改进氢化物气相外延生长氮化镓结晶膜表面质量的方法.pdf

本发明涉及一种In改进氢化物气相外延生长氮化镓结晶膜表面质量的方法，特征在于在HVPE生长GaN的过程中采用了In辅助外延生长。它是通过在HVPE反应室中同时放置镓(Ga)舟和In舟来实现的。Ga舟和In舟放在相同的温区，或放在不同的温区，HCl气体流过Ga舟和In舟，通过对于产生的InCl和GaCl的量进行调节，满足生长的需要。GaN结晶膜的生长温度为1000－1100℃，在此温度下不会形成InGaN合金，其他条件与通常的HVPE生长GaN的条件相同。由于In的引入，Ga原子的表面迁移长度增加，而这对于生长速度很高的HVPE生长方式非常重要，可以使得生长的GaN的表面的平整度得到改进，且降低GaN结晶膜中的缺陷位错密度。

1.  一种改进氢化物气相外延生长氮化镓结晶膜表面质量的方法，其特征在于氢化物气相外延生长GaN的同时引入In辅助源，并且与HCl气体反应生成的InCl和GaCl气体同时到达衬底表面，与NH₃在1000-1100℃反应，外延生长GaN结晶膜。

2.  按照权利要求1所述的改进氢化物气相外延生长氮化镓结晶膜表面质量的方法，所述的In源或与Ga源分别放置在分别可控流量的HCl气路中，或与Ga源放置在同一个可调HCl气路的不同温区内。

3.  按照权利要求1或2所述的改进氢化物气相外延生长氮化镓结晶膜表面质量的方法，其特征在于所述的Ga源或In源，以舟的形式存在。

4.  按照权利要求1或2所述的改进氢化物气相外延生长氮化镓结晶膜表面质量的方法，其特征在于In用以增强Ga原子的表面迁移长度，在反应温度范围内不生成InGaN合金。

5.  按照权利要求1或2所述的改进氢化物气相外延生长氮化镓结晶膜表面质量的方法，其特征在于In掺杂进入GaN结晶膜。

改进氢化物气相外延生长氮化镓结晶膜表面质量的方法
技术领域
本发明涉及一种改进氢化物气相外延(HVPE)生长氮化镓(GaN)结晶膜表面质量的方法，更确切的说，本发明提供一种通过In辅助外延生长来提高HVPE生长的GaN外延层的表面和结晶质量的方法，属于材料制备技术领域。
技术背景
近年来，HVPE技术在GaN材料制备中获得了广泛的应用。由于这种材料生长方法的生长速率高，设备简单，制备成本低，因此是制备自支撑厚膜GaN衬底的一种主要方法。目前人们采用这种方法已经成功的制备出了厚膜GaN衬底【R.J.Molnar et al.J.Cryst.Growth，V178，147，1997.】。由于目前HVPE外延厚膜GaN通常生长速率较高，因此生长后的GaN膜的表面较粗糙。为了解决这个问题人们通常采用生长后抛光等办法来获得平整的GaN表面【K.Motoki et al.J.Cryst.Growth，V237-239，912，2002.】，但是这种方法增加了GaN衬底制备的工序和成本。In作为表面活性剂在有机金属氧化物气相外延(MOVPE)中获得了成功应用，提高了MOCVD生长的GaN外延层的表面平整度，同时由于In的等电子掺杂效应，也会降低GaN外延层中的位错密度【G.Pozina et al.Appl.Phys.Lett.，V76，3388，2000.】。但是在HVPE生长GaN过程中引入In进行辅助生长的方法还没有报道。
发明内容
具体地说，本发明目的在于提供一种改进的氢化物气相外延(HVPE)生长GaN结晶膜的表面质量的方法，旨在进一步提高生长的GaN层的表面和结晶质量。本发明是在HVPE生长GaN的过程中，通过在HVPE反应室中同时放置镓(Ga)舟和In舟来实现。为了改进HVPE生长的GaN的表面质量，本发明又在生长过程中引入了In源，在反应器中In通过与HCl反应生成InCl，Ga与HCl反应生成GaCl，GaCl和InCl同时到达衬底表面，如图中4所示。Ga舟和In舟可以放在相同的温区，也可以放在不同的温区，两路分别受控的HCl气体，分别流过Ga舟和In舟，从而对反应所产生的InCl和GaCl的量进行调节，满足生长的需要。当然也可以把Ga舟和In舟放在一个气路中的不同温区。GaN的生长温度在1000-1100℃之间，在这个生长温度下InGaN合金是不会形成的，其他条件与通常的HVPE生长GaN的条件相同。由于In的引入，Ga原子的表面迁移长度增加，而这对于生长速度很高的HVPE生长方式非常重要，可以使得生长的GaN的表面的平整度得到改进，同时In在生长过程中还起到等电子掺杂的作用，降低GaN中的缺陷位错密度。In辅助HVPE GaN的方法非常简单，但是对于改进GaN膜的质量却很有效。此方法不仅适合于科学实验，而且又适用于批量生产时采用。
如上所述，采用In辅助HVPE外延生长GaN的优点归纳如下：
1.在HVPE生长GaN的同时引入In，不需要增加新的工序，却能够改进GaN膜的质量；
2.可以采用In和Ga源分开放置，两路独立的HCl气体流量分别可调，也可以同时把Ga舟和In舟放在一个气路中的不同温区，使用灵活；
3.HVPE生长GaN的温度在1000-1100℃之间，因此In能够增强Ga原子的表面迁移长度，但是不会形成InGaN合金；
4.一定量的In掺杂进入GaN膜中还起到等电子掺杂的作用，降低了GaN膜中的缺陷位错密度。
图1.本发明提供的改进HVPE外延生长GaN的In舟和Ga舟放在同一温区的示意图
图2.本发明提供的改进HVPE外延生长GaN的In舟和Ga舟放在不同温区的示意图
图中：
1.HCl气体  2.Ga舟  3.In舟  4.GaCl与InCl混合气体  5.NH3  6.衬底
下面通过具体实施方式，进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步，但本发明绝非仅局限于实施例。
实施例1，如图1所示，在HVPE生长GaN时，In舟和Ga舟分别放在两路独立的HCl气体流量，流量可在1-100sccm范围内可调，Ga舟与In舟的温度均为900℃，流经Ga舟和In舟管道中的HCl气体流量分别为15sccm和5sccm，为了加速气体流动，在气路中引入载气来携带HCl气体，载气为N₂。GaN的生长温度在1050℃。对有In和无In辅助外延生长后的结果测试表明，在这个生长温度下均没有形成InGaN合金，但是在对生长的GaN膜的二次离子散射的测量中发现了低浓度的In掺杂，掺杂浓度为10^-17/cm³。同时由于In的引入，使得生长的GaN的表面地粗糙度得到改进，X射线衍射半峰宽减小，说明材料的结晶和表面质量都得到了提高。
实施例2，如图2所示，在HVPE生长GaN时，反应室中同时放置镓(Ga)舟和In舟。在反应器中In通过与HCl反应生成InCl，Ga与HCl反应生成GaCl，GaCl和InCl同时到达衬底表面。In舟和Ga舟放在同一个管道中但是放在不同的温区，分别为600℃和900℃，流经管道中的HCl气体流量为15sccm，为了加速气体流动，在气路中引入载气来携带HCl气体，载气为N₂。GaN的生长温度在1050℃。对有In和无In辅助外延生长后的结果测试表明，在这个生长温度下均没有形成InGaN合金，但是在对生长的GaN膜的二次离子散射的测量中发现了低浓度的In掺杂，掺杂浓度为2×10^-17/cm³。同时由于In的引入，使得生长的GaN的表面的粗糙度得到改进，X射线衍射半峰宽减小，说明材料的结晶和表面质量都得到了提高。