GaN基材料外延層生長製備方法
2023-11-08 01:33:07
專利名稱：GaN基材料外延層生長製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體製備方法，尤其涉及一種GaN基材料外延層生長制 備方法。
背景技術：
III族氮化物半導體材料，包括GaN、氮化銦(InN)、氮化鋁(A1N)、銦 鎵氮(InGaN)、鋁鎵氮(AlGaN)和鋁銦鎵氮(AlInGaN)等，物理化學性 能優良，適宜製作半導體光電子和電子器件的材料。通過調整合金成分， GaN基材料可以獲得0. 7 6. 2 eV的連續可調的帶隙能量，其帶隙的對應波 長覆蓋了從紫外(200 mn)到紅外(1771 nm)的光譜範圍，是短波長光電子器 件及高溫、高頻、大功率微電子器件製備的最優選材料，被譽為繼以矽為 代表的第一代元素半導體、以砷化鎵為代表的第二代化合物半導體之後的 第三代化合物半導體材料。
近年來，隨著以GaN基半導體材料製備技術的飛速發展，藍色、紫外 波段的半導體發光二極體、半導體雷射器，日盲紫外光電探測器及高頻大 功率電子器件相繼研製成功，使GaN基光電子、電子器件成為人們研究的 執佔、。
然而，在GaN基半導體材料的外延生長技術中，仍存在著一些有待解 決的重要問題。其中， 一個突出的問題就是，在採用目前的外延技術所生 長的GaN基外延層中，貫穿位錯密度仍然較高。由於沒有匹配的襯底材料， 異質外延生長的GaN薄膜通常具有很高的位錯密度。近幾年的研究表明GaN 內的貫穿位錯是有效的非輻射複合中心，在位錯密集區域，少數載流子由於非輻射複合而大量減少，這些缺陷極大的影響了 GaN基材料外延層晶體 質量，從而嚴重限制、降低了光電器件及電子器件的性能。 針對以上問題，目前研究的解決辦法主要有三大類
第一類為插入中間層方法。其中，主要有生長過程中插入低溫中間 層法，生長過程中插入不同帶隙寬度中間層法，插入高溫中間層法等。低 溫中間層的作用在於它解決了大失配外延體系中外延層與襯底互不浸潤的 問題，為高溫下的外延層生長提供了成核中心，同時它也是應力釋放中心。
例如，日本學者提出在生長GaN基材料外延層時插入兩個低溫A1N外延層， 所插入的低溫A1N外延層能有效降低GaN基外延層位錯密度。插入低溫中 間層的一個缺點是在生長過程中高低溫間的轉換要消耗較長的時間，為此， 有研究者提出了插入高溫中間層以提高GaN外延層晶體質量的方法。例如， 韓國學者提出在GaN， AlGaN的MOCVD外延生長過程中，插入高溫A1N薄膜 夾層，這種高溫中間層插入法也起到了降低後續外延層中的位錯密度的作 用。插入中間層法是目前降低位錯密度主要手段。
第二類為生長GaN/AlN、 GaN/AlGaN等超晶格結構的方法。利用超晶格
結構中兩種材料晶格常數不同所引起的應力變化，使穿透到超晶格結構界 面的位錯產生彎曲、閉合，以達到減少位錯的目的。
第三類為生長氮化矽(Si美)薄膜夾層方法。在GaN基材料外延生長 過程中中斷m族生長源，向反應腔內通入V族生長源氨氣(麗3)及矽垸 (SiH4)氣體，生成SisN4薄膜。該夾層能阻擋部分貫穿位錯向後續外延層 穿透，從而減少層中位錯密度。
以上是目前減少GaN基材料外延層位錯密度的主要方法，但是通過以 上方法製備的GaN基薄膜中位錯密度仍然較高，貫穿位錯仍然嚴重的影響 GaN基外延層的晶體質量，從而限制、降低了GaN基光電器件和電子器件的 性能。
發明內容
為解決現有技術的問題，本發明的目的在於提供一種GaN基材料外延 層生長製備方法，本發明提供的間歇生長方法能夠顯著降低GaN基材料外 延層的位錯密度，有效提高器件外延層的晶體質量，從而有效提高光電半 導體器件及電子器件的性能。
為實現上述目的，本發明的技術方案為 一種GaN基材料外延層的生
長製備方法，用金屬有機物化學氣相沉積方法在襯底上間歇生長外延層結
構，獲取器件所需的緩衝層結構。
在整個薄膜生長過程中，向金屬有機物化學氣相沉積薄膜生長室內等
流量持續通入III族生長源及載流氣體，並間歇通入V族生長源。
在每個間歇之間通入V族生長源的時間相同，且在此時間內生長的膜
厚範圍為70 200 nm。
上述通入V族生長源後，外延生長時間範圍為10 30秒 在間歇通入V族生長源的過程中，每相鄰兩次通入V族生長源的間斷
時間不同，並且間斷時間依間歇次序等梯度逐次減少。
上述間斷時間範圍為10 60秒，且間斷時間梯度範圍為5 20秒/次。 在整個薄膜生長過程中，間歇通入的V族生長源的次數範圍為3 10次。
採用三甲基鎵、三甲基銦及三甲基鋁作為III族生長源，氨氣作為V族 生長源，同時使用純氫氣作為載流氣體。
與現有技術相比較，本發明具有如下有益效果
在襯底上生長GaN基材料外延層，持續通入m族生長源，數次間歇V 族生長源，且等梯度逐次減少間斷時間，使得外延層生長過程梯度間歇進 行，經過數次間歇生長過程後，可以製備高質量的GaN基材料外延層。採 用這種間歇生長方法能夠給外延層的生長提供更好的二維生長機會，提高外延層的生長效率和生長質量，同時更有效的抑制了外延層生長過程中難 以避免的高貫穿位錯密度，所以此方法能顯著提高外延層質量，有效提高 器件外延層的晶體質量，從而有效提高光電半導體器件及電子器件的性能。
圖1為本發明的新型GaN基材料外延層生長製備方法生長源通斷時序 示意圖2為本發明的新型GaN基材料外延層生長製備方法製備外延緩衝層 結構示意圖3為本發明的新型GaN基材料外延層生長製備方法實施過程示意圖。 上述圖中，l為襯底，2為間歇生長過程中第一次生長的外延層，3為 間歇生長過程中第一次生長間斷後第二次生長的外延層，4為間歇生長過程 中第二次生長間斷後第三次生長的外延層，5為後續間歇生長過程中的多層 外延層結構，6為多層外延層上生長的器件外延層結構部分。
具體實施例方式
為使本發明實施例的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參 照附圖對本發明實施例提供的技術方案進行詳細說明。
可以通過以下過程實現本發明提出的新型GaN基材料外延層生長製備 方法，如圖l、圖2及圖3所示
步驟l.襯底置於金屬有機物化學氣相沉積設備反應室中，採用三甲基 鎵、三甲基銦及三甲基鋁作為III族生長源，NH3作為V族生長源，同時使用 純氫氣作為載流氣體。
步驟2.向金屬有機物化學氣相沉積反應室中通入III族生長源和V族生 長源及載流氣體，外延生長過程開始，外延生長時間為10 30秒，形成第 一次生長的外延層2。
步驟3.在步驟2過程達到外延層生長時間後，中斷V族生長源，外延生長過程間斷，間斷時間為10 60秒，達到間斷時間後，繼續通入V族生 長源，外延層繼續生長，形成第二次生長的外延層3。
步驟4.在步驟3過程達到外延層生長時間後，中斷V族生長源，外延 生長過程間斷，間斷時間相比第一次間斷時間減少，時間減少值等於時間 梯度值，時間梯度值為5 20秒/次，達到間斷時間後，繼續通入V族生長 源，外延層繼續生長，第三次生長的外延層4。
步驟5.重複上述步驟2 4，重複次數為3 10次，從而得到多層外延 層結構5。
上述所形成的各個外延層的生長厚度在70 200 nm之間。 通過以上步驟可以製備得到器件所需的減少位錯、高晶體質量的GaN
基材料外延緩衝層結構。
以上對本發明所提供的一種新型GaN基材料外延層生長製備方法進行
了詳細介紹，對於本領域的一般技術人員，依據本發明實施例的思想，在
具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不
應理解為對本發明的限制。
權利要求
1、一種GaN基材料外延層生長製備方法，其特徵在於使用金屬有機物化學氣相沉方法在襯底上間歇生長外延層，獲取器件所需的緩衝層結構。
2、 根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於在整個薄膜生長過程中，向金屬有機物化學氣相沉積薄膜生長室內等流量持續通入in族生長源及載流氣 體，並間歇通入v族生長源。
3、 根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於在每個間歇之間，通入V族生長源時間相同，且在此時間內生長的膜厚範圍為70 200 nm。
4、 根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於上述通入V族生長源後， 外延生長時間範圍為10 30秒。
5、 根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於在間歇通入V族生長源 的過程中，每相鄰兩次通入V族生長源的間斷時間不同，並且間斷時間等梯度 逐次減少。
6、 根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於上述間斷時間範圍為10 60秒，且間斷時間梯度範圍為5 20秒/次。
7、 根據權利要求2至6任一項所述的製備方法，其特徵在於在整個薄膜 生長過程中，間歇通入的V族生長源的次數範圍為3 10次。
8、 根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於採用三甲基鎵和三甲基銦及三甲基鋁作為m族生長源，氨氣作為V族生長源，同時使用純氫氣作為載流氣體。
全文摘要
本發明公開了一種GaN基材料外延層生長製備方法，使用金屬有機物化學氣相沉積方法在襯底上間歇生長外延層，獲取器件所需的緩衝層結構；在整個薄膜生長過程中，向金屬有機物化學氣相沉積薄膜生長室內等流量持續通入III族生長源及載流氣體，間歇通入V族生長源，V族生長源間斷時間依間歇次序等梯度遞減。本發明提供的製備方法能夠顯著降低GaN基材料外延層的位錯密度，有效提高器件外延層的晶體質量，從而有效提高光電半導體器件及電子器件的性能。
文檔編號C30B25/02GK101560647SQ20091003983
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月27日 優先權日2009年5月27日
發明者灝 江, 賈維卿 申請人:中山大學