CN101431017A - 一种改善蓝宝石衬底上GaN厚膜完整性的方法 - Google Patents

Abstract

改善蓝宝石衬底上GaN厚膜完整性的方法，采用HVPE工艺，包括下述步骤：1)采用的衬底是蓝宝石或Si，2)将上述衬底经过清洗、吹干后，放入HVPE生长系统中，先生长低温GaN缓冲层，缓冲层生长温度550－750℃，生长时间30－300s；3)将生长温度升高至850－950℃，在该温度下进行GaN生长，时间30－300s；4)维持步骤3生长条件开始升温生长，直到生长温度提升至1050－1100℃，继续进行GaN的HVPE生长，直到得到所需厚度的GaN薄膜；5)生长完成后缓慢降温至室温，降温速率不高于10℃/分钟。

Description

一种改善蓝宝石衬底上GaN厚膜完整性的方法

一、技术领域

本发明涉及一种在蓝宝石衬底上进行氢化物气相外延(HVPE)生长GaN过程中，获得完整无裂纹GaN厚膜的外延方法及工艺。

二、背景技术

III族氮化物在光显示、光照明等光电子器件领域有广阔的应用前景。在光显示和光照明方面，用高效率蓝绿光发光二极管制作的超大屏幕全色显示和新型高效节能固体光源，使用寿命超过10万小时，可比白炽灯节电5-10倍，定将在世界范围内引发照明电光源的一场划时代的深刻革命。目前，GaN应用的研究主要集中于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)两个方面，并取得了一系列进展。可视GaN半导体发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的发明和使用在商业用品和消费品领域孕育了很大的商机。

由于GaN的熔点极高(～3000℃)，并且在1600℃左右会发生分解，很难用传统的晶体生长技术生长出4英寸以上的GaN单晶，目前更是只能做到1厘米见方，远远不能达到制作微电子器件和光电子器件的要求。缺乏高质量的GaN衬底材料成为发展GaN高端器件的瓶颈。在直接生长GaN单晶很难的情况下，采用其他的厚膜生长技术制备GaN准单晶材料就具有了非常重要的意义。氢化物气相外延(HVPE)技术，生长速率高(可达300微米/小时)，被普遍认为是制备GaN厚膜、发展自支撑GaN衬底的最优选技术。HVPE技术的主要优点包括设备相对简单，使用维护便利，生长的材料质量高，生长速率快，易于获得厚膜，无需生长缓冲层等。但它也具有一些技术难点，如随着金属Ga源的消耗，生长速率可能会受到影响；反应副产物氯化铵粉末会附积在管路下游，可能会影响管路中的气流，从而影响生长质量。

由于HVPE生长GaN具有很高的生长速率，在很短时间内就可以得到较厚的GaN薄膜。但是蓝宝石衬底上GaN薄膜超过50微米，在降温过程中薄膜就会出现裂纹，时间久了，最终会碎裂成几部分。这是异质衬底上获得GaN厚膜的关键困难之一，无助于GaN厚膜的应用，

在本发明中，本发明提出一种简单的原位生长工艺，在氢化物气相外延(HVPE)生长系统中原位生长高低温GaN薄膜来提高降温后GaN厚膜的完整性。

三、发明内容

本发明目的是：提出一种新的降低HVPE厚膜中应力提高蓝宝石上GaN厚膜完整性的工艺方法。

本发明的技术解决方案：改善蓝宝石衬底上GaN厚膜完整性的方法，采用HVPE工艺，反应源材料为金属镓、HCl或三甲基镓，载气NH₃；包括下述步骤：

1)、采用的衬底是蓝宝石或Si，

2)、将上述衬底经过清洗、吹干后，放入HVPE生长系统中，先生长低温GaN缓冲层，缓冲层生长温度550-750℃，生长时间30-300s；

3)、将生长温度升高至850—950℃，在该温度下进行GaN生长，时间30—300s；

4)、维持步骤3生长条件开始升温生长，在该过程中GaN生长一直持续进行。直到生长温度提升至1050—1100℃，继续进行GaN的HVPE生长，直到得到所需厚度的GaN薄膜；升温即变温生长升温时间0.5-2小时，在升温过程中生长GaN薄膜的厚度不能低于50微米；

5)、生长完成后缓慢降温至室温，降温速率不高于10℃/分钟。

本发明在氢化物气相外延生长系统中，先在低温下蓝宝石衬底上生长GaN低温缓冲层，升温至更高温度(不到最终生长温度)生长GaN薄膜(高温GaN层)，随后在升温过程中边升温边生长，直到达到最后的生长温度进行更厚GaN薄膜的生长。采用缓慢降温的方式降温，达到室温即可获得无裂纹GaN厚膜。

本发明中的低温缓冲层也可以是蓝宝石上的MOCVD GaN籽晶层。

本发明的机理是：研究表明，大部分位错都是集中在蓝宝石衬底和GaN薄膜的界面处。由于蓝宝石和GaN晶格失配和热失配都比较大，降温过程会在GaN样品中引起较大的应力，应力使得GaN和蓝宝石发生形变。在降温过程中，这种形变会使得样品碎裂。我们采用的低温缓冲层和高温GaN缓冲层都可以阻碍位错进一步延伸到GaN薄膜表面，降低位错密度，并释放部分晶格失配造成的应变。而在升温过程中的GaN生长更可以有效的缓解应力的产生，形成合适的应力应变释放层。最终得到完整无裂纹的蓝宝石衬底上的GaN厚膜。

本发明的有益效果是，可以得到大面积(>2英寸)的而且完整无裂纹的蓝宝石衬底上的GaN厚膜。

四、附图说明

图1是本发明HVPE的GaN厚膜的生长工艺结构示意图。先生长低温缓冲层或者(MOCVD籽晶层)，然后生长高温GaN层及在进一步升温的过程中继续生长，直到达到最终生长温度，持续厚膜的生长。

五、具体实施方式

本发明采用的升温即变温GaN薄膜技术，改善蓝宝石衬底上GaN厚膜完整性的方，包括下面几步：HVPE，主要反应源材料为金属镓，高纯HCl，镓源也可以采用三甲基镓或其它有机镓源，载气N2及NH₃等；

1、采用的衬底可以是蓝宝石、Si等，也可以采用MOCVD、MBE或HVPE等方法在这些衬底上生长了GaN的籽晶层。

2、将上述衬底经过清洗、吹干后，放入HVPE生长系统中，开始GaN的HVPE生长。在没有籽晶层的衬底上，先生长低温GaN缓冲层。缓冲层生长温度550-750℃，生长时间30-300s。有GaN籽晶层的不需要生长低温GaN缓冲层，直接进入步骤3。

3、将生长温度升高至一定温度，典型的是850—950℃，在该温度下进行GaN生长，时间30—300s。

4、维持步骤3生长条件开始升温生长，在该过程中GaN生长一直持续进行。直到生长温度提升至最终生长温度(1050—1100℃)，继续进行GaN的HVPE生长，直到得到所需厚度的GaN薄膜。升温即变温生长升温时间0.5-2小时不等，视生长速率而定。在升温过程中变温生长GaN薄膜的厚度不能低于50微米。

5、生长完成后缓慢降温至室温，降温速率不高于10℃/分钟。

这样生长得到的GaN厚膜，可以保持完整无裂纹。

籽晶层生长即GaN薄膜材料的控制生长方法，在MOCVD系统中生长，通过选择[1120]的R面蓝宝石做衬底材料，首先，在MOCVD系统中对生长的R面蓝宝石衬底在900-1100℃温度下进行材料热处理，时间为5-60分钟；或然后通入氨气进行表面氮化，在900-1100℃温度下时间为10-120分钟；再在900-1100℃温度范围通入H₂和/或N₂作为载气、氨气和金属有机镓源作为生长气源；通过控制载气，生长气源气体流量以及生长温度参数，在选择的衬底某晶面的蓝宝石衬底上合成生长非极性面的a面或m面GaN材料。通入载气H₂、N₂或H₂与N₂混合气体对R面蓝宝石衬底在900-1100℃温度下进行材料热处理。金属有机镓源为三甲基镓，流量为1-50sccm，时间为10-60分钟，NH₃气200-700sccm，V/III比为200-3000，即N与Ga之摩尔比。H₂或N₂或H₂和N₂混合气稀释气流量2500-3500sccm；NH₃气200-700sccm，尤其是500-700sccm。

Claims (2)

1、改善蓝宝石衬底上GaN厚膜完整性的方法，采用HVPE工艺，反应源材料为金属镓、HCl或三甲基镓，载气NH₃；其特征是包括下述步骤：

1)、采用的衬底是蓝宝石或Si，

2)、将上述衬底经过清洗、吹干后，放入HVPE生长系统中，先生长低温GaN缓冲层，缓冲层生长温度550-750℃，生长时间30-300s；

3)、将生长温度升高至850—950℃，在该温度下进行GaN生长，时间30—300s；

4)、维持步骤3生长条件开始升温生长，在该过程中GaN生长一直持续进行。直到生长温度提升至1050—1100℃，继续进行GaN的HVPE生长，直到得到所需厚度的GaN薄膜；升温即变温生长升温时间0.5-2小时，在升温过程中生长GaN薄膜的厚度不能低于50微米；

5)、生长完成后缓慢降温至室温，降温速率不高于10℃/分钟。

2、根据权利要求1所述的改善蓝宝石衬底上GaN厚膜完整性的方法，其特征是衬底蓝宝石或Si先采用MOCVD、MBE或HVPE生长GaN的籽晶层，再进行步骤3)的生长。