一种高质量GaN薄膜及其制备方法技术

一种高质量GaN薄膜及其制备方法，属于半导体技术领域，可解决现有GaN薄膜位错多、压力大、结构不稳定、工艺复杂的问题，该结构包括蓝宝石衬底，依次层叠形成在所述衬底（111）晶面上的形核层、第一非掺杂GaN层、SiNx掩膜层、SiNx钝化层、第二非掺杂GaN层，所述SiNx掩膜层生长结束后进行原位脉冲分解。由于SiNx掩膜层会覆盖GaN表面的非位错处，在第一非掺杂GaN层原位脉冲分解过程中，由于裸露的位错处热稳定性相对较差，会优先分解，进而形成多孔状结构，再生长SiNx钝化层、第二非掺杂GaN层，最终制备出高质量GaN薄膜。本发明专利技术的制备方法大大提高了薄膜的晶体质量。

A high quality GaN film and its preparation method

A high quality GaN thin film and its preparation method belong to the semiconductor technology field, which can solve the problems of many dislocations, high pressure, unstable structure and complicated process of the existing GaN thin film. The structure includes sapphire substrate, nucleation layer formed on the crystal surface of the substrate (111), first undoped GaN layer and SiNx mask layer in turn. The layer, the SiNx passivation layer and the second non-doped GaN layer are decomposed by in-situ pulse after the growth of the SiNx mask layer. Because the SiNx mask layer will cover the non-dislocation on the GaN surface, in the process of in-situ pulse decomposition of the first non-doped GaN layer, due to the relatively poor thermal stability of the exposed dislocation, it will decompose preferentially, and then form a porous structure. The SiNx passivation layer and the second non-doped GaN layer will be regenerated and high quality GaN films will be prepared. The preparation method of the invention greatly improves the crystal quality of the film.

【技术实现步骤摘要】
一种高质量GaN薄膜及其制备方法
本专利技术属于半导体
，具体涉及一种高质量GaN薄膜及其制备方法。
技术介绍
GaN是一种宽禁带半导体材料，在室温下其直接带隙宽度为3.39eV，具有热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是第三代半导体的代表，广泛应用在高亮度蓝、绿、紫和白光二极管，蓝、紫色激光器以及抗辐射、高温大功率微波器件等领域。近年来，随着GaN基材料的应用范围不断扩大，其不足也逐渐显露出来。由于GaN单晶的熔点很高（2800℃），使得制备GaN衬底极为困难，且成本极高，很难大规模生产。因此，目前商用的GaN薄膜通常使用蓝宝石或Si作为衬底异质外延生长GaN薄膜，但这两种衬底与GaN之间均存在较大的晶格失配与热失配，导致在GaN外延层中存在大量的穿透位错，形成非辐射复合中心，抑制了载流子的复合，在有源区形成漏电流，严重影响了光电子器件的效率，因此如何抑制GaN外延层中的位错密度是当前研究的重点内容之一。目前最常用的制备GaN薄膜的方法，是用金属有机化合物化学气相沉积法（MOCVD）直接在衬底上生长二维GaN薄膜结构，但这种方法难以避免晶格失配和热适配引起的穿透位错和应力，以及横向外延生长时引入的大量新的刃位错，影响器件的性能。科研人员探究出诸多减少位错和应力的方法，例如化学腐蚀法、横向外延过生长技术（ELOG）、插入缓冲层等等，但这些方法存在诸多弊端，例如制备工艺十分复杂，需要用到强酸强碱等各种化学试剂，增加了制备时间与成本；非原位的二次生长时会引入C、O等杂质，造成材料的污染；生长参数变量过多，增加了器件性能的影响因素，品控相对困难等等，这些问题大大限制了二维GaN薄膜的传统制备方法的发展。
技术实现思路
本专利技术针对现有GaN薄膜位错多、压力大、结构不稳定、工艺复杂的问题，提供一种高质量GaN薄膜及其制备方法。本专利技术采用如下技术方案：一种高质量GaN薄膜，包括蓝宝石衬底以及依次层叠形成在所述蓝宝石衬底（111）晶面上的形核层、第一非掺杂GaN层、SiNx掩膜层、SiNx钝化层和第二非掺杂GaN层。所述第一非掺杂GaN层的厚度为100nm~5μm，SiNx掩膜层的厚度为10~100nm，SiNx钝化层的厚度为10~100nm，第二非掺杂GaN层的厚度为100nm~5μm。所述第一非掺杂GaN层具有二维生长的（0001）晶面。一种高质量GaN薄膜的制备方法，包括如下步骤：第一步，通过原位生长法，依次在蓝宝石衬底晶面上生长形核层、第一非掺杂GaN层和SiNx掩膜层；第二步，将第一步所得样品置于NH3和H2混合气氛中进行原位脉冲分解后，第一非掺杂GaN层呈多孔状结构；第三步，在第二步所得样品结构上生长SiNx钝化层；第四步，在第三步所得样品结构上再生长第二非掺杂GaN层，第二非掺杂GaN层在未被SiNx掩膜层覆盖的位置形核并进行三维生长，形成形核岛，下面为第一非掺杂GaN层分解后留下的空洞；第五步，第四步中的形核岛逐渐合并，最终形成第二非掺杂GaN层。所述形核层、第一非掺杂GaN层和第二非掺杂GaN层中，镓源均为TMGa，氮源均为NH3，生长温度分别为500℃~570℃、1000℃~1100℃和1000℃~1100℃。所述SiNx掩膜层和SiNx钝化层的硅源均为SiH4，氮源均为NH3，生长温度均为1050℃。所述原位脉冲分解的过程为：向反应腔中通入间歇性的NH3和连续的H2进行高温分解；所述NH3向反应腔通入的时间为20~60s，暂停的时间为20~60s，循环10~20次；所述H2连续通入时间为10~30min；所述分解温度为900℃~1100℃，所述分解时间为10~30min。本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术所述的一种高质量GaN薄膜结构，包括依次层叠在蓝宝石衬底衬底（111）晶面上的形核层、第一非掺杂GaN层、SiNx掩膜层、SiNx钝化层、第二非掺杂GaN层；所述SiNx掩膜层是在第一非掺杂GaN层非位错的地方形核，因此位错处不会被SiNx掩膜层覆盖，因而第一非掺杂GaN层在高温分解时位错会优先分解，形成孔。能使外延薄膜中的应力减少20%~30%，从而大大提高了薄膜的晶体质量。2.本专利技术所述的一种高质量GaN薄膜结构中的第一非掺杂GaN层由于高温分解形成的孔状结构能使薄膜的全反射损降低25%~40%。3.本专利技术所述的一种高质量GaN薄膜结构制备方法，能使GaN薄膜的位错密度从约108cm-2降低到约106cm-2，从而提高了其光电器件中的性能。附图说明图1为本专利技术的制备方法流程图；图2为未经高温分解的样品的SEM图；图3为经过900℃原位脉冲分解10min后的样品的SEM图；图4为经过1000℃原位脉冲分解20min后的样品的SEM图；图5为经过1100℃原位脉冲分解30min后的样品的SEM图；图6为在1000℃原位脉冲分解20min，后续生长步骤全部进行完毕的样品的SEM图。具体实施方式实施例1高质量GaN薄膜制备方法，如图1所示，包括如下步骤：第一步，如图1a所示，通过原位生长法，依次在蓝宝石衬底（111）晶面上生长形核层、第一非掺杂GaN层、SiNx掩膜层，其中形核层的生长温度为500℃；第一非掺杂GaN层的生长温度为1000℃，厚度为100nm；SiNx掩膜层的生长温度为1050℃，厚度为10nm；第二步，将第一步所得样品置于900℃的NH3和H2混合气氛中进行原位脉冲分解，NH3通入20s，暂停20s，循环15次，H2持续通入，经过10min，会得到图3所示形貌，第一非掺杂GaN层呈多孔状结构；第三步，在第二步所得外延结构上生长SiNx钝化层，生长温度为1050℃，厚度为10nm，如图1c所示；第四步，在第三步所得外延结构上再生长第二非掺杂GaN层，生长温度为1000℃，第二非掺杂GaN层在未被SiNx掩膜层覆盖的位置形核并进行三维生长，形成形核岛，下面为GaN分解后留下的空洞，如图1d所示；第五步，第四步中形核岛逐渐合并，形成第二非掺杂GaN层，厚度为100nm，如图1e所示。实施例2高质量GaN薄膜制备方法，如图1所示，包括如下步骤：第一步，如图1a所示，通过原位生长法，依次在蓝宝石衬底（111）晶面上生长形核层、第一非掺杂GaN层、SiNx掩膜层，其中形核层的生长温度为530℃；第一非掺杂GaN层的生长温度为1050℃，厚度为3μm；SiNx掩膜层的生长温度为1050℃，厚度为50nm；第二步，将第一步所得样品置于1000℃的NH3和H2混合气氛中进行原位脉冲分解，NH3通入60s，暂停60s，循环10次，H2持续通入，经过20min，会得到图4所示形貌，第一非掺杂GaN层呈多孔状结构；第三步，在第二步所得外延结构上生长SiNx钝化层，生长温度为1050℃，厚度为50nm，如图1c所示；第四步，在第三步所得外延结构上再生长第二非掺杂GaN层，生长温度为1050℃，第二非掺杂GaN层在未被SiNx掩膜层覆盖的位置形核并进行三维生长，形成形核岛，下面为GaN分解后留下的空洞，如图1d所示；第五步，第四步中形核岛逐渐合并，形成第二非掺杂GaN层，厚度为3μm，如图1e和图6所示。实施例3高质量GaN薄膜制备方法，如图1所示，包括如下步骤：第一步，如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高质量GaN薄膜，其特征在于：包括蓝宝石衬底以及依次层叠形成在所述蓝宝石衬底（111）晶面上的形核层、第一非掺杂GaN层、SiNx掩膜层、SiNx钝化层和第二非掺杂GaN层。

【技术特征摘要】
1.一种高质量GaN薄膜，其特征在于：包括蓝宝石衬底以及依次层叠形成在所述蓝宝石衬底（111）晶面上的形核层、第一非掺杂GaN层、SiNx掩膜层、SiNx钝化层和第二非掺杂GaN层。2.根据权利要求1所述的一种高质量GaN薄膜，其特征在于：所述第一非掺杂GaN层的厚度为100nm~5μm，SiNx掩膜层的厚度为10~100nm，SiNx钝化层的厚度为10~100nm，第二非掺杂GaN层的厚度为100nm~5μm。3.根据权利要求2所述的一种高质量GaN薄膜，其特征在于：所述第一非掺杂GaN层具有二维生长的（0001）晶面。4.一种如权利要求1所述的高质量GaN薄膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，通过原位生长法，依次在蓝宝石衬底晶面上生长形核层、第一非掺杂GaN层和SiNx掩膜层；第二步，将第一步所得样品置于NH3和H2混合气氛中进行原位脉冲分解后，第一非掺杂GaN层呈多孔状结构；第三步，在第二步所得样品结构上生长SiNx钝化层；第四步，在第三步所得样品结构上再生长第二非掺杂GaN层，第二非掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾伟，樊腾，李天保，仝广运，董海亮，许并社，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14