技术领域
[0001] 本
发明涉及
半导体技术领域，尤其涉及一种蓝宝石上生长GaN外延层方法及GaN外延层。
背景技术
[0002] 近年来，GaN基半导体材料的制备技术取得了巨大的进步，其大
力推动了可见光波段发光二极(LED)、激光
二极管(LD)等光电器件的发展。对于光电器件来说，材料内的位错和
缺陷会在很大程度上决定整个器件性能，因此如何获得高
质量的GaN外延层一直是GaN基器件发展的一个重点研究问题。目前来说，GaN基LED都是基于蓝宝石衬底来
外延生长的，自两步法外延生长方法被Akasaki、Amano和Nakamura等人提出来以后，采用蓝宝石作为衬底外延的GaN材料的晶体质量得到了大幅度的提高，但是其位错
密度相对于同是III/V族的GaAs和InP材料还是要高很多。尽管通过生长一系列的位错过滤层来降低位错对有源区的影响已经使得GaN基LED得到了商业化，但是对于LD来说还是远远不够的。尽管现在GaN基LD大多都是采用GaN衬底进行同质外延，但是GaN同质衬底价格昂贵，2英寸价格就高达20000人民币，平时做优化实验是没法直接用GaN衬底的，还是只能依托于蓝宝石上生长来对LD生长条件进行优化，当GaN材料中存在比较高的位错密度时，位错的存在会在很大程度上影响我们对实验结果的判断，因此降低蓝宝石上外延生长GaN的位错密度对于我们优化
激光器的生长也是至关重要的。
[0003] 另一方面，当采用两步法在蓝宝石上进行GaN外延生长时，生长的GaN材料质量是和设备的状态紧密相关，特别是更换设备喷淋头或者反应
基座后，直接采用两步法来生长都会使得材料的晶体质量远低于更换前，同时当使用同样的程序生长一段时间后材料的晶体质量又会缓慢的回到更换前的状态，这一现象是由于MOCVD(金属有机物化学气相淀积)反应室残留的GaN对两步法生长的影响，怎样使得设备能够在更换备件之后快速回到更换前的稳定状态，甚至是使外延生长不受设备更换的影响对于我们的生长也是至关重要的。
[0004] 综上，在两步法的
基础上如何进一步提高蓝宝石上外延GaN材料的晶体质量，并保证外延生长的
稳定性是十分重要的，解决这样的两个问题有利于进一步提高GaN基激光器的应用，降低实验成本。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种蓝宝石上生长GaN外延层方法及GaN外延层，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。
[0006] 作为本发明的一个方面，提供了一种蓝宝石上生长GaN外延层方法，所述方法包括如下步骤：
[0007] 对蓝宝石衬底进行高温成核处理，在蓝宝石衬底上形成GaN成核中心；
[0008] 在所述含有GaN成核中心的蓝宝石衬底上生长
缓冲层；
[0009] 对所述缓冲层进行升温
退火，形成具有成核岛的缓冲层；
[0010] 在所述具有成核岛的缓冲层上生长GaN外延层，得到蓝宝石上的GaN外延层。
[0011] 作为本发明的另一个方面，还提供一种蓝宝石上的GaN外延层，采用如上述的方法制备得到。
[0012] 基于上述技术方案，本公开提供一种蓝宝石上生长高质量GaN外延层的方法，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
[0013] 对蓝宝石衬底进行高温成核处理，使得在蓝宝石衬底表面形成高温成核点(即GaN成核中心)，产生的高温成核点质量高，要远高于传统的生长在低温缓冲层时产生的成核点；随后再进行低温buffer和退火处理，然后生长高温GaN外延层；使用该方法获得的GaN外延层位错密度可远低于常规的两步法生长，并且使用该方法生长可以降低反应室残留对生长GaN外延层的影响；可以很大程度上进一步提高GaN基激光器的应用，降低实验成本。
附图说明
[0014] 图1为本发明
实施例1的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层的方法
流程图；
[0015] 图2为本发明实施例1的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层的方法中
温度随生长时间变化关系图；
[0016] 图3为本发明实施例1的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层的方法中TMGa和NH3随生长时间变化关系图；
[0017] 图4为本发明实施例1的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层(002)面和(102)面的XRD ω扫描曲线图。
具体实施方式
[0018] 本发明提供了一种在蓝宝石表面获得高质量GaN外延层的方法，该方法通过在蓝宝石表面高温处理过程中通入一定量的TMGa和NH3的方法在蓝宝石表面形成高温成核点然后再生长缓冲层和外延层，获得的GaN外延层晶体质量高，位错低。同时该方法可以很大程度上降低MOCVD设备生长残留对生长GaN外延层的影响，使得外延更稳定。该方法有利于进一步提高GaN基激光器的应用，降低实验成本。
[0019] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0020] 作为本发明的一个方面，提供一种蓝宝石上生长GaN外延层方法，该方法包括如下步骤：
[0021] 对蓝宝石衬底进行高温成核处理，在蓝宝石衬底上形成GaN成核中心；
[0022] 在含有GaN成核中心的蓝宝石衬底上生长缓冲层；
[0023] 对缓冲层进行升温退火，形成具有成核岛的缓冲层；
[0024] 在具有成核岛的缓冲层上生长GaN外延层，得到蓝宝石上的GaN外延层。
[0025] 更为具体地，在本发明的实施例中，对蓝宝石衬底进行高温成核处理步骤中，高温成核处理的操作包括：对蓝宝石衬底高温加热，同时通入GaN的高温成核源，进行高温成核处理。
[0026] 在本发明的实施例中，对蓝宝石衬底进行高温成核处理步骤中，GaN的高温成核源包括TMGa和NH3，其中，
[0027] TMGa的流量大于3μmol/min且小于20μmol/min；
[0028] NH3的流量大于100μmol/min且小于1000μmol/min。
[0029] 在本发明的实施例中，对蓝宝石衬底进行高温成核处理步骤中，高温成核处理的温度为1050℃～1100℃。
[0030] 在本发明的实施例中，对蓝宝石衬底进行高温成核处理步骤中，高温成核处理的时间为3min～10min。
[0031] 在本发明的实施例中，生长缓冲层的步骤中，生长缓冲层的温度为500℃～600℃；缓冲层包括GaN缓冲层或A1N缓冲层；缓冲层的厚度为20nm～30nm。
[0032] 在本发明的实施例中，对缓冲层进行升温退火的步骤中，升温退火处理的升温速率为60℃/min～120℃/min；成核岛的尺寸为400nm～700nm。
[0033] 在本发明的实施例中，生长GaN外延层的步骤中，生长GaN外延层的温度为1000℃～1100℃，NH3和TMGa的流量分别为3mol/min～20mol/min和100mol/min～1000mol/min。
[0034] 作为本发明的另一个方面，还提供一种蓝宝石上的GaN外延层，采用上述的方法制备得到。
[0035] 在本发明的实施例中，蓝宝石上的GaN外延层的螺位错密度为3.71*107cm-3，刃位错密度为1.94*108cm-3。
[0036] 以下结合具体实施例对本发明提供的一种蓝宝石上生长GaN外延层方法作进一步说明。
[0037] 实施例1
[0038] 图1为本发明实施例1所示的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层的方法流程图；图2为本发明实施例1所示的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层的方法中温度随生长时间变化关系图；图3为本发明实施例1所示的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层的方法中MO源(即TMGa和NH3)随生长时间变化关系图；图4为本发明实施例1所示的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层(002)面和(102)面的XRD ω扫描曲线图。
[0039] 结合图1、图2和图3所示，本发明的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层的方法，包括：
[0040] 步骤S11：对蓝宝石衬底进行表面高温处理，并在该高温处理过程中通入一定量的NH3和TMGa做为高温成核源，在蓝宝石表面形成成核中心。
[0041] 参照图2和图3，加热蓝宝石衬底，使温度升高至1100℃，然后通入TMGa源和NH3，该高温
表面处理过程的时间为5min。通入的TMGa源和NH3的流量远小于正常GaN长时的流量。其中通入的TMGa流量需满足小于20μmol/min大于3μmol/min。其中通入的NH3的流量需满足小于1000μmol/min大于100μmol/min。。
[0042] 在该过程中通入的TMGa和NH3会在高温下发生分解，并反应生成GaN，由于通入的量非常小，因此其无法直接生成外延层，但其会在蓝宝石衬底表面形成一些很小的成核点，通入TMGa和NH3相当于一个高温成核的过程，由于温度很高，因此其产生的高温成核点质量要远高于传统的在生长低温缓冲层时产生的成核点。
[0043] 过高的流量会使得表面成核点过多，使得最终的外延层位错密度偏高，而低的流量又会使得成核点不足，需在低温产生一部分成核点来进行补足，同样也会使得最终外延层位错密度增加。综合考虑，其中通入的TMGa流量需满足小于20μmol/min大于3μmol/min。其中通入的NH3的流量需满足小于1000μmol/min大于100μmol/min。
[0044] 步骤S12：在蓝宝石衬底上低温生长GaN缓冲层；
[0045] 参照图2和图3所示，高温处理后降温至550℃，然后在蓝宝石上低温生长GaN缓冲层，生长的GaN缓冲层厚度的参考值为20nm～30nm，生长温度为550℃。此时通入的TMGa和NH3流量远大于步骤S11所通入的量。其中，NH3和TMGa的流量分别为0.267mol/min和90μmol/min。
[0046] 在本实施例中，GaN缓冲层的厚度为20nm。
[0047] 步骤S13：升温退火对低温缓冲层进行重结晶；
[0048] 升高样品的温度，至到1050℃，该升温过程是一个重结晶的过程，即升温过程中低温缓冲层发生重结晶，当温度升高到1050℃时，会在蓝宝石表面形成一系列的成核岛，该成核岛的尺寸和密度也是和步骤S11紧密相连的，步骤S11会使得成核岛的尺寸增大，密度减小。
[0049] 步骤S14：生长GaN外延层。
[0050] 参照图2和图3所示，当温度升高至1050℃后通入NH3和TMGa开始GaN外延层的生长，该过程通入的NH3和TMGa流量也是远大于步骤S11所通入的量的。其中，NH3和TMGa的流量分别为0.3mol/min和90μmol/min。
[0051] 生长完成后的GaN外延层可以用XRD来测量其晶体质量，图4为根据本发明实施例1所示的一种在蓝宝石表面外延生长高质量GaN外延层(002)面和(102)面XRDω扫描曲线图，如图4所示，其(002)面的半高宽为136″，(102)面的半高宽为191″。根据半高宽和位错密度的关系可得其螺位错密度为3.71*107cm-3，刃位错密度为1.94*108cm-3。这值是远低于传统两步法生长的。
[0052] 对比例1
[0053] 本发明的对比例1为传统两步法生长GaN外延层的方法，其温度变化趋势与实施例1没有变化，都是如图1所示，主要区别在步骤S11，对比例1的方法在该步骤中不会通入NH3和TMGa，只是升温对蓝宝石表面进行高温处理来去除蓝宝石表面的一些
吸附原子。
[0054] 对比例1的生长方法与实施例1有完全相同的步骤S12、S13和S14。采用对比例1的传统两步法生长GaN外延层的方法获得的GaN层的螺位错密度大概为5*108cm-3左右，刃位错密度为7*108cm-3～8*108cm-3。
[0055] 需要说明的是，步骤S12、S13、S14中的制备过程、反应条件等属于本领域比较成熟的技术，本领域技术人员可根据实际需要进行适应性设置，本公开实施例仅作为示例，列举的生长温度和厚度等并不限定本公开的保护范围。
[0056] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
