本发明专利技术公开了一种基于ｃ面Ａ１２Ｏ３衬底的极性ｃ面ＧａＮ薄膜的生长方法，主要解决常规极性ｃ面ＧａＮ材料生长中质量较差，应力大的问题。其生长步骤是：（１）将ｃ面Ａｌ２Ｏ２衬底置于ＭＯＣＶＤ反应室中，对衬底进行热处理；（２）在ｃ面Ａｌ２Ｏ３衬底上生长厚度为１００－３００ｎｍ，温度为７００℃的无应力ＡｌＩｎＮ成核层；（３）在所述低温无应力ＡｌＩｎＮ层之上生长厚度为１０００－２０００ｎｍ，温度为９５０－１１００℃的ＧａＮ层；（４）在所述ＧａＮ层之上生长１－１０ｎｍ的第一层ＴｉＮ层；（５）在所述第一层ＴｉＮ层之上生长厚度为２０００－５０００ｎｍ，温度为９５０－１１００℃的极性ｃ面ＧａＮ层；（６）在所述极性ｃ面ＧａＮ层之上生长厚度１－１０ｎｍ的第二层ＴｉＮ层；（７）在所述第二层ＴｉＮ层之上生长厚度为２０００－５０００ｎｍ，温度为９５０－１１００℃的极性ｃ面ＧａＮ层。本发明专利技术具有低缺陷，应力小的优点，可用于制作极性ｃ面ＧａＮ发光二极管及晶体管。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子
，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种c面Al2O3 衬底上极性c面GaN半导体材料的金属有机物化学气相外延MOCVD生长方法，可用于制作 极性c面GaN基的半导体器件。
技术介绍
III-V族化合物半导体材料，如GaN基、GaAs基、InP基等半导体材料，它们的禁带 宽度往往差异较大，因此人们通常利用这些III-V族化合物半导体材料形成各种异质结结 构。由于在异质结中异质结界面两侧的III-V族化合物半导体材料的禁带宽度存在较大的 差异，使得这些异质结构具有一个共同特点，即在异质结界面附近产生一个量子势阱。对于 由III-V族化合物半导体材料所组成的异质结，人们不需要通过对材料进行掺杂，可以直 接利用材料的极化效应等特性，在量子势阱中产生高浓度的二维电子气，从而使器件具有 较高的电流和载流子迁移率，由于GaN的这种优势，目前GaN相关的材料及器件是目前的研 究热点。.但是由于缺乏同质外延的衬底，在c面Al2O3上异质外延的c面GaN材料质量较 差，同时应力较大，极性c面GaN材料还有非常大的提高空间。为了减少缺陷，在c面Al2O3生长高质量的极性c面GaN外延层，许多研究者采 用了不同的生长方法。1998年，Tetsu Kachi，等人采用了 InN成核层的方法，参见A new buffer layer for high quality GaN growth by metalorganic vapor phase epitaxy, APPLIED PHYSICS LETTERS V72 ρ 704-706 1998。但这种方法生长的材料缺陷密度依然很 高；2009年，Μ. J. Kappers,等人采用插入SixN的生长方式，在c面蓝宝石衬底上生长了极 性 c 面 GaN 材料，参见 Low dislocation density GaN growth on high-temperature AlN buffer layers on(0001)sapphire, Journal of Crystal Growth V312 ρ 363-367 2009。 但是，这种方法的材料质量依然很差并有很大的应力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于c面Al2O3衬底的极性 c面GaN薄膜的MOCVD生长方法，提高c面GaN薄膜质量，减小应力，为制作高性能极性c面 GaN异质结和发光二极管提供底板。实现本专利技术目的技术关键是采用无应力AlInN成核层，结合两步TiN插入层的方 式，在c面Al2O3衬底上依次生AlInN成核层，低V-III比极性c面GaN层，第一层TiN层， 高V-III比极性c面GaN层，第二层TiN层和高V-III比极性c面GaN层；利用多次横向外 延，减小极性c面GaN薄膜的位错密度。实现步骤包括如下(1)将c面Al2O2衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室 通入氢气与氨气的混合气体，对衬底基片进行热处理，反应室的真空度小于2 X 10_2Τοπ·，衬 底加热温度为900-1200°C，时间为5-lOmin，反应室压力为20-760Torr ；(2)在热处理后的c面Al2O3衬底上生长厚度为100-300nm，温度为700°C的无应力AlInN成核层；(3)在所述的AlInN成核层之上生长厚度为1000-2000nm，镓源流量为 5-100 μ mol/min，氨气流量为 2000-5000sccm 的 c 面低 V-III 比 GaN 层；(4)在所述的c面低V-III比GaN层之上生长I-IOnm厚的Ti金属层，并对该Ti金属层进行氮化形成第一层TiN层；(5)在第一层TiN层之上生长厚度为2000-5000nm，镓源流量为5-100 μ mol/min, 氨气流量为3000-10000sccm的高V-III比c面GaN层；(6)在所述的c面高V-III比GaN层上生长I-IOnm厚的Ti金属层，并对该Ti金 属层进行氮化形成第二层TiN层；(7)在第二层TiN层之上生长厚度为2000-5000nm，镓源流量为5-100 μ mol/min, 氨气流量为3000-10000sccm的高V-III比c面GaN层。用上述方法获得的极性c面GaN薄膜，自下而上依次包括厚度为200-500 μ m 的c面Al2O3衬底层；温度为700°C，厚度为100-300nm的AlInN无应力成核层；温度为 950-1IOO0C，厚度为 1000-2000nm 的 GaN层；第一层 I-IOnmTiN层；温度为 950-1100°C，厚度 为 2000-5000nm 的 GaN 层；第二层 I-IOnmTiN 层；温度为 950-1100°C，厚度为 2000_5000nm的GaN层。本专利技术具有如下优点1.由于采用本专利技术所用的无应力AlInN成核层和TiN插入层，材料的质量大大提尚ο2.由于采用本专利技术所用的无应力AlInN成核层和TiN插入层，大大降低了材料应 力。本专利技术的技术方案和效果可通过以下附图和实施例进一步说明。 附图说明图1是本专利技术的极性c面GaN薄膜生长流程图；图2是本专利技术的极性c面GaN薄膜剖面示意图。具体实施例方式参照图1，本专利技术给出如下实施例实施例1本专利技术的实现步骤如下步骤1，对衬底基片进行热处理。将c面Al2O3衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入 氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2X IO-2Torr,衬底加热温度为1100°C，时 间为8min，反应室压力为40Τοπ·的条件下，对衬底基片进行热处理。步骤2，生长700°C的AlInN成核层。将热处理后的衬底基片温度降低为700°C，向反应室通入流量为15 μ mol/min的 铝源、5 μ mol/min的铟源、流量为1200sCCm氢气和流量为4000sCCm的氨气，在保持压力为 200Torr的条件下生长厚度为200nm的AlInN成核层。5步骤3，生长极性c面GaN层。将已经生长了 AlInN成核层的基片温度升高为1000°C，向反应室通入流量为 30ymol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为3000sccm的氨气，在保持压力为 40Torr的条件下生长厚度为1500nm的极性c面GaN层。步骤4，生长第一层TiN插入层。将已经生长了极性c面GaN层的基片温度保持在1000°C，向GaN表面淀积厚度为 5nm的第一层Ti层，然后在流量为4000SCCm的氨气环境中，在保持压力为40Torr和1000°C 的条件下氮化8分钟形成5nm厚的第一层TiN层。 步骤5，生长极性c面GaN层。将已经生长了第一层TiN层的基片温度保持在1000°C，向反应室通入流量为 40ymol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为6000sccm的氨气，在保持压力为 40Torr的条件下生长厚度为3000nm的极性c面GaN层。步骤6，生长第二层TiN插入层。将已经生长了极性c面GaN层的基片温度保持在1000°C，向GaN表面淀积厚度为 5nm的第二层Ti层，然后在流量为4000SCCm的氨气本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于ｃ面Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］衬底的极性ｃ面ＧａＮ薄膜的ＭＯＣＶＤ生长方法，包括如下步骤：（１）将ｃ面Ａｌ↓［２］Ｏ↓［２］衬底置于金属有机物化学气相淀积ＭＯＣＶＤ反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，对衬底基片进行热处理，反应室的真空度小于２×１０↑［－２］Ｔｏｒｒ，衬底加热温度为９００－１２００℃，时间为５－１０ｍｉｎ，反应室压力为２０－７６０Ｔｏｒｒ；（２）在热处理后的ｃ面Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］衬底上生长厚度为１００－３００ｎｍ，温度为７００℃的无应力ＡｌＩｎＮ成核层；（３）在所述的ＡｌＩｎＮ层之上生长厚度为１０００－２０００ｎｍ，镓源流量为５－１００μｍｏｌ／ｍｉｎ，氨气流量为２０００－５０００ｓｃｃｍ的ｃ面低Ⅴ－Ⅲ比ＧａＮ层；（４）在所述的ｃ面低Ⅴ－Ⅲ比ＧａＮ层之上生长１－１０ｎｍ厚的Ｔｉ金属层，并对该Ｔｉ金属层进行氮化形成第一层ＴｉＮ层；（５）在第一层ＴｉＮ层之上生长厚度为２０００－５０００ｎｍ，镓源流量为５－１００μｍｏｌ／ｍｉｎ，氨气流量为３０００－１００００ｓｃｃｍ的高Ⅴ－Ⅲ比ｃ面ＧａＮ层；（６）在所述的ｃ面高Ⅴ－Ⅲ比ＧａＮ层上生长１－１０ｎｍ厚的Ｔｉ金属层，并对该Ｔｉ金属层进行氮化形成第二层ＴｉＮ层；（７）在第二层ＴｉＮ层之上生长厚度为２０００－５０００ｎｍ，镓源流量为５－１００μｍｏｌ／ｍｉｎ，氨气流量为３０００－１００００ｓｃｃｍ的高Ⅴ－Ⅲ比ｃ面ＧａＮ层。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郝跃，许晟瑞，张进成，张金风，毛维，史林玉，付小凡，梁晓祯，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87
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