本发明属于gan材料外延，具体地，涉及一种三维、两维gan层多次交替结构改善非极性gan材料质量的外延生长方法。
背景技术：
1、氮化镓(gan)材料具有直接宽禁带，化学性质稳定，耐高温的特点，能够应用于发光器件、光电探测器等器件。目前氮化镓材料及器件已经广泛商业化生产，但是要进一步提高氮化镓器件的性能存在材料结构上的困难。由于gan衬底尺寸小、价格高，目前商业化生长的gan材料与器件，都是在蓝宝石衬底上沿极性轴c轴生长的极性gan材料与器件，沿极性轴生长会带来极化效应，极化效应在发光器件的有源区会带来量子限制斯塔克效应，这种效应会限制发光器件量子效率的提高。要想进一步提高器件性能，就要去除这种极化效应。去除极化效应的方法，是在r面蓝宝石衬底上，使得极轴c轴和m轴位于生长面(1120)内，沿a轴生长，这样生长的非极性gan能够去除极性。但是，结构上沿c轴和沿m轴失配不同，会带来生长面内的各向异性，导致外延生长的非极性gan材料存在高的位错密度和粗糙的表面形貌问题。以往研究中引入了许多去除位错的方法，其中比较简单有效的方法是两步生长法，先用三维生长降低位错，然后转为二维生长改善表面形貌。但是两步生长法目前存在着问题，要想较好的降低位错，就要生长厚的三维gan层，但是厚的三维gan层会使材料形貌起伏过大，后面的两维gan层很难完全改善表面形貌，粗糙的表面形貌也会带来表面缺陷，影响材料质量，这种传统的两步生长法目前还没有解决非极性gan材料的质量问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提出了一种三维、两维gan层多次交替结构改善非极性gan材料质量的外延生长方法，通过金属有机物化学气相沉积(mocvd)方法，提高在r面蓝宝石衬底上生长的非极性a面gan薄膜材料质量，既减少位错密度，又改善表面形貌。
2、为实现上述目的本发明采用如下技术方案：提出了一种三维、两维gan层多次交替结构改善非极性gan材料质量的外延生长方法，采用r面蓝宝石衬底，在r面蓝宝石衬底上生长低温gan成核层，在低温gan成核层上交替层叠生长高压、高v/iii比生长条件生长的三维gan层和低压、低v/iii比生长条件生长的二维gan层，形成三维、两维gan层多次交替结构，具体包括如下步骤：
3、步骤一、将r面蓝宝石衬底在mocvd反应室中热处理，温度1000℃～1100℃，烘烤3min～10min；
4、步骤二、在温度1000℃～1100℃，氮气和氨气体积比为2：1的混合气氛中，氮化2min～10min；
5、步骤三、降低温度到500℃～600℃，压力500mbar～600mbar，生长一层厚度20nm～40nm的低温gan成核层；
6、步骤四、升温到1000℃～1100℃，压力300mbar～600mbar，v/iii比1000～3000，生长三维gan层，生长厚度0.1μm～0.8μm；
7、步骤五、在温度1000℃～1100℃，压力50mbar～200mbar，v/iii比50～300的条件下，生长二维gan层，生长厚度0.5μm～2μm；
8、步骤六、以步骤四和步骤五为循环周期，重复数个循环周期。
9、根据本发明实施例，所述的三维、两维gan层多次交替结构改善非极性gan材料质量的外延生长方法在生长低温gan成核层、三维gan层和二维gan层时，三甲基镓为镓源，氨气为氮源，载气为氢气和氮气。
10、根据本发明实施例，重复步骤四和步骤五1-7次。
11、本发明提出了一种既降低位错又改善表面形貌的整体改善材料质量方法，采用上述方法制备得到的生长在r面蓝宝石衬底上的非极性gan材料，能够整体上既降低位错又改善表面形貌。在方法的设计上，每一次三维gan层生长会部分降低位错，相应的后续二维gan层生长，针对前面三维gan带来的表面起伏进行修复，这样多次交替，把降低位错改善表面形貌作为整体目标，分多次完成。这样整体设计的思路，达到了同时降低位错和改进表面形貌的目的。
12、本发明的机理特点在于：利用mocvd生长技术，在r面蓝宝石衬底上，通过多次交替三维、二维gan层生长达到既降低位错密度又改善表面形貌，提高非极性gan材料质量。目前外延非极性gan材料，常用两步生长法，在高压，高v/iii比条件下生长三维非极性gan薄膜，能够减少位错，但是过厚的三维gan生长，会带来表面形貌粗糙，在此基础上低压，低v/iii比条件下生长二维非极性gan薄膜，能够改善表面形貌。但是通过一次两步生长法生长的非极性gan薄膜方法，存在矛盾之处，要进一步降低位错密度，就要加厚三维gan层厚度，但是过厚的三维gan层引起的表面粗糙问题，后面即使生长较厚的二维gan层也难于修正表面的平整度，表面粗糙，不利于后续的半导体器件的生长，使得目前一次三维gan层和一次二维gan层生长的传统两步生长法，不能进一步改善材料质量，需要进一步研究改善生长技术。本发明采用交替三维、二维gan层生长方法，每一次生长的三维gan层具有缓解因晶格常数不同而产生的应力，改变位错传递方向从而截断部分位错的能力，阻挡了蓝宝石衬底与gan外延层失配产生的穿透位错的传递，每一次三维gan层生长不太厚，引起的表面起伏较小，又接着生长的二维gan层及时长平修复前次三维gan层生长的缺陷和表面起伏，这样交替数次，把衬底和外延层晶格常数不同带来的位错，通过每次三维gan层生长，逐步降低，同时，精心设计的每次二维gan层生长能够及时修补相应前面三维gan层的表面粗糙问题，最终，达到既降低位错，又改善材料表面形貌问题。因此生长的非极性gan薄膜位错密度较低，表面形貌较好，能够改善原来两步生长法的不足。
13、本发明核心机理在于精心设计的生长条件与各层三维gan层起伏高低和厚度与相应后续二维gan层生长条件和厚度相互配合，各层三维gan层都起到逐次降低位错目的、每一个二维gan层起到修复上一次三维gan层带来的表面粗糙的目的，把传统两步生长法用一次厚三维gan层降低位错，二维gan层改善表面形貌方法，改为用累积多次生长三维gan层降低位错，多次二维gan层逐次修复，最终达到既降低位错密度又改善表面粗糙度，完成这个传统一次两步生长法不能同时完成的任务。所以每次三维gan层、二维gan层生长条件和结构的整体配合是本发明独特的创新。
14、通过上述技术方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种减少非极性gan材料位错密度，改善外延片表面形貌，从而提高非极性gan材料质量的外延生长方法。利用金属有机物化学气相沉积(mocvd)技术，外延结构从下向上依次为，r面蓝宝石衬底，低温gan成核层；高压、高v/iii比(v族与iii族源摩尔流量比)生长条件生长的三维gan层；低压、低v/iii比生长条件生长的二维gan层；三维gan层和二维gan层交替生长数个周期。本发明的特点是把降低位错与改善表面形貌两方面改进作为整体考虑，利用高压、高v/iii比条件生长的三维gan层来减少位错，利用低压、低v/iii比生长条件生长的二维gan层来改善材料的表面形貌。本发明的新方法能够达到既降低位错密度又改进表面形貌，克服传统两步生长法的困难，提高非极性gan材料质量，促进非极性gan材料今后的应用。
15、说明书附图
16、图1是传统的一次生长三维gan层和二维gan层两步生长非极性gan方法结构示意图；
17、图2是本发明多次交替生长三维、二维gan层非极性gan方法结构示意图；
18、图3是传统两步生长法样品的(1120)面沿c轴x射线衍射ω扫描图；
19、图4是根据实施例1交替三维、二维gan层生长四次样品的(1120)面沿c轴x射线衍射ω扫描图；
20、图5是根据实施例2交替三维、二维gan层生长二次的样品的(1120)面沿c轴x射线衍射ω扫描图；
21、图6根据实施例3是交替三维、二维gan层生长八次的样品的(1120)面沿c轴x射线衍射ω扫描图；
22、图7是传统两步生长法样品光学显微镜表面形貌图；
23、图8是根据实施例1交替三维、二维gan层生长四次样品的光学显微镜表面形貌图；
24、图9是根据实施例2交替三维、二维gan层生长二次样品的光学显微镜表面形貌图。
25、图10是根据实施例3交替三维、二维gan层生长八次样品的光学显微镜表面形貌图。
1.一种三维、两维gan层多次交替结构改善非极性gan材料质量的外延生长方法，采用r面蓝宝石衬底，在r面蓝宝石衬底上生长低温gan成核层，其特征在于，在低温gan成核层上交替层叠生长高压、高v/iii比生长条件生长的三维gan层和低压、低v/iii比生长条件生长的二维gan层，形成三维、两维gan层多次交替结构，具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的三维、两维gan层多次交替结构改善非极性gan材料质量的外延生长方法，其特征在于：在生长低温gan成核层、三维gan层和二维gan层时，三甲基镓为镓源，氨气为氮源，载气为氢气和氮气。
3.根据权利要求1或2所述的根据权利要求1所述的三维、两维gan层多次交替结构改善非极性gan材料质量的外延生长方法，其特征在于：步骤六中，重复步骤四和步骤五1-7次形成三维、两维gan层多次交替结构。
