专利名称：一种非极性GaN薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种在新型衬底(100)LiA102材X料上利用量产型M0CVD(金属有机 物化学气相淀积)技术生长的GaN薄膜及其方法，尤其是指利用MOCVD技术改善铝酸锂衬 底上非极性GaN薄膜表面形貌的方法。
背景技术：
以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙(Eg = 3. 4eV)、高热导率、高 硬度、高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点获得了人们的广泛关注，在固态照明、固体 激光器、光信息存储、紫外探测器等领域都有巨大的应用潜力。按中国2002年的用电情况 计算，如果采用固态照明替代传统光源，一年可以省下三峡水电站的发电量，有着巨大的经 济、环境和社会效益；而据美国能源部测算，到2010年，全美半导体照明行业产值将达500 亿美元。在光信息存储方面，以GaN为基础的固体蓝光激光器可大幅度提高光存储密度。 正因为这些优点，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱结构LEDs已经商品 化。 衬底材料对于外延薄膜的质量有着重要影响。目前GaN体单晶材料生长十分困 难，有报道说GaN在压力为60-70kbar、温度为230(TC下还不熔化。生长条件通常是高温高 压，代价昂贵，不利于商业化，因此目前的应用大多是在c向蓝宝石上做异质外延。使用c向 蓝宝石的一个重大缺点是其与GaN薄膜的晶格失配高达13.6X，虽然通过缓冲层技术可以 弥补这一缺点，但是这样严重的失配仍然会导致外延膜中有着高密度的缺陷，从而降低器 件效率。另外，GaN薄膜通常是沿着其极性轴c轴方向生长的，由自发极化和压电效应而产 生的强大的内建电场大大地降低了发光效率。采用新型LiA102衬底有望解决这两个问题。 LiA102衬底与GaN薄膜晶格失配小，只有1.4%，而且在LiA102上生长的是非极性的GaN薄 膜，可以消除内建电场对于发光效率的限制作用。 中国专利公开号为CN101364631，
公开日为2009年2月11日，名称为"一种非 极性GaN薄膜及其生长方法"的申请案公开了一种非极性GaN薄膜及其生长方法，在金 属有机物化学气相淀积(MOCVD)系统中，在铝酸锂(LiAL02)衬底上，在N2保护下，升温到 800-90(TC，生长低温保护层，低温保护层反应室压力为150-500torr，三甲基镓(TMGa)流 量为l-50sccm，然后降低压力至100-300torr，升温到1000-1 IO(TC继续生长非掺杂氮化 镓(U-GaN)层，TMGa流量为10-200sccm，然后再升温到1150-1200°C，生长高温U-GaN约 lOOnm，然后再降温到1000-110(TC生长U-GaN。通过生长低温保护层，保护铝酸锂衬底不被 高温破坏，短暂的高温U-GaN的目的是改善生长的GaN薄膜的表面平整度。
但是，在(100)面LiA102衬底上生长非极性m面(10-10)GaN薄膜很容易出现 狭长的条纹，这些条纹的存在一方面降低了薄膜质量和表面平整度，另一方面成为来源于 LiA102衬底的杂质锂扩散的一个途径，对于LED器件是非常不利的。 鉴于此，有必要提供一种新的在铝酸锂衬底上生长非极性GaN薄膜的方法以避免 上述问题的存在。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种非极性GaN薄膜及其制备方法，可以有效 改善铝酸锂(LiA102)衬底上非极性m(10-10)面GaN薄膜的表面形貌。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 —种非极性GaN薄膜，其利用M0CVD技术在LiA102衬底上合成生长，该薄膜包括 LiA102衬底以及在该衬底上依次生长的低温保护层、U-AlGaN层和高温U-GaN层。
其中，所述LiA102衬底为(100)面LiA102衬底。
所述低温保护层为U-GaN层。 —种上述非极性GaN薄膜的制备方法，该方法包括如下步骤 步骤一，生长低温保护层在MOCVD系统中，以LiA102(100)面做衬底，在N2保护
下，升温到800-95(TC ;然后生长低温保护层U-GaN，反应室压力为150-500torr，三甲基镓
TMGa流量为l-50sccm，对应于摩尔流量4E-6mol/min-3E-4mol/min ; 步骤二，生长U-AlGaN层降低反应室压力至100-300torr，升温到1000-110(TC，
继续生长U-AlGaN层，三甲基镓TMGa流量为10-150sccm，对应于摩尔流量4E-5mo1/
min-7. 5E-4mol/min，三甲基铝TMA1的摩尔流量与三甲基TMGa流量之比为1/5-2/1 ; 步骤三，生长高温U-GaN层保持反应室压力及温度，停止通入三甲基铝
TMA1，继续生长U-GaN，三甲基镓TMGa流量为10-150sccm，对应于摩尔流量4E-5mo1/
min_7. 5E_4mol/min。 作为本发明的优选方案之一，在进行步骤一生长低温保护层之前先对 LiA102(100)面衬底在600-90(TC下进行表面热处理。 作为本发明的优选方案之一，步骤一生长低温保护层是在H2或者N2和H2的混合 气体气氛下进行的。 作为本发明的优选方案之一，步骤二生长U-AlGaN层是在H2或者N2和H2的混合 气体气氛下进行的。 作为本发明的优选方案之一，步骤二中生长的U-AlGaN层厚度为20_50nm。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于 本发明提供的一种非极性GaN薄膜及其制备方法，通过生长非掺杂铝镓氮 U-AlGaN层，可以有效改善铝酸锂LiA102(100)面衬底上非极性m(10-10)面GaN薄膜的表 面形貌，提高其成膜质量和表面平整度，降低缺陷密度，从而阻止杂质扩散，有利于提高器 件的工作效率。
图1是本发明非极性GaN薄膜的结构示意图。 图2a-b是采用现有技术在LiA102(100)面衬底上制备非极性GaN薄膜的表面形 貌；其中，图2a是其SEM照片，图2b是其显微镜照片。 图3a-b是本发明实施例中非极性GaN薄膜的表面形貌；其中，图3a是其SEM照 片，图3b是其显微镜照片。 图4是在使用本发明技术生长的薄膜基础上生长多量子阱样品的SMS图谱。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照 比例绘制。 参看图l，一种非极性GaN薄膜，其利用MOCVD技术在LiAl(^衬底上合成生长，该薄 膜包括LiA102衬底以及在该衬底上依次生长的低温保护层、U-AlGaN层和高温U-GaN层。
其中，所述LiA102衬底为(100)面LiA102衬底。所述低温保护层为U-GaN层。
制备上述非极性GaN薄膜的方法包括如下步骤 步骤一，生长低温保护层在MOCVD系统中，以LiA102(100)面做衬底，在N2保护 下，升温到800-950°C ;之后切换到氢气气氛，在H2或者N2和H2的混合气体气氛下生长低温 保护层U-GaN，反应室压力为150-500torr，三甲基镓TMGa流量为l-50sccm，对应于摩尔流 步骤二，生长U-AlGaN层降低反应室压力至100-300torr，升温到IOOO-IIO(TC，
在H2或者N2和H2的混合气体气氛下继续生长U-AlGaN层，三甲基镓TMGa流量为 10-150sccm，对应于摩尔流量4E-5mol/min-7. 5E-4mol/min，三甲基铝TMA1的摩尔流量与 三甲基TMGa流量之比为1/5-2/1 ; 步骤三，生长高温U-GaN层保持反应室压力及温度，停止通入三甲基铝TMAl，在 H2或者N2和H2的混合气体气氛下继续生长U-GaN，三甲基镓TMGa流量为10-150sccm，对应 于摩尔流量4E_5mol/min_7. 5E_4mol/min。 作为本发明的优选方案之一，在进行步骤一生长低温保护层之前先对 LiA102(100)面衬底在600-90(TC下进行表面热处理。 作为本发明的优选方案之一，步骤二中生长的U-AlGaN层厚度为20_50nm。
其中，U-AlGaN指未掺杂的铝镓氮，U_GaN指的是未掺杂的氮化镓。
通常对于蓝宝石衬底，在金属有机物化学气相淀积MOCVD系统中，反应气体为氨 气，MO源为三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMA1)等，在N2或H2或混合气体气氛下生长薄膜。 对于铝酸锂衬底，在MOCVD系统中，通常出于保护衬底的目的，会采用N2气氛生长低温保护 层，而本发明是在H2或N2和H2的混合气体气氛下生长低温保护层、U-GaN、U-AlGaN等薄膜。
生长低温保护层目的在于保护铝酸锂衬底不被高温所破坏。采用的铝酸锂衬底是 (100)面取向的，故所生长的GaN薄膜取向为m(10-10)面。
实施例一 为了改善铝酸锂LiA10j100)面衬底上非极性m(10-10)面GaN薄膜的表面形貌， 制备本发明的非极性GaN薄膜，具体包括如下步骤 步骤一，生长低温保护层在MOCVD系统中，以LiA102(100)面做衬底，在N2保护 下，升温到800-950°C ;然后，在H2或者N2和H2的混合气体气氛下生长低温保护层U-GaN， 反应室压力为150-500torr，三甲基镓TMGa流量为l-50sccm ; 步骤二，生长U-AlGaN层降低反应室压力至300torr，升温到1000°0，在112或者 N2和H2的混合气体气氛下继续生长U-AlGaN层，三甲基镓TMGa流量为150sccm，三甲基铝 TMA1的摩尔流量与三甲基TMGa流量之比为1/5 ; 步骤三，生长高温U-GaN层保持反应室压力及温度，停止通入三甲基铝TMAl，在
5H2或者N2和H2的混合气体气氛下继续生长U-GaN，三甲基镓TMGa流量为10-150sccm。
最终得到了薄膜质量优良，表面光滑平整的非极性m(lO-lO)面GaN薄膜。
实施例二 与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于在，步骤二中生长U-AlGaN层反 应室压力为200torr，升温到1050°C ，在H2或者N2和H2的混合气体气氛下继续生长U-AlGaN 层，三甲基镓TMGa流量为lOOsccm，三甲基铝TMA1的摩尔流量与三甲基TMGa流量之比为 3/4。 实施例三 与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于在，步骤二中生长U-AlGaN层反 应室压力为10Otorr，升温到IIO(TC ，在H2或者N2和H2的混合气体气氛下继续生长U-AlGaN 层，三甲基镓TMGa流量为50sccm，三甲基铝TMA1的摩尔流量与三甲基TMGa流量之比为 1/1。 实施例四 与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于在，步骤二中长U-AlGaN层反应 室压力为10Otorr，升温到IIO(TC ，在H2或者N2和H2的混合气体气氛下继续生长U-AlGaN 层，三甲基镓TMGa流量为lOsccm，三甲基铝TMA1的摩尔流量与三甲基TMGa流量之比为 2/1。 实施例五 与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于在，进行步骤一生长低温保护层
之前先对LiA102(100)面衬底在600-900°C ，优选为80(TC下进行表面热处理。 本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范
畴，在此不再赘述。各实施例所得薄膜样品的表面形貌情况请见下表
样品 表面形貌 表面粗糙度
实施例一光滑平整，有细小裂紋12mn
实施例二光滑平整，有细小裂紋lOnm
实施例三光滑平整，裂紋较少且细小不明显10nm
实施例四光滑平整，裂紋较少且细小不明显8mn
实施例五光滑平整，几乎没有裂紋ll咖
现有技术表面有狭长的裂紋，裂紋数量多，明显22咖 图2a、2b为采用现有技术的制备方法(未在GaN中插入U-AlGaN层)，在 LiA102(100)面衬底上制备非极性GaN薄膜的表面形貌；其中，图2a是其SEM照片，图2b是 其显微镜照片。由图可见，非极性GaN薄膜表面出现了狭长的裂纹，这些裂纹的存在一方 面降低了薄膜质量和表面平整度，另一方面成为来源于LiA102衬底的杂质锂扩散的一个途 径，对于LED器件非常不利。
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图3a、3b为实施例中非极性GaN薄膜的表面形貌；其中，图3a是其SEM照片，图 3b是其显微镜照片。通过与图2a、2b对比，可见采用本发明方法制备的非极性(10-10)面 GaN薄膜，其表面光滑平整，成膜质量更佳。图4是在使用本发明技术生长的薄膜基础上生 长多量子阱样品的SIMS图谱。 本发明所述方法可以有效改善铝酸锂LiA102(100)面衬底上非极性m(10-10)面 GaN薄膜的表面形貌，提高其成膜质量和表面平整度，降低缺陷密度，从而阻止杂质扩散，有 利于提高LED器件的工作效率。 上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范 围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
一种非极性GaN薄膜，其利用MOCVD技术在LiAlO2衬底上合成生长，其特征在于，该薄膜包括LiAlO2衬底以及在该衬底上依次生长的低温保护层、U-AlGaN层和高温U-GaN层。
2. —种非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一，生长低温保护层在MOCVD系统中，以LiA102(100)面做衬底，在N2保护下，升温到800-95(TC;然后生长低温保护层U-GaN，反应室压力为150_500torr，三甲基镓TMGa流量为l-50sccm，对应于摩尔流量4E-6mol/min-3E-4mol/min ;步骤二，生长U-AlGaN层降低反应室压力至100-300torr，升温到1000-1100°C，继续生长U-AlGaN层，三甲基镓TMGa流量为10-150sccm，对应于摩尔流量4E_5mol/min-7. 5E-4mol/min，三甲基铝TMA1的摩尔流量与三甲基TMGa流量之比为1/5-2/1 ;步骤三，生长高温U-GaN层保持反应室压力及温度，停止通入三甲基铝TMA1，继续生长U-GaN，三甲基镓TMGa流量为10-150sccm，对应于摩尔流量4E-5mol/min-7. 5E-4mo1/miru
3. 根据权利要求2中所述的一种非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于在进行步骤一生长低温保护层之前先对LiA102(100)面衬底在600-90(TC下进行表面热处理。
4. 根据权利要求2中所述的一种非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于步骤一生长低温保护层是在H2或者N2和H2的混合气体气氛下进行的。
5. 根据权利要求2中所述的一种非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于步骤二生长U-AlGaN层是在H2或者N2和H2的混合气体气氛下进行的。
6. 根据权利要求4中所述的一种非极性GaN薄膜的制备方法，其特征在于步骤二中生长的U-AlGaN层厚度为20-50nm。
全文摘要
本发明公开了一种非极性GaN薄膜及其制备方法。该薄膜包括LiAlO2衬底以及在该衬底上依次生长的低温保护层、U-AlGaN层和高温U-GaN层。其制备方法包括如下步骤步骤一，生长低温保护层在MOCVD系统中，以LiAlO2(100)面做衬底，在N2保护下，升温到800-950℃；切换到氢气气氛生长低温保护层U-GaN，反应室压力为150-500torr，TMGa流量为1-50sccm；步骤二，生长U-AlGaN层降低反应室压力至100-300torr，升温到1000-1100℃，生长U-AlGaN层，TMGa流量为10-150sccm，TMAl的摩尔流量与TMGa流量之比为1/5-2；步骤三，生长高温U-GaN层停止通入TMAl，继续生长U-GaN。本发明可以有效改善(100)面铝酸锂(LiAlO2)衬底上非极性m(10-10)面GaN薄膜的表面形貌，有利于提高器件的工作效率。
文档编号C23C16/34GK101717923SQ200910200280
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者周健华, 周圣明, 李抒智, 杨卫桥, 潘尧波, 郝茂盛, 颜建锋, 马可军 申请人:上海蓝光科技有限公司;彩虹集团公司;中国科学院上海光学精密机械研究所;上海半导体照明工程技术研究中心