用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法

2023-11-11 00:56:52

專利名稱：用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，屬於半導體器件製造領域。
背景技術：
作為第三代半導體材料的代表，GaN等III _ V族化合物半導體材料廣泛應用於發光二極體、高密度光學存儲用的紫光雷射器、紫外探測器以及大功率高頻電子器件，已經引起了人們的極大興趣。而GaN大尺寸體單晶生長極為困難，現在的GaN基器件通常都是以藍寶石、SiC或Si等材料為異質襯底。從晶格匹配和熱導特性上來看，藍寶石襯底還不是理想的異質外延襯底。另外，雖然SiC襯底與GaN之間的晶格失配小於藍寶石襯底，導熱性能也好，但是SiC襯底價格昂貴、加工困難，從而限制了該襯底的廣泛應用。Si襯底和以上兩種襯底相比，除了晶格失配和熱失配較大外，其他方面都比較符合GaN材料生長的要求， 如低成本、大尺寸、高質量和導熱好等優點，並且Si襯底GaN基材料及器件的研製將進一步促進GaN基器件與傳統Si基器件工藝兼容，是一種非常有前途的GaN外延襯底材料。
由於GaN和Si之間的晶格失配較大，造成GaN外延層中的位錯密度很高，另外GaN 與Si的熱膨脹係數差別達到，這會導致GaN在高溫生長後降溫的過程中產生較大的張應力而出現微裂紋，很難達到滿足器件質量要求的GaN外延材料。最近幾年，隨著許多技術上的突破和觀念的轉變，Si襯底GaN基材料生長已經逐漸成為人們關注的焦點。例如一開始通過生長薄層AlN或者SiC緩衝層等來解決晶格失配問題，使用SiN、AlN插入層或者AIN/GaN超晶格等來解決熱失配問題，獲得了高質量的GaN基外延材料，實現了器件的製作。但是上述幾種方法均為材料的生長方法，不能直接在矽襯底上生長GaN外延材料，必須先在矽襯底上生長AlN或SiC緩衝層，再能生長GaN外延材料，生長步驟複雜，生長難度較大。發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，處理後的矽襯底表面晶格和GaN的晶格失配減小，降低了 GaN外延材料中的位錯，可以直接進行GaN材料的生長，簡化了生長步驟，提高了生長效率，可以在Si襯底上製備高質量的GaN外延材料。
本發明所採取的技術方案是用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，包括以下步驟(1)將矽襯底清洗乾淨；(2)將清洗乾淨的矽襯底放入CVD設備反應室內，升至溫度T，並保溫，700°C彡T<矽的熔點，使矽襯底為固體狀態；(3)將烷烴通入CVD設備反應室內，反應後降溫至室溫。
優選的步驟(2)中的保溫時間為1 30分鐘。
優選的步驟(3)中反應時間為1 30分鐘。
優選的所述的烷烴為氣態烷烴。優選的烷烴的流速為100 10000 seem。上述CVD是Chemical Vapor Deposition的簡稱，即化學氣相沉積。所述氣態烷烴為甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷或新戊烷。採用上述技術方案所產生的有益效果在於本發明是材料生長前的襯底處理方法，在高溫下通過烷烴對矽襯底表面進行碳化處理，使矽襯底在高溫下進行表面再構，形成一薄層SiC，處理後的矽襯底表面晶格和GaN的晶格失配減小，降低了 GaN外延材料中的位錯，可以直接進行GaN材料的生長，簡化了生長步驟，提高了生長效率，可以在Si襯底上製備高質量的GaN外延材料。
具體實施例方式實施例1
用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，包括以下步驟(1)使用乙醇將矽襯底清洗乾淨；
(2)將清洗乾淨的矽襯底放入CVD設備反應室內，升溫至1100°C，並保溫10分鐘；
(3)將甲烷通入CVD設備反應室內，反應3分鐘後降溫至室溫，甲烷的流速為9000sCCm。實施例2
用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，包括以下步驟(1)使用丙酮將矽襯底清洗乾淨；
(2)將清洗乾淨的矽襯底放入CVD設備反應室內，升溫至700°C，並保溫30分鐘；
(3)將乙烷通入CVD設備反應室內，反應30分鐘後降溫至室溫，乙烷的流速為lOOsccm。實施例3
用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，包括以下步驟(1)使用濃硫酸將矽襯底清洗乾淨；
(2)將清洗乾淨的矽襯底放入CVD設備反應室內，升溫至1200°C，並保溫1分鐘；
(3)將丙烷通入CVD設備反應室內，反應1分鐘後降溫至室溫，丙烷的流速為9500sCCm。
權利要求
1.用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，其特徵在於包括以下步驟(1)將矽襯底清洗乾淨；(2)將清洗乾淨的矽襯底放入CVD設備反應室內，升至溫度T，並保溫，700°C彡T<矽的熔點，使矽襯底為固體狀態；(3)將烷烴通入CVD設備反應室內，反應後降溫至室溫。
2.如權利要求1所述的用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，其特徵在於，步驟(2)中的保溫時間為1 30分鐘。
3.如權利要求1所述的用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，其特徵在於，步驟(3)中反應時間為1 30分鐘。
4.如權利要求1所述的用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，其特徵在於，所述的烷烴為氣態烷烴。
5.如權利要求4所述的用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，其特徵在於，烷烴的流速為100 10000 seem。
全文摘要
本發明公開了一種用於製備低位錯密度GaN外延材料的矽襯底的處理方法，屬於半導體器件製造領域。包括以下步驟(1)將矽襯底清洗乾淨；(2)將清洗乾淨的矽襯底放入CVD設備反應室內，升至溫度T，並保溫，700℃≤T＜矽的熔點，使矽襯底為固體狀態；(3)將烷烴通入CVD設備反應室內，反應後降溫至室溫。本發明在高溫下通過烷烴對矽襯底表面進行碳化處理，使矽襯底在高溫下進行表面再構，形成一薄層SiC，處理後的矽襯底表面晶格和GaN的晶格失配減小，降低了GaN外延材料中的位錯，可以直接進行GaN材料的生長，簡化了生長步驟，提高了生長效率，可以在Si襯底上製備高質量的GaN外延材料。
文檔編號C30B25/02GK102492935SQ201110414259
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者馮志紅, 劉波, 尹甲運, 敦少博, 李佳, 王晶晶 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所