專利名稱：一種非極性GaN薄膜及其生長方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在一種新型襯底LiA102材料上用量產型MOCVD機臺生長非極性GaN薄膜 及其生長方法。
背景技術：
以GaN為代表的新一代半導體材料以其寬直接帶隙(Eg=3.4eV)、高熱導率、高硬度、 高化學穩(wěn)定性、低介電常數(shù)、抗輻射等特點獲得了人們的廣泛關注，在固態(tài)照明、固體激光 器、光信息存儲、紫外探測器等領域都有巨大的應用潛力。按中國2002年的用電情況計算， 如果采用固態(tài)照明替代傳統(tǒng)光源， 一年可以省下三峽水電站的發(fā)電量，有著巨大的經濟、環(huán) 境和社會效益；而據(jù)美國能源部測算，到2010年，全美半導體照明行業(yè)產值將達500億美元。 在光信息存儲方面，以GaN為基礎的固體藍光激光器可大幅度提高光存儲密度。正因為這些 優(yōu)點，GaN及其合金被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱結構LEDs已經商品化。
襯底材料對于外延薄膜的質量有著重要影響。目前GaN體單晶材料生長十分困難，有報 道說GaN在壓力為60-70kbar、溫度為2300°C下還不熔化。生長條件通常是高溫高壓，代價 昂貴，不利于商業(yè)化，因此目前的應用大多是在c向藍寶石上做異質外延。使用c向藍寶石的 一個重大缺點是其與GaN薄膜的晶格失配高達13.6%,雖然通過緩沖層技術可以彌補這一缺 點，但是這樣嚴重的失配仍然會導致外延膜中有著高密度的缺陷，從而降低器件效率。另外， GaN薄膜通常是沿著其極性軸c軸方向生長的，由自發(fā)極化和壓電效應而產生的強大的內建 電場大大地降低了發(fā)光效率。采用新型LiA102襯底有望解決這兩個問題。LiA102襯底與GaN 薄膜晶格失配小，只有1.4%，而且在LiA102上生長的是非極性的GaN薄膜，可以消除內建 電場對于發(fā)光效率的限制作用。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種非極性GaN薄膜的生長方法，其利用MOCVD 系統(tǒng)在鋁酸鋰襯底上合成生長非極性GaN薄膜。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案 一種非極性GaN薄膜，其利用 MOCVD系統(tǒng)在LiA102襯底上合成生長，該薄膜包括LiA102襯底及依次生長的低溫保護層、 U-GaN (非摻雜氮化鎵)層、高溫U-GaN層及另一U-GaN層。
本發(fā)明進一步包括一種非極性GaN薄膜的生長方法，該方法包括以下步驟
步驟一.*在MOCVD系統(tǒng)中，在N2保護下，升溫到800-900°C，在鋁酸鋰襯底上生長低 溫保護層，低溫保護層壓力150-500torr， TMGa流量l-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min
—3E-4mole/min。
步驟二降低壓力至100-300torr，升溫到1000-1100°C生長U-GaN層，TMGa流量 10-200sccm，對應于摩爾流量4E-5mol/min—lE-3moIe/min;
步驟三再升溫到1150-1200°C，在這個溫度下生長高溫U-GaN層100nm; 步驟四再降溫到1000-1100。C生長另一 U-GaN層。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案之一，在步驟一中，在生長開始之前，首先對鋁酸鋰襯底表 面在'600-900。C下進行原位熱處理。
綜上所述，本發(fā)明提供一種非極性GaN薄膜及其生長方法，其利用MOCVD系統(tǒng)在LiA102 襯底上合成生長非極性GaN薄膜，通過生長低溫保護層，保護鋁酸鋰襯底不被高溫破壞，高 溫U-GaN層可改善生長的GaN的表面平整度。


圖1是本發(fā)明生長流程中工藝條件示意圖； 圖2是本發(fā)明結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的具體實施步驟
一種非極性GaN薄膜，其利用MOCVD系統(tǒng)在鋁酸鋰襯底上合成生長，該薄膜包括鋁酸 鋰襯底上依次生長的低溫保護層、U-GaN層、高溫U-GaN層及另一 U-GaN層。
一種非極性GaN薄膜的生長方法，在MOCVD系統(tǒng)中，在N2保護下，(可以在600-900°C 進行原位熱處理，也可以不處理)升溫到800-900°C，生長低溫保護層，低溫保護層壓力比較 高(150-500torr)， TMGa流量比較低(l-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min— 3E-4mole/min )，然后降低壓力(100-300torr)，升溫到1000-1100。C繼續(xù)生長U-GaN層，TMGa 流量比較高(10-200sccm，，對應于摩爾流量4E-5mol/min—lE-3mole/min)，然后再升溫到 U50-1200。C，生長約100nm，然后再降溫到1000-1100°C生長U-GaN。
這樣長完一個完整的單層結構。低溫保護層的目的是保護鋁酸鋰襯底不被高溫破壞，
低溫保護層TMGa流量必須比較小，這樣低溫保護層的質量不至于很差。短暫的最高溫 (1150-1200°C)的目的是改善生長的GaN薄膜的表面平整度，這個時間不能太長，太長會破 壞襯底，太短又起不到改善表面的作用。
如果鋁酸鋰襯底是(100)面的，那么所生長的GaN薄膜取向是m(10T0)面的；如果鋁酸鋰 襯底是(302)面的，那么所生長的GaN薄膜取向是a(ll50)面的。
主要特點 1，可以不進行熱處理；
2，低溫保護層，溫度比較低，壓力比較高，TMGa流量比較低，生長速率比較慢； 3， U-GaN層，溫度較高，壓力較低，TMGa流量比較高，生長速率比較快； 4，高溫U-GaN層，溫度最高，時間比較短，改善表面的作用。
以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技 術方案，均應涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當中。
權利要求
1.一種非極性GaN薄膜，其利用MOCVD系統(tǒng)在鋁酸鋰襯底上合成生長，其特征在于該 薄膜包括在鋁酸鋰襯底上依次生長的低溫保護層、U-GaN(非摻雜氮化鎵)層、高溫U-GaN 層及另一U-GaN層。
2. —種如權利要求1所述的非極性GaN薄膜的生長方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一在MOCVD系統(tǒng)中，在N2保護下，升溫到800-900°C，在鋁酸鋰襯底上生長低 溫保護層，低溫保護層壓力150-500torr， TMGa流量l-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min 一3E-4mole/min 。步驟二降低壓力至100-300torr，升溫到1000-1100°C生長U-GaN層，TMGa流量 10-200sccm，對應于摩爾流量4E-5mol/min—lE-3mole/min;步驟三再升溫到1150-1200。C，在這個溫度下生長高溫U-GaN層lOOnm; 步驟四再降溫到1000-1100。C生長另一 U-GaN層。
3. 如權利要求l所述的一種非極性GaN薄膜的生長方法，其特征在于在步驟一中，在生長 開始之前，首先對鋁酸鋰襯底表面在600-900°C下進行原位熱處理。
全文摘要
一種非極性GaN薄膜及其生長方法，在金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD)系統(tǒng)中，在鋁酸鋰(LiAlO₂)襯底上，在N₂保護下，升溫到800-900℃，生長低溫保護層，低溫保護層反應室壓力為150-500torr，三甲基鎵(TMGa)流量為1-50sccm，對應于摩爾流量4E-6mole/min-3E-4mole/min，然后降低壓力至100-300torr，升溫到1000-1100℃繼續(xù)生長非摻雜氮化鎵(U-GaN)層，TMGa流量為10-200sccm，對應于摩爾流量4E-5mol/min-1E-3mole/min，然后再升溫到1150-1200℃，生長高溫U-GaN約100nm，然后再降溫到1000-1100℃生長U-GaN。通過生長低溫保護層，保護鋁酸鋰襯底不被高溫破壞，短暫的高溫U-GaN的目的是改善生長的GaN薄膜的表面平整度。
文檔編號H01S5/00GK101364631SQ200810200458
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月25日 優(yōu)先權日2008年9月25日
發(fā)明者周健華, 周圣明, 潘堯波, 郝茂盛, 顏建鋒 申請人:上海藍光科技有限公司;彩虹集團公司;中國科學院上海光學精密機械研究所