[发明专利]基于TiN掩膜的GaN材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于TiN掩膜的GaN材料及其制备方法，主要解决现有技术由于化学机械抛光及刻蚀对材料造成的损伤问题。其自下而上包括：衬底(1)，GaN成核层(2)，c面GaN层(3)，该c面GaN层包含三层结构，第一层为经选择性腐蚀，表面有位错腐蚀坑的GaN层，第二层为覆盖在腐蚀坑上的TiN掩膜，第三层是以前两层为基板继续生长GaN层。本发明在制作过程中由于先在腐蚀过后的GaN表面溅射一层金属Ti，再通过高温使Ti金属聚合成球并流入腐蚀坑内，之后对表面进行氮化处理从而在腐蚀坑内形成TiN掩膜，阻止了腐蚀坑中的位错向上传播，避免了对GaN材料的损伤，可用于高性能、高可靠的光电器件和电子器件制备。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种GaN材料生长方法，可用于制作蓝绿光及近紫外半导体器件。

技术背景

以GaN为代表的Ⅲ-Ⅴ族宽带隙氮化物半导体材料是制造发光二极管，激光二极管，微波功率器件以及电力电子器件的重要半导体材料。

GaN基发光二极管近年来发展迅速，尤其是蓝光发光二极管，其量子效率已经达到了80％以上。但是目前普遍采用的异质外延GaN材料中约10⁸cm^-2的高位错密度限制了GaN基发光二极管器件性能的进一步提升。这是因为材料中的位错被认为是非辐射复合中心，非平衡载流子在位错处复合且不会产生光子出射，大大降低了发光效率。因此为改善器件性能，进一步降低GaN外延材料中的位错密度是十分必要的。

过去，研究者应用了一系列优化手段降低GaN外延材料中的位错密度，例如，图形化蓝宝石衬底技术、横向外延过生长技术、溅射AlN成核层技术等。基于腐蚀方法的选择性位错钝化技术也是提高GaN外延材料质量的有效手段。例如先在衬底上生长一层成核层；再生长一层c面GaN层并通过选择性腐蚀的方法腐蚀出位错坑；之后淀积一层SiO₂或SiN_x并采用化学机械抛光或刻蚀的方法去除表面的SiO₂或SiN_x，从而在位错坑内形成SiO₂或SiN_x材料阻挡位错的向上延伸；最后在此基板上继续生长低位错密度的c面GaN。所形成的材料结构如图1所示，其自下而上包括衬底1、成核层2、c面GaN层3；其中c面GaN层3包含有三层结构：第一层为经选择性腐蚀的GaN层31、第二层为SiO₂或SiN_x掩膜32、第三层为低位错密度的GaN层33。这些传统的SiO₂或SiN_x掩膜技术由于均涉及到化学机械抛光或刻蚀过程，因而会对材料表面产生损伤，从而对材料整体质量产生影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于TiN掩膜的GaN材料及其制备方法，以在降低GaN外延层中的位错密度的同时，避免化学机械抛光或刻蚀过程对材料质量的损伤，提高GaN材料的整体质量。

实现本发明目的的技术思路是：利用Ti金属粘附性及在高温时的流动性，使淀积在样品表面的Ti金属在高温下聚合成球并流入腐蚀坑内，之后对表面进行氮化处理从而在腐蚀坑内形成TiN掩膜，由此钝化腐蚀坑下的位错，阻止其进一步向上传播；最后采用MOCVD继续生长高质量的GaN材料。

根据上述思路，本发明的实现方案如下：

1.一种基于TiN掩膜的GaN材料，其自下而上包括：衬底层、成核层和c面GaN层，该c面GaN层由表面有位错腐蚀坑的GaN层，覆盖在腐蚀坑上的钝化掩膜，及位于所述GaN层和所述钝化掩膜之上的GaN层组成，其特征在于，所述c面GaN层中的钝化掩膜采用TiN，以避免对材料整体质量造成的损伤。

进一步，所述衬底层为蓝宝石衬底或硅衬底或GaN衬底。

进一步，所述c面GaN层的三层结构参数为：第一层GaN层的厚度是1000-3000nm，第二层TiN掩膜的厚度是10-20nm，第三层GaN层的厚度是2000-4000nm。