一种氮化镓外延片结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及一种氮化镓外延片结构及其制备方法。

背景技术

氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大（3.4ev）、击穿电场高、电子漂移速度快等优良光电特性，因此在UV-可见发光二极管、激光器、光电探测器以及高频和大功率电子设备中有着重要应用。

高质量的氮化镓薄膜是制备高性能光电器件的关键因素，由于缺少同质单晶的大面积低成本衬底，蓝宝石、SiC以及Si是目前普遍用于工业外延GaN材料的衬底，然而这些衬底材料与GaN材料之间存在巨大的晶格和热失配，导致外延生长的氮化镓薄膜存在较大的残余应力和较高的缺陷密度（10

氧化镓（Ga

然而，目前基于氧化镓衬底的氮化镓外延技术还不够完善，氮化镓材料与氧化镓衬底间的应力释放问题还无法很好的解决，现有技术中能制备得到的满足器件制备需求的薄膜厚度通常在3μm以下，更大尺寸、更大厚度且质量较优的氮化镓薄膜的制备则存在较大难度。

发明内容

针对现有技术所存在的技术问题，本发明提供了一种氮化镓外延片结构，解决了氧化镓衬底异质外延过程中薄膜应力大无法得到大尺寸大厚度高质量氮化镓薄膜的问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述技术目的：本发明提供了一种氮化镓外延片结构，所述外延结构由下至上依次为氧化镓衬底层、（X

本发明通过在传统的GaN合金/GaN缓冲体系前，沉积一层氧化镓合金缓冲层，进一步减少了衬底与GaN材料间的晶格失配，解决了氧化镓衬底异质外延过程中薄膜应力大质量差的问题。

其中，（X

作为一种优选的实施方式，所述氧化镓衬底层的厚度为500~700

作为一种优选的实施方式，所述氮化镓外延层的厚度为1~15

本发明还提供了上述氧化镓外延片结构的制备方法，包括以下步骤：

在洁净的氧化镓衬底表面通过调整气源比例生长（X

作为一种优选的实施方式，生长（X

作为一种优选的实施方式，其包括以下制备步骤：

在氧化镓衬底表面生长（InGa）

在（InGa）

在AlGaN缓冲层生长氮化镓缓冲层，升高温度至1050~1150℃，关闭铝源，载气为H

基于1050~1150℃的温度，生长氮化镓外延层，载气为H

本发明通过在氧化镓衬底上依次沉积（X

附图说明

图1为本发明所提供的氮化镓外延片结构的结构示意图；

图2为实施例1中制备得到的氮化镓外延层的XRD图；

图3为实施例1中制备得到的氮化镓外延层另一衍射晶面的XRD图。

图中：

1 氧化镓衬底层、2（X

具体实施方式

工业上的GaN薄膜外延方案，主要采用蓝宝石或者Si作为外延衬底共价键生长制备GaN薄膜，为了避免蓝宝石或者Si衬底带来的巨大的晶格和热失配，往往通过在衬底上生长缓冲层来释放由于晶格失配和热失配带来的应力。目前，虽然采用AlN插层、GaN/AlN超晶格和Al组分渐变AlGaN缓冲层能够实现光面光滑、位错密度在1×10

专利JP2009227545A公开了一种光学装置用基板及其制造方法，所述方法包括：提供氧化镓衬底，通过氮化Ga

本发明基于上述现有技术而进行进一步的研究，从而提供一种氮化镓外延结构，该外延结构由下至上依次为氧化镓衬底层1、（X

通过在氧化镓衬底上依次沉积（X

在该方法中，当氧化镓合金缓冲层中合金为In组分渐变缓冲层时，其制备得到的氮化镓薄膜厚度可大于5

另外，氮化镓合金缓冲层既可以采用固定合金组分，也同样可以采用合金组分渐变的结构。

本发明中，氧化镓衬底层的厚度为500~700

上述外延片结构可通过以下方法制备得到：在洁净的氧化镓衬底表面通过调整气源比例生长（X

其中，生长（X

本发明通过在氧化镓衬底上依次沉积（X

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。以下各实施例，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供一种Al组分合金GaN复合应力缓冲层的氧化镓基氮化镓外延片，制备方法如下：

S1，将6英寸氧化镓基衬底置于金属有机化合物化学气相沉淀（Metal-organicChemical Vapor Deposition，简称MOCVD）反应腔室内进行清洗，除去衬底表面污染杂质；

S2，在6英寸氧化镓衬底表面生长（InGa）

S3，在（InGa）

S4，在AlGaN单层缓冲层上生长GaN缓冲层，升高温度至1050℃，关闭铝源，载气为H

S5，基于1150℃的温度，在复合应力缓冲层上生长GaN外延层，载气为H

实施例2

本实施例提供另一种固定组分合金GaN复合应力缓冲层的氧化镓基氮化镓外延片，其与实施例1的主要区别在于，氧化镓合金缓冲层采用Al组分固定的单层缓冲层，氮化镓合金缓冲层采用Al组分变化的复合缓冲层，具体制备方法如下：

S1，将6英寸氧化镓基衬底置于金属有机化合物化学气相沉淀（Metal-organicChemical Vapor Deposition，简称MOCVD）反应腔室内进行清洗，除去衬底表面污染杂质；

S2，在氧化镓衬底表面生长（AlGa）

S3，在（Al

S4，在AlGaN复合缓冲层上生长GaN单层缓冲层，升高温度至1050℃，关闭铝源，载气为H

S5，基于1100℃的温度，在复合应力缓冲层上生长GaN外延层，载气为H

对比例1

本对比例提供一种不含有（XGa）

S1，将6英寸氧化镓基衬底置于金属有机化合物化学气相沉淀（Metal-organicChemical Vapor Deposition，简称MOCVD）反应腔室内进行清洗，除去衬底表面污染杂质；

S2，在氧化镓衬底表面直接生长AlGaN复合缓冲层，基于950℃，采用三甲基镓、三甲基铝和氨气分别作为镓源、铝源和氮源，载气为H

S3，在AlGaN复合缓冲层上生长GaN复合缓冲层，升高温度至1050℃，关闭铝源，载气为H

S5，基于1150℃的温度，在复合应力缓冲层上生长GaN外延层，载气为H

在此有必要指出的是，以上实施例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和说明，并不是对本发明的技术方案的进一步的限制，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。