擴散進入了藍寶石襯底，改善了 A-GaN薄膜和R-Al3O2襯底之間的界面狀態，形成一層有利于增加Ga原子表面擴散長度的化學狀態的層；(3)相比于MBE生長技術，MOCVD材料生長技術，由于其相對低廉的成本，已經在工業化生產中得到廣泛的應用，本專利技術的方法具有高生長速度，達到O. 6 μ m/hr，同時生長質量較好。附圖說明圖I為根據本專利技術實施例的制備非極性A面GaN薄膜的流程圖；圖2為采用圖I所示方法制備的GaN薄膜沿和[1-100]兩個方向的搖擺曲線；圖3為采用圖I所示方法制備的GaN薄膜在77K時的PL譜曲線。具體實施方式 為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本專利技術進一步詳細說明。需要說明的是，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。在本專利技術的一個示例性實施例中，提供了一種制備非極性A面GaN薄膜的方法。如圖I所示，該制備非極性A面GaN薄膜的方法包括步驟A :處理襯底；本實施例中，選用R面藍寶石作為襯底，當然也可以選用SiC、Si等與GaN晶格失配度小于2%的襯底。處理襯底最重要的是清除襯底表面的雜質，即清洗步驟。在該清洗步驟中，首先用丙酮超聲10分鐘，用去離子水(DIW)沖洗數次；然后在H2SO4 HNO3 =1:1的腐蝕液中煮沸10分鐘，用大量離子水(DIW)將襯底沖洗干凈；最后，在放入設備之前，用紅外燈將襯底烘干。步驟B :在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜；在進行沉積之前，需要對反應室進行抽真空處理，需要反復充抽反應室數次，目的是減少反應室內部雜質分子的影響，其中抽氣的時候，壓強以IOOTorr左右的數值減少，不可抽的過猛。再對反應室進行數次抽真空處理后，向反應室內充氣以達到生長所需的壓強，生長過程中反應室壓力維持在76Torr，同時打開加熱開關，升高溫度至生長溫度550攝氏度，當溫度達到生長溫度后，先在生長溫度下烘烤襯底30分鐘，目的是去除襯底表面吸收的水分子并且激活襯底表面。而后，打開鋅源瓶的控制閥，先開出氣手動閥，再開進氣手動閥，讓鋅源在管道內先通一會，使其在通入反應室之前達到氣流平穩。當烘烤時間達到30分鐘，打開鋅源快門，使鋅源氣流平穩的通入反應室，利用二乙基鋅和氧氣作為反應源，鋅源保存在一個不銹鋼氣瓶里，其溫度保持在18°C，壓強保持在IOOOTorr，氮氣做載氣，二乙基鋅的流量為221111101/1^11，氧源02的流量為ISLM(標準升每分鐘)，生長時間是8分鐘，厚度為50nm。制得的A面ZnO緩沖層在氧氣環境下保持15分鐘再降至室溫后取出。本實施例中，采用MOCVD方法制備A面ZnO緩沖薄膜，當然也可以采用其他的方法來制備A面ZnO緩沖薄膜，例如化學氣相沉積法(CVD)、脈沖激光沉積法(PLD)或磁控濺射法等。A面ZnO緩沖薄膜的厚度介于IOnm至IOOnm之間。步驟C，在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性A面GaN薄膜；將制得的A面ZnO薄膜放入氮化物MOCVD設備中作為襯底，鎵源和氮源分別為三甲基鎵和氨氣，載氣為氮氣，生長溫度為1100°C，生長壓強為60ΤΟ1Γ，鎵源流量為8 μ mol/min,氨氣流量為3SLM，生長時間為I小時，生長結束后測量樣品厚度為O. 62 μ m。本實施例中，采用MOCVD方法制備GaN緩沖薄膜，當然也可以采用其他的方法來制備非極性A面GaN緩沖薄膜，例如化學氣相沉積法(CVD)、脈沖激光沉積法(PLD)或磁控濺射法等。 步驟D，在GaN薄膜制備完畢之后，關閉鎵源，在反應室溫度降到300攝氏度以下關閉氮源，完成A面GaN薄膜的生長。作為對比，傳統GaN緩沖層生長的樣品沿m軸的搖擺半高寬為1347arcsecond，沿c軸的搖擺半高寬為2372arcsecond。而圖2為采用圖I所示方法制備的GaN薄膜沿和[1-100]兩個方向的搖擺曲線。如圖2所示，用ZnO緩沖層生長的A-GaN薄膜中，沿m軸的半高寬為1558arcsecond,沿c軸的半高寬為1263arcsecond,而且沿兩個不同立體角方向的半高寬的差值遠遠小于傳統的A-GaN緩沖層上生長的樣品的差值。可見，采用ZnO緩沖層生長的樣品，這說明了 ZnO緩沖層上生長的樣品的各向異性得到了很大改善，結晶質量比采用傳統的A-GaN緩沖層生長的薄膜好。圖3為采用圖I所示方法制備的GaN薄膜在77K時的光致發光譜(PL)曲線。通過光致發光譜(PL)可以了解材料的質量狀況，由于光致發光直接測量了樣品的發光強度，在相同的測量條件下，可以對不同樣品的相對發光效率做出對比，這對半導體發光器件和激光器件材料的檢測鑒定具有直接的意義。如圖3所示，對比了 77K時的有無ZnO緩沖層的兩個樣品的發光特性，可以看出，在ZnO緩沖層上生長的樣品其發光強度要遠遠大于傳統緩沖層上生長的樣品，所以用ZnO緩沖層生長的A-GaN薄膜具有較好的光學性能。以上所述的具體實施例，對本專利技術的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本專利技術的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，包括：在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜；在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性A面GaN薄膜。

【技術特征摘要】
1.一種制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，包括 在襯底表面制備A面ZnO緩沖薄膜； 在制備的A面ZnO緩沖薄膜上制備非極性A面GaN薄膜。2.根據權利要求I所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述A面ZnO緩沖薄膜的厚度介于IOnm至IOOnm之間。3.根據權利要求2所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，采用金屬有機物化學氣相沉積法制備所述A面ZnO緩沖薄膜。4.根據權利要求3所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機物化學氣相沉積法制備A面ZnO緩沖薄膜的步驟中反應源為二乙基鋅和氧氣，載氣為氮氣。5.根據權利要求4所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機物化學氣相沉積法來制備A面ZnO緩沖薄膜的步驟中，反應參數為二乙基鋅的流量為22 μ mol/min ;氧源O2的流量為ISLM ;生長溫度為550°C ;反應室壓力為76Torr。6.根據權利要求5所述的制備非極性A面GaN薄膜的方法，其特征在于，所述采用金屬有機物化學氣相沉積法來制備A面ZnO緩沖薄膜的步驟之后還包括 生長溫度和反應室壓力保持不變，將制備A面ZnO緩沖薄膜的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉建明，桑玲，趙桂娟，劉長波，王建霞，魏鴻源，焦春美，劉祥林，楊少延，王占國，
申請(專利權)人：中國科學院半導體研究所，
類型：發明
國別省市：