在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法

2024-02-21 10:46:15

專利名稱：在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，特別指在大失配的襯底上，利用氮化物複合緩衝層 結合超晶格的方法生長表面無裂紋的GaN薄膜材料。
背景技術：
GaN材料作為第三代半導體材料的典型代表，具有禁帶寬度大、電子漂移速度大、 熱傳導率高，耐高壓、耐熱分解、耐腐蝕和耐放射性輻照的特點，以及其獨特的極化效應，特 別適合於製作超高頻、高溫、高耐壓、大功率器件，在無線通信、雷達探測系統、高溫電子器 件和照明領域具有廣闊的應用前景。但是由於GaN材料缺少同質襯底，目前普遍採用異質外延的方式進行生長，最常 用的襯底為藍寶石、碳化矽和矽。由於碳化矽成本高且尺寸小，難以大規模使用；藍寶石襯 底的熱導率太低，外延材料製作高溫大功率器件受到限制；而矽襯底價格低、製作工藝成 熟、尺寸大、熱導率高、易解理，並且可以實現矽基光電集成；因此採用矽襯底外延生長GaN 材料有明顯的優勢。然而由於矽和GaN兩種材料的晶格常數與熱膨脹係數差別很大，其晶格失配與熱 失配分別達到17%和56%，導致外延層中存在較大的張應力，從而在GaN薄膜中產生裂紋。 同時大晶格失配造成在外延層中存在大量位錯，降低了 GaN薄膜的晶體質量。本文提出採 用氮化物複合緩衝層結合超晶格的方法在矽襯底上生長GaN外延層，能有效降低表面裂紋 密度，提高晶體質量。

發明內容
本發明的主要目的在於，提供一種在大失配的襯底上外延生長表面無裂紋的GaN 薄膜的方法，採用該方法可以顯著提高GaN外延層的晶體質量，消除表面裂紋，得到器件級 GaN薄膜材料。本發明提供一種在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，包括如下步 驟步驟1 選擇一大失配襯底；步驟2 在大失配襯底上生長一層氮化物複合緩衝層，該氮化物複合緩衝層可以 緩解晶格失配，並且阻止回熔刻蝕反應；步驟3 在氮化物複合緩衝層上生長一層GaN過渡層；步驟4 在GaN過渡層上生長一組超晶格，該超晶格可以釋放部分張應力，並能過 濾穿透位錯；步驟5 在超晶格上面生長GaN外延層，完成GaN薄膜的製備。其中所述的大失配襯底為矽襯底。其中所述的在大失配襯底上生長氮化物複合緩衝層、GaN過渡層、超晶格和GaN外 延層的方法是採用金屬有機物化學氣相外延的方法。
其中所述的氮化物複合緩衝層包括一 AlN層和在AlN層上生長的AlxInyGazN層。其中所述的GaN過渡層的厚度為0. 1-0. 4 μ m，生長溫度為800-1100°C。其中所述的超晶格的材料為AlN/AlxGayN。其中所述的GaN外延層的生長溫度為800-1100°C。其中所述的氮化物複合緩衝層中的AlN層的厚度為50-250nm，生長溫度為 900-1100°C。其中所述的氮化物複合緩衝層中AlxInyGazN層的厚度為60-240nm，其中x+y+z = 1,0 < X < 1,0 ^ y < 1,0 < Z < 1，生長溫度為 900_1100°C。其中所述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分別為3-12nm和6-25nm，其中x+y = 1,0 ^ χ < 1,0 < y ^ 1，超晶格的生長溫度為900-1100°C。


為進一步說明本發明的技術內容，以下結合具體實施方式
及附圖對本發明做一詳細的描述，其中圖1為本發明在大失配襯底上外延生長GaN薄膜材料的流程示意圖；圖2為本發明在矽襯底上外延生長GaN薄膜材料的方法示意具體實施例方式為詳細說明本發明的技術方案，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明做進 一步詳細說明。如圖1、2所示，為本發明提供的一種在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜 的方法，包括如下步驟步驟1 選擇一大失配襯底01，該大失配襯底01為矽襯底；步驟2 在大失配襯底01上生長一層氮化物複合緩衝層02，該氮化物複合緩衝 層02的晶格參數比GaN外延層的晶格參數小，因此可以提供壓應力，緩解後續步驟生長 的GaN外延層05在降溫過程中由於矽襯底與GaN外延層熱失配造成的張應力，並且阻止 回熔刻蝕反應，其中所述的氮化物複合緩衝層02包括一 AlN層021和在AlN層上生長的 AlxInyGazN層022，所述的氮化物複合緩衝層02中的AlN層021的厚度為50_250nm，生長 溫度為900-1IOO0C，所述的氮化物複合緩衝層02中AlxInyGazN層022的厚度為60-240nm， 其中 x+y+z = 1,0 < χ < 1,0 ^ y < 1,0 < ζ < 1，生長溫度為 900_1100°C ；步驟3 在氮化物複合緩衝層02上生長一層GaN過渡層03，所述的GaN過渡層03 的厚度為0. 1-0. 4 μ m，生長溫度為800-1IOO0C ；步驟4 在GaN過渡層03上生長一組超晶格04，該超晶格04可以釋放部分張應 力，並能過濾穿透位錯，其中所述的超晶格04的材料為AIN/AlxGayN，其中所述的超晶格04 中 AlN 禾口 AlxGayN 的厚度分別為 3_12nm 禾口 6_25nm，其中 x+y = 1,0 ^ χ < 1,0 < y ^ 1, 超晶格04的生長溫度為900-1100°C ；步驟5 在超晶格04上面生長GaN外延層05，該GaN外延層05的生長溫度為 800-1100°C，完成GaN薄膜的製備。
所述的在大失配矽襯底01上生長氮化物複合緩衝層02、GaN過渡層03、超晶格04和GaN外延層05的方法是採用金屬有機物化學氣相外延的方法。實施例本發明提供一種在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，包括如下步 驟步驟1 選擇一矽襯底01 ；步驟2 在矽襯底01上生長一層氮化物複合緩衝層02，該氮化物複合緩衝層02可 以緩解晶格失配，並且阻止回熔刻蝕反應，該氮化物複合緩衝層02包括一 AlN層021和在 AlN層上生長的AlxInyGazN層022 ；步驟3 在氮化物複合緩衝層02上生長一層0. 2 μ m厚的GaN過渡層03，該GaN過 渡層03的生長溫度為950°C ；步驟4 在GaN過渡層03上生長一組超晶格04，超晶格04包括3_12nm厚的AlN和 6-25nm厚的AlxGayN,該超晶格04可以釋放部分張應力，並能過濾穿透位錯；其中所述的，其 中x+y = l，0≤x<l，0<y≤1，超晶格的生長溫度為1000°C。步驟5 在超晶格04上面生長GaN外延層05，生長溫度為950°C，完成GaN薄膜的 製備。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任 何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
一種在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，包括如下步驟步驟1選擇一大失配襯底；步驟2在大失配襯底上生長一層氮化物複合緩衝層，該氮化物複合緩衝層可以緩解晶格失配，並且阻止回熔刻蝕反應；步驟3在氮化物複合緩衝層上生長一層GaN過渡層；步驟4在GaN過渡層上生長一組超晶格，該超晶格可以釋放部分張應力，並能過濾穿透位錯；步驟5在超晶格上面生長GaN外延層，完成GaN薄膜的製備。
2.根據權利要求1所述的在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的大失配襯底為矽襯底。
3.根據權利要求1所述的在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的在大失配襯底上生長氮化物複合緩衝層、GaN過渡層、超晶格和GaN外延層的方法是採 用金屬有機物化學氣相外延的方法。
4.根據權利要求1所述的在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物複合緩衝層包括一 AlN層和在AlN層上生長的AlxInyGazN層。
5.根據權利要求1所述的在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的GaN過渡層的厚度為0. 1-0. 4 μ m，生長溫度為800-1100°C。
6.根據權利要求1所述的在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的超晶格的材料為AlN/AlxGayN。
7.根據權利要求1所述的在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的GaN外延層的生長溫度為800-1100°C。
8.根據權利要求4所述的在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物複合緩衝層中的AlN層的厚度為50-250nm，生長溫度為900-1100°C。
9.根據權利要求4所述的在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物複合緩衝層中AlxInyGazN層的厚度為60-240nm，其中x+y+z = 1,0 < χ < 1, 0 ≤ y < 1,0 < z< 1，生長溫度為 900-1100°C。
10.根據權利要求6所述的大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分別為3_12nm和6_25nm，其中x+y = 1，0≤χ < 1，0 < y ≤1，超晶格的生長溫度為900-1100°C。
全文摘要
一種在大失配襯底上生長表面無裂紋的GaN薄膜的方法，包括如下步驟步驟1選擇一大失配襯底；步驟2在大失配襯底上生長一層氮化物複合緩衝層，該氮化物複合緩衝層可以緩解晶格失配，並且阻止回熔刻蝕反應；步驟3在氮化物複合緩衝層上生長一層GaN過渡層；步驟4在GaN過渡層上生長一組超晶格，該超晶格可以釋放部分張應力，並能過濾穿透位錯；步驟5在超晶格上面生長GaN外延層，完成GaN薄膜的製備。
文檔編號H01L21/205GK101807523SQ20101012837
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月17日 優先權日2010年3月17日
發明者劉宏新, 李建平, 潘旭, 王曉亮, 王翠梅, 肖紅領, 魏萌 申請人:中國科學院半導體研究所