GaN/Al*O*复合材料在Ⅲ-V族氮化物外延生长中做衬底的方法技术

本发明专利技术首次提出了一种以ＧａＮ／Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］做为一种Ⅲ－Ⅴ族氮化物外延的复合衬底及其制备方法和有关的质量要求；直接生长ＧａＮ等Ⅲ－Ⅴ族氮化物单晶薄膜，提高成品率，有好的重复性，涉及以ＧａＮ为基础的光发射二极管（ＬＥＤ）、激光器（ＬＤ）、场效应晶体管（ＦＥＴ）、光电探测器等器件的制备，并直接和Ⅲ－Ⅴ氮化物半导体的光电器件、电子学器件的制备技术有关。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术首次提出了一种复合衬底用于III-V族氮化物外延生长的方法。同时提出一种采用这种复合衬底生长GaN-基光发射二极管(LED)的金属有机物气相外延(MOCVD)技术。涉及一种以GaN为基础的光发射二极管(LED)、激光器(LD)、场效应晶体管(FET)、光电探测器等器件的制备，并直接和III-V氮化物半导体的光电器件、电子学器件的制备技术有关。III-V氮化物半导体材料主要包括氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)，氮化铝(AlN)及其合金体系，如铟镓氮(InGaN)、铝镓氮(AlGaN)等。在光电子和电子器件中有广泛应用。其中特别是可见光到紫外波段的光电器件，高温、大功率电子器件有着现实的、和潜在的应用前景和巨大的市场需求。同时，这种多相、宽带III-V氮化物半导体的研究有着深刻的物理意义，引起了人们极大的兴趣。然而，高质量的III-V氮化物材料的制备还是相当困难的。其主要原因在于缺少合适的衬底，长期以来一直是III-V氮化物半导体材料在光电子和电子器件应用中最主要的障碍。本专利技术以前的III-V氮化物半导体材料研究中，不论是MOCVD技术、HVPE技术以及其他所有的GaN及其有关的III-V氮化物半导体薄膜的制备方法中，外延生长都是采用异质外延方法，如采用Al2O3，SiC，Si，GaAs，GaP，MgO，ZnO，等等。主要原因在于到目前为止，人们还得不到可用作衬底的GaN单晶。虽然也有采用微小GaN单晶作为衬底进行外延生长的报道，见文献T.Detchprohm，K.Hiramatsu，N.Sawaki，and I.Akasaki，J.of Crystal Growth，137，170(1994)和SatoshiKurai，Yoshiki Naoi，Toshimitsu Abe，Susumu Ohmi andShiro Sakai，Jpn J.Appl.Phys.35，L77(1996)。但是GaN衬底的尺寸小于1平方厘米，只能用于特性研究，不能用于器件的制备。目前，在应用上述衬底进行的III-V氮化物半导体薄膜的制备方法中，以MOCVD方法，应用Al2O3衬底得到的效果最好。但是，必须采用两步生长法，即首先在低温(500-650℃)下，生长一薄层AlN或GaN，然后再升高温度(≥1000℃)，才能得到较高质量的GaN外延薄膜，见文献H.Amano，N.Sawaki，I.Akasaki，and Y.Toyoda，Appl.Phys.Lett.48，353(1986)；K.Hiramatsu，S.Itoh，H.Amano，I.Akasaki，N.Kuwano，T.Shiraishi and K.Oki，J.of Crystal Growth，115，628(1991)和Shuji Nakamura，Masayuhi Senoh and TakashiMukai，Jpn J.Appl.Phys.30，L1708(1991)。在此基础上，制备出GaN-基兰-绿光LED和LD见文献Shuji Nakamura，Takashi Mukai，and Masayuhi Senoh，Appl.Phys.Lett.64，1687(1994)；Shuji Nakamura，Masayuhi Senoh.Shin-ichiNagahama，Naruhito Iwasa，Takao Yamada，ToshioMatsushita，Hiroyuki Kiyoku and Yasunobu Sugimoto，JpnJ.Appl.Phys.35，L74(1996)。由于GaN和Al2O3之间，有16％的晶格失配，25％的热膨胀系数失配，使获得高质量III-V氮化物半导体薄膜的条件非常严格。甚至生长过程中，温度、压力、流量、时间等某些因素的涨落，都可能引起失败。因此，这种高失配异质外延的重复性是一个非常重要的问题，特别是在工业化生成中，严重影响着成品率，造成巨大的经济、人力、物力的浪费。本专利技术的目的是采用一种GaN/Al2O3复合材料作为III-V族氮化物外延的衬底直接生长高质量的GaN及其它III-V族氮化物外延层。这种衬底可以用于所有III-V族氮化物外延生长的方法，如MOCYD，HVPE等。使工艺简单，重复性好，极大地提高成品率，降低成本。本专利技术的内容与技术方案GaN/Al2O3复合材料分为Al2O3层，GaN过渡层和GaN薄膜层，GaN层表面如镜面光亮，无色透明，1000倍光学显微镜下观测不到明显的缺陷特征。以此材料作为衬底直接生长GaN及其它III-V族氮化物外延层。复合材料采用MOCVD方法以两步生长法制成，GaN层厚度大于0.5μm，最佳值为1±0.2μm；GaN/Al2O3复合材料的GaN层的(0002)衍射峰的X-射线双晶衍射回摆曲线(XRC)的半峰宽(FWHM)小于10分；采用卢瑟福背散射(RBS)方法进行检测，Xmin＜2％。本专利技术的优点和积极效果本专利技术由于采用符合质量要求的GaN/Al2O3复合材料作衬底，解决异质外延方法中的晶格失配和热膨胀系数失配问题，可以用直接生长法生长III-V族氮化物外延层，提高成品率，达到好的重复性。如果GaN/Al2O3复合衬底的GaN层质量达不到要求，可将GaN层用体积比为1∶3的H2SO4/HPO3混合液，在160℃下腐蚀掉后，重新生长，直到达到要求为止，避免因衬底而影响生长，大大降低了成本，提高重复性和成品率。生长后的样品经范得宝法霍尔测量、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线双晶衍射、光荧光(PL)、二次离子质谱检测，样品的质量，结果均表明其优点及积极效果。1.样品表面如镜面光亮，无色透明，10万倍SEM观察无特征表面；霍尔测量室温非掺杂GaN为n-型，背景载流子浓度低达1.5×1016cm-3，霍尔迁移率为303cm2/V.s.以上。2.X-射线双晶回摆曲线(XRC)半峰宽小于6min。Mg掺杂GaN单晶薄膜，未经任何处理在77K和298K进行霍尔测量均为P-型，空穴载流子浓度分别为3.5×1017cm-3和4.2×1017cm-3；霍尔迁移率分别为30cm2/V.s和22cm2/V.s。3.二次离子质谱检测的结果表明，Mg掺杂的厚度分布是均匀的。GaN中空穴载流子浓度和气相组份比[CP2Mg]/[TMGa]的关系如图6所示。4.直接生长P-型GaN有利于复杂结构器件的设计，简化工艺过程，避免热退火过程引起的互扩散等问题。5.应用本专利技术，可使P-型和N-型掺杂分别进行，有效地避免交叉掺杂和记忆效应的影响，有利于获得P-N结和异质结构。这对于器件的设计和制备是十分主要的。6.由于MOCVD能够大批量、工业化生产，因此采用MOCVD技术直接生长P-型GaN比采用MBE技术直接生长P-型GaN具有更大的应用价值和经济效益。 附图说明图1GaN/Al2O3复合衬底结构示意图1--厚度为300um的c-面(0001)Al2O3层2--厚度为25nm的GaN过渡层3--厚度为1±0.2um的GaN层图2GaN/Al2O3复合衬底的卢瑟福背散射(RBS)P谱4--GaN层的随机谱 5--GaN层的沟道谱图3GaN/Al2O3复合衬底GaN层的(0002)的X本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＧａＮ／Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］复合材料在Ⅲ－Ⅴ族氮化物外延生长中做衬底的方法，复合材料分为Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］层，ＧａＮ过渡层和ＧａＮ层，其特征在于ＧａＮ／Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］复合材料的ＧａＮ层表面如镜面光亮，无色透明，１０００倍光学显微镜下观测不到明显的缺陷特征，用此复合材料做为衬底直接生长ＧａＮ等Ⅲ－Ⅴ族氮化物。

【技术特征摘要】
1.一种GaN/Al2O3复合材料在III-V族氮化物外延生长中做衬底的方法，复合材料分为Al2O3层，GaN过渡层和GaN层，其特征在于GaN/Al2O3复合材料的GaN层表面如镜面光亮，无色透明，1000倍光学显微镜下观测不到明显的缺陷特征，用此复合材料做为衬底直接生长GaN等III-V族氮化物。2.如权利要求1所述的GaN/Al2O3复合材料在III-V族氮化物外延生长中做衬底的方法，其特征在于GaN/Al2O3复合材料是采用MOCVD方法，用金属有机镓，作为Ga源，高纯NH3作为氮源，高纯H2作为载气，c-面Al2O3(0001)作为衬底，c-面Al2O3衬底厚度一般为300μm，经双面抛光达光学三级，用两步生长法制成。3.如权利要求2所述的GaN/Al2O3复合材料在III-V族氮化物外延生长中做衬底的方法，其特征在于双面抛光的c-面Al2O3(0001)衬底经CCl4、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，真空脱水后，装入反应室；在H2气氛下，高温1000-1150℃进行表面清洁处理10分钟；降温到500-650℃生长GaN过渡层7-30nm；升温到1000-1100℃生长GaN单晶薄膜1-2μm，做为GaN/Al2O3复合衬底；生长时间可根据厚度要求和生长速率确定。4.如权利要求1所述的GaN/Al2O3复合材料在III-V族氮化物外延生长中做衬底的方法，其特征在于GaN/Al2O3复合材料的GaN层的厚度大于0.5um。5.如权利要求1所述的GaN/Al2O3复合材料在III-V族氮化物外延生长中做衬底的方法，其特征在于GaN/Al2O3复合材料的GaN层的厚度为(1±0.2)um。6.如权利要求1所述的GaN/Al2O3复合材料在III-V族氮化物外延生长中做衬底的方法，其特征在于GaN/Al2O3复合材料的GaN层的(0002)衍射峰的X...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国义，杨志坚，李景，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]