基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法
技术领域
1.本发明涉及一种半导体材料的生长方法，尤其是涉及一种基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法。
背景技术：2.近年来，gan作为极其热门的材料备受瞩目，其具有较宽的直接带隙，较高的热导率，化学稳定性好等优势，在光电子、高频器件和高功率器件等领域有着巨大的应用潜力。尽管gan的应用已经非常广泛，但对于高质量的gan外延层仍然是一个巨大的挑战。
3.由于没有天然的gan衬底，采用异质外延生长是gan薄膜材料的主要生长方式。考虑到衬底的价格和热导率等因素，目前广泛使用的衬底有蓝宝石，si，sic等衬底，但由于较大的晶格失配和热失配影响，导致生长的gan极易发生开裂和大量位错密度存在，进而影响和限制了其应用进程。因此寻找一个合适的衬底材料生长高质量的gan薄膜是一个巨大的挑战。2015年，韩国忠南大学byung-guon park等人(journal of crystal growth, 425, 2015, 149-153)报道了采用等离子体辅助分子束外延（pa-mbe）在蓝宝石，si和lgs衬底上生长gan薄膜，发现在硅酸镓镧晶体衬底上生长出了无应力的gan薄膜，指出了硅酸镓镧晶体是一种理想的gan外延衬底。但由于mbe法生长速率较低，且成本昂贵，难以满足当前半导体器件快速发展对于gan材料日益增长的需要。
4.目前，随着半导体器件的飞速发展，对gan薄膜质量及产量日益增长的需要，以及当前主流的异质外延衬底与gan晶格失配大，热膨胀匹配性差等问题。金属有机化合物化学气相沉积（mocvd）法是一种常用的外延生长gan薄膜方法，其生长速率快，外延薄膜质量高，对于推动gan基器件的快速发展具有重要意义。然而，相比于较低的生长温度的mbe法，mocvd法的生长温度通常在1000
˚
c以上，一方面对于衬底的耐高温稳定性要求较高，另一方面生长结束冷却过程中，gan与衬底之间较大的热膨胀系数差异极易增大薄膜的应力和引起开裂。因此，采用mocvd法生长gan薄膜通常对衬底提出了较为苛刻的要求。目前，国内外还没有公开任何关于采用mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长出高质量的gan单晶薄膜的相关研究。
技术实现要素：5.本发明所要解决的技术问题是提供一种晶格失配性和热膨胀系数失配性均较低的基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法，包括以下步骤：（1）将清洁后的硅酸镓镧类晶体衬底放入金属有机化合物化学气相沉积（mocvd）腔室，向反应室通入h2与nh3的混合气，升温至1000-1200 ˚
c，保持反应室压力为100-300 mbar的条件下对衬底高温处理3-8 min；
流量调节为5 slm，在保持压力为300 mbar的条件下生长6 min，得到低温gan成核层；然后升温至1000 ˚
c， tmga流量调节为300 sccm，nh3流量调节为20 slm，在保持压力为150 mbar的条件下生长1 h后，在低温gan成核层上生长出高温gan单晶薄膜。图1为ctas晶体衬底上生长的gan薄膜的摇摆曲线图，其半峰宽为720 arcsec，可见生长出了低缺陷密度的高质量gan薄膜。
14.实施例2将2英寸ca3ta(ga
0.5
al
0.5
)3si2o
14 (ctags)单晶衬底依次置于丙酮和异丙醇中，超声处理10 min，然后用去离子水漂洗，再用n2吹干。将清洁后的衬底放入mocvd腔室，向反应室通入h2与nh3的混合气，升温至1100 ˚
c，保持反应室压力为200 mbar的条件下对衬底高温处理5 min；然后降温至560 ˚
c，通入流量为75 sccm的tmga，nh3流量调节为10 slm，在保持压力为600 mbar的条件下生长3 min，得到低温gan成核层；然后升温至1080 ˚
c， tmga流量调节为220 sccm，nh3流量调节为30 slm，在保持压力为300 mbar的条件下生长3 h后，在低温gan成核层上生长出高温gan单晶薄膜。
15.参照图2，图2（a）为衬底与薄膜截面tem图，界面处平整，说明生长的薄膜质量较好，衬底未被破坏。图2（b）为薄膜的hrtem图，晶格条纹一致，可说明生长的gan薄膜为单晶薄膜。图2（c）和（d）分别为相同测试条件下gan薄膜和ctags衬底的选区电子衍射(saed)图谱，通过对衍射斑点的标定，可得出mocvd法在ctags衬底上生长gan单晶薄膜后，衬底和薄膜的晶格排列关系为：gan(0001)//ctags(0001)，gan()//ctags()，说明gan晶格在衬底上有一定的偏转角度，其角度为ctags()与ctags()之间的夹角，计算可知该角度为19.1
˚
，说明gan晶格在ctags衬底上旋转了19.1
˚
，由此关系可以画出图3所示的晶格排列示意图。
16.在算出实际生长的gan与ctags的晶格排列关系后，可计算出gan与ctags之间的晶格失配度，计算结果如表1所示。可知gan晶格在ctags衬底上movcvd法生长晶格旋转了19.1
˚
，其晶格失配度为4.15%。对比于gan在蓝宝石衬底上生长时，晶格旋转为30
˚
，晶格失配度为16.1 %（crystengcomm, 2013, 15, 7965
–
7969）。可见我们所用ctags为优质衬底，其用来外延生长gan薄膜的晶格失配度远低于蓝宝石。
17.实施例3将1英寸ca3nbal3si2o
14 (cnas)单晶衬底依次置于丙酮和异丙醇中，超声处理10 min，然后用去离子水漂洗，再用n2吹干，将清洁后的衬底放入mocvd腔室，向反应室通入h2与nh3的混合气，升温至1000 ˚
c，保持反应室压力为300 mbar的条件下对衬底高温处理8 min；然后降温至600 ˚
c，通入流量为60 sccm的tmga，nh3流量调节为18 slm，在保持压力为100 mbar的条件下生长8 min，得到低温gan成核层；然后升温至1150 ˚
c， tmga流量调节为450 sccm，nh3流量调节为40 slm，在保持压力为500 mbar的条件下生长5 h后，在低温gan成核层上生长出高温gan单晶薄膜。图4为cnas晶体衬底上生长的gan薄膜afm图，表面能观察到明显的台阶流，可见生长的薄膜质量较好。
[0018] 二、实验结果对比对比例1对比2013年文献（crystengcomm, 2013, 15, 7965
–
7969）在2英寸蓝宝石上生长的单晶gan薄膜，其研究发现在蓝宝石上外延生长单晶gan时，gan与蓝宝石的实际晶格失配
度为16.1%。
[0019]
参照表1，本专利实施例1，2，3中的ctas、ctags、cnas衬底与gan薄膜的的晶格失配度分别为4.15 %、5.26 %、5.39 %，远低于蓝宝石与gan薄膜的晶格失配度。
[0020]
对比例2对比文献（crystengcomm, 2015, 17, 4455）在lgs衬底上采用mbe法生长的gan薄膜，其生长的gan半峰宽为828 arcsec，而本专利实施例1中ctas衬底上mocvd法生长的gan薄膜半峰宽仅为720 arcsec，说明通过本发明可以在lgs类衬底上生长出更少缺陷的gan薄膜。表1是实施例1，2，3中ctas，ctags，cnas衬底与gan薄膜的实际晶格匹配计算结果表 1. 生长后的gan薄膜与ctags、ctas和cnas晶体的晶格失配计算。
[0021]
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
技术特征：1.基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将清洁后的硅酸镓镧类晶体衬底放入金属有机化合物化学气相沉积腔室，向反应室通入h2与nh3的混合气，升温至1000-1200 ˚
c，保持反应室压力为100-300 mbar的条件下对衬底高温处理3-8 min；（2）以三甲基镓和nh3为气源，在400～600 ˚
c温度范围内，在硅酸镓镧类晶体衬底上生长一层低温gan成核层；（3）将反应室升温至900～1200 ˚
c，在低温gan成核层上生长高温gan单晶薄膜。2.根据权利要求1所述的基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的硅酸镓镧类晶体通式为a3bc3d2o
14
，其中a为la
3+
，nb
3+
，ca
2+
，sr
2+
，ba
2+
，pb
2+
或na
+
；b为ga
3+
，al
3+
，zn
3+
，co
3+
，in
3+
，fe
3+
，ta
5+
，nb
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，v
5+
或sb
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；c为ga
3+
，al
3+
或fe
3+
；d为si
4+
，ge
4+
，ti
4+
或sn
4+
。3.根据权利要求1所述的基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的硅酸镓镧类晶体制备方法包括提拉法和下降法，尺寸为1～6英寸。4.根据权利要求1所述的基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法，其特征在于：步骤（2）具体为将反应室降温至400
ꢀ‑
600
˚
c，通入流量为40
ꢀ‑
75sccm的三甲基镓(tmga)，nh3流量调节为5
ꢀ‑
18slm，在保持压力为100-600 mbar的条件下生长3-8 min，得到低温gan成核层。5.根据权利要求1所述的基于mocvd法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长gan单晶薄膜的方法，其特征在于：步骤（3）具体为将反应室升温至1000
ꢀ‑
1150
˚
c，tmga流量调节为220-450sccm，nh3流量调节为20-40 slm，在保持压力为150-500 mbar的条件下生长1
ꢀ‑
5h后，在低温gan成核层上生长出高温gan单晶薄膜。
技术总结本发明公开了基于MOCVD法在硅酸镓镧类晶体衬底上生长GaN单晶薄膜的方法，特点是包括以下步骤：（1）将清洁后的硅酸镓镧类晶体衬底放入金属有机化合物化学气相沉积腔室，向反应室通入H2与NH3的混合气，升温至1000-1200
技术研发人员：郑燕青 王帅 孙志刚
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/7/5
