氮化鎵晶體的製造方法
2023-07-03 04:08:16 2
專利名稱：氮化鎵晶體的製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件材料的製造方法，更準確地是氮化鎵晶體的製造方法。
背景技術：
半導體異質結是目前半導體器件的主要結構，如LED、LD、HEMT等等，目前全採用異質結構。而只有晶格匹配或晶格常數相同的材料方能外延生長形成異質結，晶格匹配的要求是晶格常數的差異在萬分之一左右。在III、V族半導體材料中以GaAs、InP為襯底的器件都可以通過外延方式得到晶格匹配的非常完美的外延層。但對氮化鎵來說，由於大尺寸的氮化鎵單晶體很難製造，因而進行氮化鎵材料外延時，通常採用Si、藍寶石Al2O3等易於製造大面積襯底的材料。而藍寶石、Si等都與氮化鎵材料有著較大的失配；如藍寶石與氮化鎵存在14％的失配，Si的失配更大。在此種襯底上生長的氮化鎵的位錯密度高達(108-1010cm-2)，使得晶體質量不好。
現有的氮化物外延技術，主要採用氮化物的側向生長技術。例如用二氧化矽覆蓋一部分氮化物表面，然後進行光刻，形成窗口，在窗口處進行二次外延，新外延的氮化物主要在光刻後裸露的氮化物表面生長。該方法程序較複雜，不易工業化。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術存在的問題，提供一種氮化鎵晶體的製造方法，有效降低位錯，解決襯底與外延層失配問題，便於實現工業化。
本發明的氮化鎵晶體的製造方法包括以下步驟(1)襯底上外延生長氮化鎵或氮化鋁；(2)在氮化鎵表面熱沉積矽、碳化矽、氮化矽、或氧化矽的結晶顆粒；(3)繼續外延生長氮化鎵；所述襯底可以是藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氧化鋅、氧化鎂、LiAlO2、或LiGaO2。
第(3)步包括再生長不摻雜的或摻雜的氮化鎵薄膜D或LED、LD、HEMT等光電子、電子器件結構。
本發明可以通過現有技術通用的MOVCD方法、MBE方法、PECVD方法實現。例如可採用低壓可編程自動控制MOCVD生長系統，如美國EMCORE公司的渦輪轉盤MOCVD材料生長系統或英國SWAN公司的MOCVD材料生長系統，可依據現有技術根據具體器件設計材料生長具體參數。
當氮化鎵表面被其他材料部分覆蓋後，氮化鎵的外延生長在氮化鎵裸露的地方最易生長；所以，在襯底上外延生長了氮化鎵後，再在此表面部分熱沉積矽的結晶顆粒，使得氮化鎵表面被矽的結晶顆粒部分覆蓋，之後再繼續進行氮化鎵外延，由於氮化鎵的外延生長在氮化鎵裸露的地方最易生長，所以，氮化鎵會在矽結晶顆粒的縫隙處生長，當氮化鎵生長高出矽結晶顆粒後，氮化鎵就會側向生長，從而覆蓋矽顆粒，生成一個完整的平面，有效降低氮化鎵材料的位錯缺陷。
矽烷等矽的前級原料熱解沉積在有缺陷的表面時，成核最易發生在缺陷處，因為此處的活化能比較低。故控制反應溫度及矽烷的輸運量，使矽的沉積反應處於缺陷處活化能的動力學控制下，從而使矽成核主要集中在缺陷處。當缺陷處這種具有較高反應活性的位置被矽結晶覆蓋後，反應活性會降低，可以使薄膜表面的反應活化能梯度降低，利於單晶薄膜的生長。
第(2)步中，可以在400℃-1100℃下通入矽烷，輸運量從10-7mol/min--10-5mol/min，反應時間從2秒到9分鐘，形成矽的結晶顆粒。
為了形成氮化矽或氧化矽結晶顆粒，第(2)步形成矽的結晶顆粒後，進行氮離子或氧離子注入，如以劑量為1017cm-2的氮或氧離子進行注入外延片，再將材料加熱至1000℃，使得矽結晶顆粒生成氮化矽或氧化矽。
為了形成碳化矽結晶顆粒，第(2)步形成矽的結晶顆粒後，放在烴類氣氛以700℃-900℃碳化，使矽結晶形成碳化矽。
第(2)步形成矽、碳化矽、氮化矽、或氧化矽的結晶顆粒，特別有利於進行後續的氮化鎵晶體側向生長。
本發明與現有技術相比具有如下優點1、通過在氮化鎵層上生長矽的結晶，部分覆蓋氮化鎵層上的缺陷，使得再生長氮化鎵層時，缺陷數目減少；2、通過側向生長，可以大幅度降低氮化鎵生長中由於襯底與外延層的失配而導致的缺陷；3、方法簡單可行，節省生產成本和時間，提高生產效率；4、無需添加新設備，無需光刻，採用現有設備即可實現；5、提高氮化鎵晶體質量。
具體實施例方式
採用美國EMCORE公司的渦輪轉盤MOCVD材料生長系統
(1)在碳化矽襯底上外延生長氮化鎵；(2)在800℃下通入矽烷，輸運量10-7mol/min，反應時間40秒，表面形成部分裸露矽結晶；放在烴類氣氛以700℃碳化，使矽結晶形成碳化矽；(3)繼續外延生長氮化鎵；如有必要還可繼續進行器件的生長製造。
權利要求
1.一種氮化鎵結晶的製造方法，其特徵在於包括以下步驟(1)在襯底上外延生長氮化鎵或氮化鋁；(2)在氮化鎵表面熱沉積矽、碳化矽、氮化矽、或氧化矽的結晶顆粒；(3)繼續外延生長氮化鎵；所述襯底可以是藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氧化鋅、氧化鎂、LiAlO2、或LiGaO2。
2.根據權利要求1所述的氮化鎵結晶的製造方法，其特徵在於第(2)步中，在400℃-1100℃下通入矽烷，輸運量從10-7mol/min--10-5mol/min，反應時間從2秒到9分鐘，形成矽的結晶顆粒。
3.根據權利要求1或2所述的氮化鎵結晶的製造方法，其特徵在於第(2)步形成矽的結晶顆粒後，進行氮離子或氧離子注入。
4.根據權利要求3所述的氮化鎵結晶的製造方法，其特徵在於以劑量為1017cm-2的氮或氧離子進行注入，再將材料加熱至1000℃，使矽結晶顆粒生成氮化矽或氧化矽。
5.根據權利要求1或2所述的氮化鎵結晶的製造方法，其特徵在於第(2)步形成矽的結晶顆粒後，放在烴類氣氛以700℃-900℃碳化，使矽結晶形成碳化矽。
全文摘要
本發明涉及半導體器件材料的製造方法，更準確地是氮化鎵晶體的製造方法，包括以下步驟(1)在襯底上外延生長氮化鎵或氮化鋁；(2)在氮化鎵表面熱沉積矽、碳化矽、氮化矽、或氧化矽的結晶顆粒；(3)繼續外延生長氮化鎵如再生長不摻雜的或摻雜的氮化鎵薄膜D或LED、LD、HEMT等光電子、電子器件結構；所述襯底可以是藍寶石、碳化矽、矽、砷化鎵、氧化鋅、氧化鎂、LiAlO
文檔編號C30B29/10GK1434482SQ03113769
公開日2003年8月6日 申請日期2003年2月18日 優先權日2003年2月18日
發明者王浩, 範廣涵 申請人:華南師範大學