专利名称：铝酸锂晶片上生长非极性GaN厚膜的方法
技术领域：
本发明涉及GaN基衬底材料制备，特别是一种铝酸锂晶片上生长非极性GaN厚膜的方法。
背景技术：
GaN及其三元、四元合金(AlGaN，InGaN，AlInGaN)在可见光及紫外光电器件、高功率电子器件等方面显示出了广阔的应用前景。由于大尺寸的GaN体单晶材料很难得到，这些器件一般是在其它衬底上异质外延生长的。外延技术主要包括以下几种分子束外延(MBE)方法、金属有机化学汽相沉积(以下简称MOCVD)方法和卤化物汽相外延(HVPE)方法。
通常在常用的衬底(如蓝宝石和6H-SiC)上生长的GaN膜是沿c向的，而c向是GaN纤锌矿结构的极化轴方向。对于在(0001)面上生长的GaN基异质结，由于异质结两侧元素电负性的不同而产生的自发极化效应和晶格失配应力而产生的压电极化效应，使异质结界面处产生一定浓度的电荷，这些电荷在外延层中产生强度较高的内建电场，使能带弯曲倾斜，能级位置发生变化，使发光波长产生红移；同时，由界面电荷产生的电场还会使正负载流子在空间上分离，电子与空穴波函数交迭变小，使材料的发光效率大大降低；而失配应力限制了量子阱的厚度，导致材料的发光强度降低。非极性GaN基器件能解决这一难题，因此非极性的GaN基薄膜、厚膜和器件制备及其相关机理研究成为当前GaN基材料的国际研究热点。
GaN中所有与(0001)面垂直的面都是其非极性面，如GaN的m面和a面，这里m面(1100)；a面(1120))。1998年中科院上海光机所首次在γ-LiAlO2(100)上利用MOCVD制备出m面GaN见Journal of Crystal Growth 193，127(1998)。2000年德国科研者同样在(100)γ-LiAlO2衬底上利用MBE制备出m面GaN[见Nature406，865(2000)。目前在γ-LiAlO2(100)上直接外延(即没有缓冲层，不氮化处理)的m面GaN膜已有很好的质量(外延膜(1100)峰的FWHM＝112arcsec)见Appl.Phys.Lett.88，01l 902(2006)。同时人们积极探索在常用衬底上制备非极性GaN膜的可能性，通过几年的不懈努力，目前能在r面蓝宝石、SiC及Si(100)上制备出a面GaN。
另外非极性GaN器件的制作也取得了初步成功，其中利用γ-LiAlO2衬底为初始模板制备m面GaN膜及其器件最近受到高度关注。蓝光之父Shuji Nakamura(中村修二)利用HVPE在(100)γ-LiAlO2上制备出m面GaN厚膜自支撑衬底见(Journal ofElectronic Materials，34，357(2005)，并在此衬底上利用MOCVD制备出非极性的GaN基蓝光发光二极管LED见Jpn.J.Appl.Phys.44，L173(2005)，最近其发光效率又取得突破高达200流明/瓦，这是在蓝宝石等通常衬底上无法达到的水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝酸锂晶片上生长非极性GaN厚膜的方法，即在γ-LiAlO2的(302)晶片上，以下表述为(302)γ-LiAlO2晶片上生长a面GaN厚膜的方法。
本发明的技术解决方案如下；一种铝酸锂晶片上生长非极性GaN厚膜的方法，其特征是，采用抛光的(302)面γ-LiAlO2衬底，利用氢化物气相外延方法，或利用金属有机化学气相沉积和氢化物气相外延相结合的方法，在(302)面γ-LiAlO2衬底上制备非极性的(1120)面GaN厚膜。
方案一利用氢化物气相外延方法在(302)面γ-LiAlO2衬底上制备非极性的(1120)面GaN厚膜将抛光的(302)γ-LiAlO2晶片清洗，吹干，之后送入HVPE系统，该系统是一个水平两温区石英反应器，Ga舟所处温区大于750℃，生长区的温度为860-1050℃，系统中所通入的各种气体纯度均大于99.9999％。先将γ-LiAlO2衬底用NH3氮化，然后在860-1050℃生长成核层，HCl气体在N2的携带下和纯度大于99.9999％的金属Ga反应生成GaCl，然后以N2为载气分别将GaCl与NH3引入到衬底上方相结合，NH3与GaCl的摩尔比为10～60，生长温度为860～1050℃，生长速率为50～300μm/h，可生长出厚度大于100μm的(1120)GaN。
方案二利用金属有机化学气相沉积和氢化物气相外延相结合的方法，在(302)面γ-LiAlO2衬底上制备非极性的(1120)面GaN厚膜。
以(302)γ-LiAlO2为衬底，通过MOCVD法预先在其上制备出GaN薄膜，在此基础上再用HVPE法制备GaN厚膜，再剥离(302)γ-LiAlO2衬底后可制备出非极性的(1120)GaN自支撑衬底，MOCVD系统和HVPE系统中通入的各种气体纯度均大于99.9999％。具体步骤是将抛光(302)γ-LiAlO2晶片送入MOCVD系统，采用N2为载气，500-800℃温度范围内生长一层低温GaN缓冲层，时间为500-4000秒，然后升温至950-1100℃，采用N2和H2为载气，生长GaN薄膜，时间为800-6000秒；从MOCVD系统中取出晶片，将这种覆盖有GaN膜的(302)γ-LiAlO2衬底放入HVPE系统，HCl气体在N2的携带下和金属Ga(纯度大于99.9999％)反应生成GaCl，以N2气为载气，分别将GaCl与NH3引入到衬底上方相结合，NH3与GaCl的摩尔比为10～60，在860-1050℃温度条件下持续生长GaN，得到了完整高质量的a面GaN厚膜。
本发明方法成功地生长出厚度大于100μm的(1120)GaN。该方法也可用于GaN的同质外延生长以及非极性III族氮化物器件的制备。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明方法作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1将抛光的(302)γ-LiAlO2晶片送入HVPE系统，放入生长区，先在900℃下将γ-LiAlO2衬底用NH3氮化，然后在800℃在氮化的γ-LiAlO2衬底上生长成核层，HCl气体在N2的携带下和金属Ga反应生成GaCl，然后以N2为载气分别将GaCl与NH3引入到衬底上方10mm处相结合，NH3与GaCl的摩尔比为10，生长温度为860℃，生长速率为50μm/h，可生长出250μm的GaN厚膜。
实施例2将抛光的(302)γ-LiAlO2晶片送入HVPE系统，放入生长区，先在900℃下将γ-LiAlO2衬底用NH3氮化，然后在800℃在氮化的γ-LiAlO2衬底上生长成核层，HCl气体在N2的携带下和金属Ga反应生成GaCl，然后以N2为载气分别将GaCl与NH3引入到衬底上方10mm处相结合，NH3与GaCl的摩尔比为30，生长温度为950℃，生长速率为150μm/h，可生长出250μm的GaN厚膜。
实施例3将抛光的(302)γ-LiAlO2晶片送入HVPE系统，放入生长区，先在900℃下将γ-LiAlO2衬底用NH3氮化，然后在800℃在氮化的γ-LiAlO2衬底上生长成核层，HCl气体在N2的携带下和金属Ga反应生成GaCl，然后以N2为载气分别将GaCl与NH3引入到衬底上方10mm处相结合，NH3与GaCl的摩尔比为60，生长温度为1050℃，生长速率为300μm/h，可生长出300μm的GaN厚膜。
实施例4将抛光(302)γ-LiAlO2晶片送入MOCVD系统，采用N2为载气，在500℃下制备一层GaN缓冲层，淀积时间为500秒，然后升温至950℃，改用N2和H2混合气体为载气，生长GaN薄膜，生长时间为800秒，最后降温至室温。测试发现在(302)γ-LiAlO2晶片上获得了高质量的(1120)GaN薄膜。接着，将这种覆盖有(1120)GaN薄膜的(302)γ-LiAlO2衬底放入HVPE系统，首先HCl气体在N2的携带下和金属Ga反应生成GaCl，然后以N2气为载气，分别将GaCl与NH3引入到衬底上方相结合，NH3与GaCl的摩尔比为10，在860℃温度条件下持续生长GaN，得到了完整高质量的a面GaN厚膜。
实施例5将抛光(302)γ-LiAlO2晶片送入MOCVD系统，采用N2为载气，在700℃下制备一层GaN缓冲层，淀积时间为1500秒，然后升温至1030℃，改用N2和H2混合气体为载气，生长GaN薄膜，生长时间为2000秒，最后降温至室温。测试发现在(302)γ-LiAlO2晶片上获得了高质量的(1120)GaN薄膜。接着，将这种覆盖有(1120)GaN薄膜的(302)γ-LiAlO2衬底放入HVPE系统，首先HCl气体在N2的携带下和金属Ga反应生成GaCl，然后以N2气为载气，分别将GaCl与NH3引入到衬底上方相结合，NH3与GaCl的摩尔比为30，在950℃温度条件下持续生长GaN，得到了完整高质量的a面GaN厚膜。
实施例6将抛光(302)γ-LiAlO2晶片送入MOCVD系统，采用N2为载气，在800℃下制备一层GaN缓冲层，淀积时间为4000秒，然后升温至1100℃，改用N2和H2混合气体为载气，生长GaN薄膜，生长时间为6000秒，最后降温至室温。测试发现在(302)γ-LiAlO2晶片上获得了高质量的(1120)GaN薄膜。接着，将这种覆盖有(1120)GaN薄膜的(302)γ-LiAlO2衬底放入HVPE系统，首先HCl气体在N2的携带下和金属Ga反应生成GaCl，然后以N2气为载气，分别将GaCl与NH3引入到衬底上方相结合，NH3与GaCl的摩尔比为60，在1050℃温度条件下持续生长GaN，得到了完整高质量的a面GaN厚膜。
权利要求
1.一种铝酸锂晶片上生长非极性GaN厚膜的方法，其特征是，采用抛光的(302)面γ-LiAlO2衬底，利用氢化物气相外延方法，或利用金属有机化学气相沉积和氢化物气相外延相结合的方法，在(302)面γ-LiAlO2衬底上制备非极性的(1120)面GaN厚膜。
2.根据权利要求1所述的铝酸锂晶片上生长非极性GaN厚膜的方法，其特征在于所述的氢化物气相外延方法是在氢化物气相外延系统中进行的，将抛光的(302)γ-LiAlO2晶片清洗，吹干，之后送入氢化物气相外延系统，系统中所通入的各种气体纯度均大于99.9999％，将γ-LiAlO2衬底用NH3氮化，然后在860-1050℃生长成核层，HCl气体在N2的携带下和纯度大于99.9999％的金属Ga反应生成GaCl，然后以N2为载气分别将GaCl与NH3引入到衬底上方相结合，所述的NH3与GaCl的摩尔比为10～60，生长温度为860～1050℃，生长速率为50～300μm/h，可生长出厚度大于100μm的(1120)GaN薄膜。
3.根据权利要求1所述的铝酸锂晶片上生长非极性GaN厚膜的方法，其特征在于所述的金属有机化学气相沉积和氢化物气相外延相结合的方法的步骤是①将抛光(302)γ-LiAlO2晶片送入所述的金属有机化学气相沉积系统，采用N2为载气，500-800℃温度范围内生长一层低温GaN缓冲层，时间为500-4000秒，然后升温至950-1100℃，采用N2和H2为载气，生长GaN薄膜，时间为800-6000秒；②从金属有机化学气相沉积系统中取出晶片，将这种覆盖有GaN膜的(302)γ-LiAlO2衬底放入氢化物气相外延系统，HCl气体在N2的携带下和纯度大于99.9999％金属Ga反应生成GaCl，以N2气为载气，分别将GaCl与NH3引入到衬底上方相结合，NH3与GaCl的摩尔比为10～60，在860-1050℃温度条件下持续生长GaN，得到了完整高质量的(1120)面GaN厚膜。
全文摘要
一种在铝酸锂晶片上制备非极性GaN厚膜的方法，包括方法一用(302)面γ－LiAlO
文档编号C23C16/00GK1870222SQ20061002764
公开日2006年11月29日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者周圣明, 黄涛华, 邹军, 李抒智, 周健华, 王军 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所