CN100369197C - 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法 - Google Patents

一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN100369197C
CN100369197C CNB2004100379457A CN200410037945A CN100369197C CN 100369197 C CN100369197 C CN 100369197C CN B2004100379457 A CNB2004100379457 A CN B2004100379457A CN 200410037945 A CN200410037945 A CN 200410037945A CN 100369197 C CN100369197 C CN 100369197C
Authority
CN
China
Prior art keywords
gan
substrate
sin
graph substrate
pleurodiaphragmatic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2004100379457A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1697134A (zh
Inventor
陈弘
郭丽伟
王晶
汪洋
邢志刚
周均铭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Physics of CAS
Original Assignee
Institute of Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Physics of CAS filed Critical Institute of Physics of CAS
Priority to CNB2004100379457A priority Critical patent/CN100369197C/zh
Publication of CN1697134A publication Critical patent/CN1697134A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100369197C publication Critical patent/CN100369197C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

本发明涉及一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法，包括：使用常规的两步生长法，在衬底上外延生长GaN缓冲层；在此GaN缓冲层上，使用常规的外延方法，在600～1200℃淀积厚度为1～10nm、非均匀地分布有孔洞的SiN膜层。所述的两步生长法为先在500～700℃生长8～40nm厚的GaN或AlN成核层；然后在700～1200℃生长100nm～3μm厚的GaN或AlxGa1-xN层，其中0＜x＜1。利用本发明提供的方法得到的图形衬底，在SiN膜层上的孔洞的线度尺寸为8～80nm，分布密度为5×109～1×1011/cm2。在其上外延的GaN材料的质量较好，能降低GaN基外延层中的穿透位错密度；且本方法工艺简单易行，可以减少对衬底的污染和损伤，又可以降低生产成本。

Description

一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法
技术领域
本发明涉及一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法。
背景技术
宽禁带半导体GaN材料因其特有的物理性质，使其在光电子(包括制备绿色、蓝色、紫外发光二极管、激光二极管和紫外探测器)和微电子领域(包括高电子迁移率晶体管和异质结双极晶体管)有广泛的应用。但目前缺少与GaN晶格常数相匹配的合适外延衬底，其外延膜只能生长在与其失配较大的诸如蓝宝石、硅、碳化硅等衬底上。这些衬底的晶格常数和热膨胀系数与GaN的相比相差很大，导致GaN基生长层的穿透位错密度高达108-1010cm-2。这些位错的存在限制了光电子器件性能的进一步提高，特别是对于紫外发光二极管至今难以实现高功率的器件。因此，降低GaN基材料中的位错密度是制备高性能器件的基础。
降低GaN基外延材料中位错密度的工艺方法有多种，包括两步生长法、超晶格缓冲层法和侧向外延(epitaxial lateral overgrowth，缩写为ELOG)等技术。其中，两步生长法和超晶格缓冲层法虽然可以在一定程度上减少GaN基外延层中的位错密度和改进材料的质量，但仍不能满足特殊器件性能要求对材料质量的要求，如紫外LED和探测器、激光器等。已有的侧向外延生长技术可以有效地降低材料中的位错密度，提高器件的性能。但侧向外延工艺需要预先在衬底上沉积掩膜层或在GaN的缓冲层上沉积掩膜并制成图形衬底，然后进行外延薄膜生长。这种工艺具体实施需要蒸镀掩膜介质、光刻图形、干法刻蚀和化学清洗等多道工艺。复杂的工艺流程容易引进杂质、增加应力、损伤和污染衬底，不利于降低生产成本和节省资源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术制备图形衬底时工艺复杂、易引进杂质、增加应力、会损伤和污染衬底、生产成本高的缺陷，从而提供一种简单易行、可以减少对衬底的污染和损伤，同时能降低GaN基外延层中的穿透位错密度的利用SiN膜原位制备图形衬底的方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明提供一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法，包括如下的步骤：
1)制备GaN缓冲层：使用常规的两步生长法，在衬底上外延生长GaN缓冲层，第一步是在500～700℃生长8～40nm厚的GaN或AlN成核层；第二步是在700～1200℃生长100nm～3μm厚的GaN或AlxGa1-xN层，其中0＜x＜1；
所述步骤1)两步生长法可以是金属有机化学气相淀积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、化学气相淀积法(CVD)或氢化物气相外延法(HVPE)。
所述的衬底可以是蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓等材料。
2)制备SiN膜层：在步骤1)制得的GaN缓冲层上，使用常规的外延方法，在600～1200℃淀积厚度为1～10nm、非均匀地分布有孔洞的SiN膜层。
所述步骤2)的外延方法包括金属有机化学气相淀积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、化学气相淀积法(CVD)或氢化物气相外延法(HVPE)。
利用本发明提供的方法得到的图形衬底，在SiN膜层上的孔洞的线度尺寸为8～80nm，分布密度为5×109～1×1011/cm2。在本发明提供的方法得到的图形衬底上和在常规的C面蓝宝石衬底上分别外延2μm的GaN材料，得到材料的非对称(105)X射线衍射的半峰宽分别为180弧秒和230弧秒。该结果表明在本发明提供的方法得到的图形衬底上外延的GaN材料的质量较好。
本发明提供的利用SiN膜原位制备图形衬底的方法是一种原位制备图形衬底的新工艺。这种工艺通过在基础衬底上生长一定厚度的GaN缓冲层和在其上原位淀积SiN膜层，并通过生长温度和生长厚度来控制SiN膜层中形成的孔洞结构、孔洞大小和密度分布。如果SiN膜太薄，会形成连通的孔洞，不利于侧向外延生长；如果SiN膜太厚，则孔洞就会消失而不利于GaN材料的生长。只有厚度合适时(一般为1～10nm)，才会在SiN层中形成孔洞结构，从而使得得到的图形衬底与已有技术用复杂工艺制备的图形衬底的性能相似，能降低GaN基外延层中的穿透位错密度，可显著改善和提高外延GaN基材料的质量，为制备高性能的光电子和微电子材料和器件提供可能。而且本方法回避了现有技术的复杂工艺，在外延生长系统内直接原位淀积SiN膜层制备图形衬底，工艺简单易行，既可以减少对衬底的污染和损伤，又可以降低生产成本。
附图说明
图1为本发明利用SiN膜原位制备图形衬底的平面示意图；
图2为本发明利用SiN膜原位制备图形衬底的剖面示意图，其中1为SiN膜层，2为GaN缓冲层，3为基础衬底。
具体实施方式
实施例1、
先在蓝宝石衬底上使用金属有机化学气相淀积法(MOCVD)外延生长GaN缓冲层。具体操作为：在MOCVD系统内在1150℃对蓝宝石衬底进行处理；降低衬底温度至低温成核层的生长温度500℃，生长25nm厚的GaN成核层，所用的Ga源为TMGa，N源为氨，载气为氢气；然后对低温生长的GaN成核层在1100℃进行高温退火10分钟，退火后在此温度生长100nm厚的GaN，得到外延了GaN缓冲层的蓝宝石衬底。
然后在此GaN缓冲层上，使用MOCVD法，采用SiH4和NH3为束源，在1100℃淀积厚度为4nm、非均匀地分布有孔洞的SiN膜层，得到用低温GaN作为成核层，原位淀积SiN膜层的图形衬底，如图1和2所示，其上的孔洞的线性尺寸约为30～50nm，分布密度为1×1010个/cm2。
用本实施例得到的图形衬底和常规的C面蓝宝石衬底上，分别外延2μm的GaN材料，得到材料的非对称(105)X射线衍射的半峰宽分别为180弧秒和230弧秒。该结果表明在本发明提供的方法得到的图形衬底上外延的GaN材料的质量较好。
实施例2、
先在碳化硅衬底上使用MOCVD系统外延生长GaN缓冲层。具体操作为：在MOCVD系统内于1150℃对碳化硅衬底进行处理；降低衬底温度至低温成核层的生长温度600℃，生长8nm厚的AlN成核层，所用的Al源为TMAl，N源为氨，载气为氢气；然后对低温生长的AlN成核层于1150℃进行高温退火10分钟，退火后在此温度生长1μm厚的GaN，得到外延了GaN缓冲层的碳化硅衬底。
然后在此GaN缓冲层上，使用分子束外延法(MBE)，采用Si和N2的等离子源为束源，在700℃淀积厚度为5nm、非均匀地分布有孔洞的SiN膜层，得到用低温AlN作为成核层，用MBE方法原位淀积SiN膜层的图形衬底，其上的孔洞的线性尺寸为20～40nm，分布密度为8×109个/cm2。
用本实施例得到的图形衬底和常规的C面蓝宝石衬底上，分别外延2μm的GaN材料，得到材料的非对称(105)X射线衍射的半峰宽分别为170弧秒和230弧秒。该结果表明在本发明提供的方法得到的图形衬底上外延的GaN材料的质量较好。
实施例3、
先在砷化镓衬底上使用MOCVD方法外延生长GaN缓冲层。具体操作为：在MOCVD系统内于650℃对砷化镓衬底进行处理；降低衬底温度至低温成核层的生长温度500℃，生长40nm厚的GaN成核层，所用的Ga源为TMGa，N源为氨，载气为氢气；然后对低温生长的GaN成核层于900℃进行高温退火10分钟，退火后在此温度生长3μm厚的Al0.05Ga0.95N，得到外延了AlGaN缓冲层的砷化镓衬底。
然后在此AlGaN缓冲层上，使用MOCVD方法，采用SiH4和NH3为束源，在800℃淀积厚度为2nm、非均匀地分布有孔洞的SiN膜层，得到用低温GaN作为成核层，原位淀积SiN膜层的图形衬底，其上的孔洞的线性尺寸为50～80nm，分布密度为8×1010个/cm2。
用本实施例得到的图形衬底和常规的C面蓝宝石衬底上，分别外延2μm的GaN材料，得到材料的非对称(105)X射线衍射的半峰宽分别为250弧秒和230弧秒。该结果表明在GaAs基础衬底上用本发明提供的方法得到的图形衬底上外延的GaN材料的质量与常规蓝宝石衬底上的材料质量相当。
实施例4、
先在硅衬底上使用MOCVD方法外延生长GaN缓冲层。具体操作为：在MOCVD系统内于1000℃对硅衬底进行处理；降低衬底温度至低温成核层的生长温度500℃，生长12nm厚的AlN成核层，所用的Al源为TMAl，N源为氨，载气为氢气；然后对低温生长的AlN成核层于1100℃进行高温退火8分钟，退火后在此温度生长500nm厚的GaN，得到外延了GaN缓冲层的硅衬底。
然后在此GaN缓冲层上，使用MOCVD方法，采用SiH4和NH3为束源，在900℃淀积厚度为8nm、非均匀地分布有孔洞的SiN膜层，得到用低温AlN作为成核层，原位淀积SiN膜层的图形衬底，其上的孔洞的线性尺寸为10～30nm，分布密度为5×109个/cm2。
用本实施例得到的图形衬底和常规的C面蓝宝石衬底上，分别外延2μm的GaN材料，得到材料的非对称(105)X射线衍射的半峰宽分别为240弧秒和230弧秒。该结果表明在Si基础衬底上用本发明提供的方法得到的图形衬底上外延的GaN材料的质量与常规蓝宝石衬底上的材料质量相当。
本方法回避了现有的制备图形衬底技术的复杂工艺，在外延生长系统内直接原位淀积SiN膜层制备图形衬底，工艺简单易行，既可以减少对衬底的污染和损伤，又可以降低生产成本。

Claims (5)

1.一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法，包括如下的步骤：
1)制备GaN缓冲层：使用两步生长法，在衬底上外延生长GaN缓冲层；
2)制备SiN膜层：在步骤1)制得的GaN缓冲层上，使用常规的外延方法，在600～1200℃淀积厚度为1～10nm、非均匀地分布有孔洞的SiN膜层。
2.如权利要求1所述的利用SiN膜原位制备图形衬底的方法，其特征在于，所述步骤1)的两步生长法包括：
第一步是在500～700℃外延生长8～40nm厚的GaN或AlN成核层；
第二步是在700～1200℃外延生长100nm～3μm厚的GaN或AlxGa1-xN层，其中0＜x＜1。
3.如权利要求2所述的利用SiN膜原位制备图形衬底的方法，其特征在于，所述的外延生长方法包括金属有机化学气相淀积法、分子束外延法、化学气相淀积法或氢化物气相外延法。
4.如权利要求1所述的利用SiN膜原位制备图形衬底的方法，其特征在于，所述的衬底为蓝宝石、碳化硅、硅或砷化镓。
5.如权利要求1所述的利用SiN膜原位制备图形衬底的方法，其特征在于，所述步骤2)的外延方法包括金属有机化学气相淀积法、分子束外延法、化学气相淀积法或氢化物气相外延法。
CNB2004100379457A 2004-05-14 2004-05-14 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法 Expired - Fee Related CN100369197C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2004100379457A CN100369197C (zh) 2004-05-14 2004-05-14 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2004100379457A CN100369197C (zh) 2004-05-14 2004-05-14 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1697134A CN1697134A (zh) 2005-11-16
CN100369197C true CN100369197C (zh) 2008-02-13

Family

ID=35349770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2004100379457A Expired - Fee Related CN100369197C (zh) 2004-05-14 2004-05-14 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN100369197C (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102956772A (zh) * 2012-10-26 2013-03-06 江苏威纳德照明科技有限公司 一种包括SiC组合衬底的发光器件

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103258922A (zh) * 2012-01-20 2013-08-21 旭明光电股份有限公司 发光二极管装置及从一发光二极管增加光萃取的方法
CN102586879A (zh) * 2012-03-20 2012-07-18 哈尔滨工业大学 用于AlN晶体生长的图形化衬底
CN102881570A (zh) * 2012-07-20 2013-01-16 江苏能华微电子科技发展有限公司 半导体材料的制备方法
CN104167476A (zh) * 2013-05-20 2014-11-26 南通同方半导体有限公司 一种降低蓝光led缺陷密度的发光二极管结构
CN105274496B (zh) * 2014-06-17 2019-01-15 北京大学 一种MOCVD中突变式冲击气流在线生长SiNx掩膜层的方法
CN105552186B (zh) * 2014-10-29 2019-03-08 南通同方半导体有限公司 一种具有抑制极化效应垒层蓝光led外延结构
CN105742430A (zh) * 2016-03-07 2016-07-06 太原理工大学 一种led外延结构及其制备方法
WO2018119622A1 (zh) * 2016-12-27 2018-07-05 深圳市柔宇科技有限公司 一种 GaN 基 LED 芯片的外延生长方法
CN108110097A (zh) * 2018-01-15 2018-06-01 中国科学院半导体研究所 GaN基LED器件及其制备方法
CN111554785B (zh) * 2020-03-27 2021-10-08 华灿光电(苏州）有限公司 一种发光二极管外延片及其制备方法
CN115458650B (zh) * 2022-11-10 2023-03-24 江西兆驰半导体有限公司 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1395291A (zh) * 2002-06-28 2003-02-05 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 射频等离子体分子束外延生长氮化镓的双缓冲层工艺
US6559482B1 (en) * 2001-12-31 2003-05-06 South Epitaxy Corporation III-N compound semiconductor bipolar transistor structure and method of manufacture

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6559482B1 (en) * 2001-12-31 2003-05-06 South Epitaxy Corporation III-N compound semiconductor bipolar transistor structure and method of manufacture
CN1395291A (zh) * 2002-06-28 2003-02-05 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 射频等离子体分子束外延生长氮化镓的双缓冲层工艺

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102956772A (zh) * 2012-10-26 2013-03-06 江苏威纳德照明科技有限公司 一种包括SiC组合衬底的发光器件

Also Published As

Publication number Publication date
CN1697134A (zh) 2005-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6489221B2 (en) High temperature pendeoepitaxial methods of fabricating gallium nitride semiconductor layers on sapphire substrates
US8541292B2 (en) Group III nitride semiconductor epitaxial substrate and method for manufacturing the same
CN100592470C (zh) 硅基氮化物单晶薄膜的外延生长方法
KR100901822B1 (ko) 질화갈륨 성장용 기판 및 질화갈륨 기판 제조 방법
CN109065438B (zh) AlN薄膜的制备方法
EP1746641B1 (en) Method of manufacturing a group III nitride semiconductor device and epitaxial substrate
EP2532022B1 (en) Method for manufacturing gallium nitride wafer
CN101847578B (zh) 基于m面Al2O3衬底上半极性GaN的生长方法
US20060175681A1 (en) Method to grow III-nitride materials using no buffer layer
CN105489714A (zh) 一种多孔氮化铝复合衬底及其在外延生长高质量氮化镓薄膜中的应用
CN100369197C (zh) 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法
JP2009155141A (ja) 半導体基板の作成方法ならびに半導体基板およびそれを用いる化合物半導体発光素子
CN101901759B (zh) 基于r面Al2O3衬底上非极性a面GaN薄膜的MOCVD生长方法
CN101901757A (zh) 基于a面6H-SiC衬底上非极性a面GaN的MOCVD生长方法
CN106229397B (zh) 一种发光二极管外延片的生长方法
CN213905295U (zh) 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜
CN112687527A (zh) 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜及其外延生长方法
CN113802178A (zh) 一种改善氮化镓异质外延与衬底间界面形貌的外延方法
CN116682910A (zh) 一种氮化镓外延片结构及其制备方法
JP5095051B2 (ja) 電子デバイス作製用サファイア単結晶基板及び電子デバイス作製用窒化ガリウム化合物半導体膜の作製方法
CN116575123A (zh) 一种在陶瓷衬底上生长单晶iii族氮化物厚膜外延层的方法
CN114005728A (zh) 一种低应力高质量氮化物材料外延方法
CN103325677A (zh) 含有SiNx插入层的极性c面GaN基的半导体器件的制备方法
CN113628953A (zh) 氮化物材料的制备方法及氮化物半导体器件
US20150263221A1 (en) Semiconductor and Template for Growing Semiconductors

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Jiangsu Zhongxian Group Co., Ltd.

Assignor: Research Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: 2011320000486

Denomination of invention: Method for preparing graphical substrate in situ by using SIN film

Granted publication date: 20080213

License type: Common License

Open date: 20051116

Record date: 20110401

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20080213

Termination date: 20150514

EXPY Termination of patent right or utility model