一種氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法

2023-09-20 17:01:15 2

一種氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法
【專利摘要】本發明公開了一種氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，在藍寶石基板上在反應管內部為正壓且V/III ratio為10～80的條件下生長第一氮化鎵緩衝層；在第一氮化鎵緩衝層上在反應管內部為負壓且V/III ratio為2～10的條件下生長第二氮化鎵緩衝層；交替重複上述步驟，使第一氮化鎵緩衝層與第二氮化鎵緩衝層反覆交替生長。木發明提供的是一種反覆交替生長具有2種不同的生長模式的兩種氮化鎵緩衝層來獲得高生長率、低缺陷密度的高品質氮化鎵厚膜的方法，且通過本發明提供的緩衝結構製備氮化鎵厚膜其厚度可達300μm以上。
【專利說明】一種氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可在高輸出、低電壓中驅動的高品質氮化鎵基板的製作方法，SP在多層結構的各個層改變其生長方式來獲得電位缺陷密度低、結晶度高的氮化鎵基板。

【背景技術】
[0002]近來，氮化鎵(GaN)半導體不僅適用於發光元件，而且還廣泛適用於電力半導體。這是因為它可以大大提高逆變器和轉化器等電力變換器的效率並且可實現小型化。另外，因氮化鎵(GaN)具有較寬的帶隙(3.4eV)、較高的破壞絕緣電壓、較寬的臨界磁場、較高的熱傳導率等突出的性能，其氮化鎵元件可在高壓、高交換頻率中運作以及針對高功率的密度可提供良好的輸出效率而適用於高性能電機。
[0003]如上所述，為使氮化鎵半導體適用於半導體元件，它必須是以結晶缺陷較少的單晶形態生長的，結晶缺陷尤其會對元件的特性和壽命造成負面的影響。
[0004]一般來說，氮化鎵是在互不相同的異種基板上生長的，所以基板與氮化鎵膜之間的晶格失配(lattice mismatch)以及熱膨脹係數(coefficient of thermal expans1n:CTE)差異會引發氮化鎵膜內部的缺陷。這種缺陷會使所生長氮化鎵的結晶度低下，因此為了緩和這種現象，都在致力於研究各種各樣緩衝層。
[0005]對此，近來為了降低藍寶石基板上所生長的氮化鎵膜的電位缺陷密度，ELOG(Epitaxial Lateral Overgrowth)技術、側向生長氮化嫁的 VAS(Void-AssistedSeparat1n)技術等被開發並適用。此類方式是初期在藍寶石基板上生長氮化鎵膜後，使用S12等面具來進行紋樣刻制(patterning)並繼續氮化鎵的生長。但是，上述的緩衝層必然會伴隨工序的增加，繼而會影響到整個工藝的效率。


【發明內容】

[0006]本發明所要解決的問題是提供一種可以緩和在氮化鎵厚膜基板製作過程中產生的缺陷的緩衝層結構。
[0007]為了解決上述問題，本發明提供了一種氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，具體包括以下步驟:
[0008]步驟I):在生長溫度為900?1000°C，反應管內部為正壓且V/III rat1為10?80的條件下，在藍寶石基板上生長第一氮化鎵緩衝層；
[0009]步驟2):在生長溫度為900?1000°C，反應管內部為負壓且V/III rat1為2?10的條件下，在步驟I)製得的第一氮化鎵緩衝層上生長第二氮化鎵緩衝層；
[0010]步驟3):在步驟2)製得的第二氮化鎵緩衝層(3)上，交替重複步驟I)和步驟2)，使第一氮化鎵緩衝層(2)與第二氮化鎵緩衝層(3)反覆交替生長，得到氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構。
[0011]優選地，所述第一氮化鎵緩衝層是經過以垂直生長為主的3次元生長形成的。
[0012]優選地，所述第二氮化鎵緩衝層是經過以側面生長為主的2次元生長形成的。
[0013]優選地，所述步驟3)中的交替重複步驟I)和步驟2)具體為:第一氮化鎵緩衝層、第二氮化鎵緩衝層交替生長，各生長2?10次，且兩者的層數相同。
[0014]優選地，所述步驟I)的中正壓具體為750?800torr ;生長時間為I?5分鐘。
[0015]優選地，所述步驟2)中的負壓具體為700?750torr ;生長時間為I?5分鐘。
[0016]優選地，在1000?1040°C的生長溫度下，可在所述步驟3)製得的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構上生長氮化鎵厚膜。
[0017]進一步地,所述氮化鎵厚膜的厚度至少300 μ m。
[0018]本發明的原理說明:較低的內部壓力(負壓< 760torr)
[0019]反應管內部的壓力小於大氣壓時，將氨氣(NH3)的流量固定在100?4000sccm並調整氯化氫氣體(HCl)來確認氮化鎵的生長。在上述條件下，若氯化氫氣體的流量大(即V/III rat1低)，那麼氮化鎵結晶是鎵飽和(Ga rich)狀態，而鎵飽和狀態會阻礙到氮化鎵膜的單晶結晶度。，若氯化氫氣體的流量小(即V/III rat1高)，那麼生長率會較低，其2次元生長(2dimens1n growth)佔優勢形成側面生長，因此結晶度會提高。
[0020]較高的內部壓力(正壓> 760torr)
[0021]反應管內部的壓力高於大氣壓時，將氨氣(NH3)的流量固定在1000到4000sCCm並調整氯化氫氣體(HCl)來確認氮化鎵的生長。在上述條件下，若氯化氫氣體的流量大(即V/III rat1低)，那麼氮化鎵結晶的生長率會顯著提高,其三次元生長(3dimens1ngrowth)佔優勢形成垂直生長，因此生長率會提高。相反，若氯化氫氣體的流量大(即V/III rat1高)，那麼氮化鎵結晶是氮飽和狀態，而氮飽和狀態會阻礙到氮化鎵膜的單晶的生長。
[0022]在較高的內部壓力下，若增加氯化氫氣體的流量，那麼垂直生長會佔優勢以3次元模式生長，此時生長率會明顯提高，但是其內部的缺陷密度會很高。這時，若在較低的內部壓力下，減少氯化氫氣體的流量，那麼側面生長會佔優勢以2次元模式生長，此時結晶度是提高了的，但是其生長率較低，單獨靠它來生長氮化鎵厚膜是遠遠不足的。
[0023]進一步而言，交替生長兩種不同生長模式的緩衝層來更有效地去緩和電位缺陷以及界面應力，從而製得高品質的氮化鎵厚膜。
[0024]本發明所設計的緩衝層結構是通過控制反應管內部的壓力以及氯化氫氣體的流量可改變生長模式的緩衝層。本發明提供的是根據反應管內部的壓力和氯化氫氣體的相關機理制定一種能提高氮化鎵結晶度並且可縮短工藝時間生長時間，由此製得高品質氮化鎵厚膜的方法。因此，本發明提供的是一種反覆交替生長具有2種不同的生長模式的兩種氮化鎵緩衝層來獲得高生長率、低缺陷密度的高品質氮化鎵厚膜的方法，且通過本發明提供的緩衝結構製備氮化鎵厚膜其厚度可達300 μ m以上。
[0025]與現有技術相比，本發明的有益效果在於:
[0026]1.相比以往單一的緩衝層的形成方式，通過反覆交叉2次元生長和3次元生長可以獲得缺陷密度低裂痕(crack)較少的氮化鎵薄膜。
[0027]2.通過將3次元生長反覆交叉於厚膜生長過程，可以提高生長率，也由此可以縮短氮化鎵厚膜生長中的工藝流程時間。
[0028]3.缺陷密度低的氮化鎵厚膜可通過後加工製得單晶氮化鎵基板，所以在利用氮化鎵製作相應元件時，其高效性是可見的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為通過本發明提供的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構製備的氮化鎵厚膜的截面示意圖；
[0030]圖2為實施例1製得的氮化鎵厚膜其結晶度的XRD半值幅(Full width at halfmaximum:FffHM)的數據圖。
[0031]圖2 中:(002)面為 67arcsec, (102)面為 92arcsec。

【具體實施方式】
[0032]為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。
[0033]對比例I
[0034]藍寶石基板放置在壓力為780torr的HVPE反應管，將V/III rat1設置為8之後在高溫下(10(TC)使氮化鎵生長5分鐘；生長出來的氮化鎵其結晶顆粒(grain)小，是垂直生長為主的3次元氮化鎵結晶，此時氮化鎵的電位缺陷密度為111CnT2 ;接著，在此緩衝層上面以V/III rat1 30，在1000?1040°C生長溫度下生長300 μ m的氮化鎵厚膜，其電位缺陷密度為17CnT2。
[0035]對比例2
[0036]藍寶石基板放置在壓力為730torr的HVPE反應管，將V/III rat1設置為60之後在高溫下(ΙΟΟΟ? )使氮化鎵生長5分鐘；生長出來的氮化鎵其結晶顆粒(grain)大，是側面生長為主的2次元氮化鎵結晶，此時氮化鎵的電位缺陷密度為為19CnT2 ;接著，在此緩衝層上面以V/III rat1 30，在1000?1040°C生長溫度下生長300 μ m的氮化鎵厚膜，其電位缺陷密度為為107cm_2。
[0037]實施例1
[0038]藍寶石基板I放置在壓力為780torr的HVPE反應管，將V/III rat1設置為8之後在高溫下(1000°c)使氮化鎵生長5分鐘，這時候的氮化鎵是垂直生長為主的第一緩衝層2 ;接著，在第一緩衝層2的上面，在壓力為780torr的HVPE反應管內，將V/III rat1設置為8之後在高溫下(1000°C)使氮化鎵生長5分鐘，這時候的氮化鎵是側面生長為主的第二緩衝層3 ;然後，在第二緩衝層3上交替生長各5次同樣緩衝層；最後，在生長完成的最上層的緩衝層上面，以V/III rat130、1000?1040°C的生長溫度下生長厚度為300 μ m的氮化鎵厚膜4，其電位缺陷密度僅僅為15?106cm_2。
[0039]如圖1所示，為實施例1製得的氮化鎵厚膜的交截面示意圖。首先在藍寶石基板I上將內部壓力設為正壓且調高V/III比率高來啟動3次元垂直生長，以此可以減少與作為異種基板的藍寶石基板I之間的晶格失配以及熱膨脹係數的差異。然後，在這上面將內部壓力降低為負壓且調低V/III比率來啟動2次元生長，以此可通過側面生長來減少其下端3次元氮化鎵結晶造成的缺陷。緊接著，為了提高後續厚膜的生長率，再進行3次元垂直生長。再接著，利用2次元垂直生長來再一次減少上一過程中產生的缺陷。通過上述的交叉生長方法可確保最終獲得的氮化鎵厚膜4具有高品質的結晶度，並且除去藍寶石基板I後可製得氮化鎵厚膜4基板。
[0040]如圖2所示，為對於由2種不同的生長模式反覆交叉形成的緩衝結構來生長出的氮化鎵厚膜，測得的表示其結晶度的XRD半值幅(Full width at half maximum:FWHM)。
(002)面為67arcsec，(102)面為92arcsec，具有較窄的半值幅。這個值說明，通過本發明中所提出的方法生長緩衝層並生長氮化鎵厚膜時，結晶內部幾乎不存在缺陷，是具有高品質結晶度的氮化鎵厚膜。
【權利要求】
1.一種氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，具體包括以下步驟: 步驟I):在生長溫度為900?1000°C，反應管內部為正壓且V/III rat1為10?80的條件下，在藍寶石基板(I)上生長第一氮化鎵緩衝層(2); 步驟2):在生長溫度為900?1000°C，反應管內部為負壓且V/III rat1為2?10的條件下，在步驟I)製得的第一氮化鎵緩衝層(2)上生長第二氮化鎵緩衝層(3): 步驟3):在步驟2)製得的第二氮化鎵緩衝層(3)上，交替重複步驟I)和步驟2)，使第一氮化鎵緩衝層(2)與第二氮化鎵緩衝層(3)反覆交替生長，得到氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構。
2.如權利要求1所述的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，所述第一氮化鎵緩衝層(2)是經過以垂直生長為主的3次元生長形成的。
3.如權利要求1所述的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，所述第二氮化鎵緩衝層(3)是經過以側面生長為主的2次元生長形成的。
4.如權利要求1所述的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，所述步驟3)中的交替重複步驟I)和步驟2)具體為:第一氮化鎵緩衝層、第二氮化鎵緩衝層交替生長，各生長2?10次，且兩者的層數相同。
5.如權利要求1所述的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，所述步驟I)的中正壓具體為750?800torr ;生長時間為I?5分鐘。
6.如權利要求1所述的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，所述步驟2)中的負壓具體為700?750torr ;生長時間為I?5分鐘。
7.如權利要求1-6中任意一項所述的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，在1000?1040°C的生長溫度下，可在所述步驟3)製得的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構上生長氮化鎵厚膜。
8.如權利要求7所述的氮化鎵厚膜生長所需的緩衝層結構的形成方法，其特徵在於，所述氮化鎵厚膜的厚度至少300 μ m。
【文檔編號】H01L21/02GK104392900SQ201410568186
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】金施耐, 許楨, 金東植, 樸昌藍 申請人:上海世山科技有限公司, 上海正帆科技有限公司