CN101302648A - 氮化镓薄膜外延生长结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是氮化镓薄膜外延生长结构及方法,结构是SOI衬底上是AlN成核层,成核层上是低V/III比GaN缓冲层,低V低V/III比/III比缓冲层上是GaN单晶薄膜。方法是选择SOI衬底,装入MOCVD反应室;烘烤;降温并通入三甲基铝,生长AlN成核层;关闭三甲基铝,降温并通入氨气,生长GaN缓冲层;升温并通入氨气和三甲基镓,生长GaN单晶薄膜;降至室温。优点:低V/III比GaN缓冲层通过延长GaN薄膜由三维生长转变为准二维生长时间使晶粒充分长大,降低晶粒密度,释放失配应力,提高GaN薄膜晶体质量。利用低V/III比GaN缓冲层减小SOI基GaN单晶薄膜失配应力、降低位错密度、提高晶体高质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体单晶薄膜的外延生长结构及方法,尤其是一种采用低V/III比(V族元素与III族元素的摩尔比)的氮化镓(GaN)缓冲层来提高绝缘体上硅(SOI:Silicon-on-Insulator)衬底上GaN外延薄膜质量的结构及方法。
背景技术
目前,出于制造成本等因素考虑,以硅(Si)为衬底外延生长氮化镓(GaN)单晶薄膜已经成为研究的热点。Si衬底具有价格低廉、尺寸大、晶体质量高、导热较好、硬度小、易加工等独特的优点。因此,Si基GaN外延生长技术被认为是具有低成本、市场前景广阔的产业化技术。
由于Si衬底与GaN单晶薄膜之间存在较大的失配(晶格和热),因此,随着薄膜厚度增加,应力逐渐累积,将会产生大量位错,并且降温过程中容易出现裂纹,增加了外延生长难度。而SOI是由薄的顶层硅/埋层/硅基底材料组成,研究发现,在SOI衬底上外延生长GaN薄膜时,因为SOI的顶层硅厚度较薄,远小于GaN外延薄膜厚度,所以可以吸收部分(晶格和热)失配应力,降低GaN薄膜的位错密度和裂纹密度,提高晶体质量,因此,SOI作为GaN薄膜的外延衬底逐渐受到重视。目前制备SOI基GaN薄膜主要是在SOI衬底上生长氮化铝(AlN)成核层,然后直接生长GaN单晶薄膜。但是,由于SOI的顶层硅仍然和外延生长的GaN单晶薄膜之间存在很大的失配应力,因此,有必要进一步探索降低应力、提高薄膜质量的有效方法。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术所存在的缺陷,提出一种SOI基GaN薄膜外延结构及方法,利用低V/III比的GaN缓冲层进一步释放GaN单晶薄膜的失配应力、降低位错密度、提高晶体质量的SOI基GaN薄膜外延生长结构及方法。
本发明的技术解决方法:1、氮化镓薄膜外延生长结构,其特征是在SOI衬底上是成核层;成核层上是低V/III比GaN缓冲层;GaN缓冲层上是GaN单晶薄膜。
2、氮化镓薄膜外延生长方法,该方法的工艺步骤包括,
1)选择SOI衬底,装入MOCVD反应室;
2)在1150℃,100Torr,氢气气氛10L/min烘烤10分钟;
3)降温至1040℃,通入三甲基铝30mL/min,30秒,然后通入氨气3000mL/min和三甲基铝30mL/min,生长60nm厚的AlN成核层;
5)在1040℃,通入氨气4400mL/min和三甲基镓130μmol/min,V/III比为1500,生长2.0μm厚的GaN单晶薄膜;
6)降至室温;其特征是4)关闭三甲基铝,通入氨气和三甲基镓生长GaN缓冲层,V/III比为200~800,三甲基镓流量为85μmol/min~305μmol/min,反应室温度设置为800~1180℃,厚度为0.1~1.0μm。
本发明具有以下优点:
1.低V/III比GaN缓冲层可以进一步释放GaN薄膜与SOI衬底间的失配应力,有效降低GaN薄膜的位错密度,提高晶体质量。
2.低V/III比GaN缓冲层原位制备,工艺简单,效率高。
一般情况下,MOCVD生长高质量GaN单晶薄膜的V/III比要高于1200,而本方法中所指GaN缓冲层的V/III比范围是120~600。从微观机制的角度看,低V/III比条件下生长的GaN缓冲层能够调节N和Ga的化学计量比,以至于形成如氮空位等微结构来释放衬底与外延薄膜间的失配应力。另外,从生长过程看,低V/III比GaN缓冲层通过改变GaN薄膜的生长模式达到释放失配应力的作用。具体来说,GaN单晶薄膜在低V/III比GaN缓冲层上开始生长后持续一段时间的三维岛状生长模式,然后才逐渐转向准二维生长模式,这说明低V/III比GaN缓冲层能够延长GaN薄膜从三维生长转变为准二维生长的时间。在薄膜的外延生长过程中,三维岛状生长时期岛与岛之间独立生长、长大;转为准二维生长模式后岛与岛之间逐渐连接成光滑、连续的单晶薄膜。适当延长三维生长时间有利于GaN晶粒充分长大、降低晶粒密度,同时释放应力,从而减小薄膜的位错密度,提高晶体质量。而没有加入低V/III比GaN缓冲层的GaN薄膜在开始生长后很快转变为二维生长模式,这样晶粒密度大,释放应力有限,导致GaN薄膜的位错密度较高。
本发明所涉及的外延结构和方法不仅可以生长高质量的GaN单晶薄膜,还可以生长III-V族(In,Al,Ga)N系列多元合金的单晶薄膜,以及在其上继续生长各种单晶薄膜或器件结构(如发光二极管、探测器、激光器、高电子迁移率晶体管、双极晶体管等)。本发明可以利用MOCVD(金属有机物化学汽相沉积)、MBE(分子束外延)、UHVCVD(超高真空化学汽相沉积)、PLD(激光脉冲沉积)等薄膜外延生长技术实现。
附图说明
附图1是本发明的结构原理示意图。
具体实施方式
对照图1,其结构是SOI衬底1上是成核层2;成核层2上是低V/III比GaN缓冲层3;GaN缓冲层3上是GaN单晶薄膜4。
所述的成核层2是AlN,生长在SOI衬底1上。
所述的GaN缓冲层3是生长在成核层2上,V/III比为200~800,厚度为0.1~1.0μm,生长温度为800~1180℃。
所述的GaN单晶薄膜4生长在低V/III比GaN缓冲层3上。
SOI衬底经高温(1150℃,100Torr)烘烤处理后,依次生长AlN成核层、低V/III比GaN缓冲层、表面平整的连续GaN单晶薄膜。利用低V/III比GaN缓冲层3进一步释放GaN薄膜与SOI衬底间的失配应力,降低位错密度和裂纹密度,提高GaN薄膜的晶体质量。
实施例1:
1)选择SOI衬底,装入MOCVD反应室;
2)在1150℃,100Torr,氢气气氛(10L/min)烘烤10分钟;
3)升温至1180℃,通入三甲基铝(30mL/min)30秒,然后通入氨气(3000mL/min)和三甲基铝(30mL/min)生长60nm厚的AlN成核层;
4)关闭三甲基铝,通入氨气(1520mL/min)和三甲基镓(85μmol/min),V/III比为800,生长1.0μm厚的GaN缓冲层;
5)降温至1040℃,通入氨气(4400mL/min)和三甲基镓(130μmol/min),生长2.0μm厚的GaN薄膜;
6)降至室温。
实施例2:
1)选择SOI衬底,装入MOCVD反应室;
2)在1150℃,100Torr,氢气气氛(10L/min)烘烤10分钟;
3)降温至1040℃,通入三甲基铝(30mL/min)30秒,然后通入氨气(3000mL/min)和三甲基铝(30mL/min)生长60nm厚的AlN成核层;
4)关闭三甲基铝,降温至800℃,通入氨气(1366mL/min)和三甲基镓(305μmol/min),V/III比为200,生长0.5μm厚的GaN缓冲层;
5)升温至1040℃,通入氨气(4400mL/min)和三甲基镓(130μmol/min),生长2.0μm厚的GaN单晶薄膜;
6)降至室温。
实施例3:
1)选择SOI衬底,装入MOCVD反应室;
2)在1150℃,100Torr,氢气气氛(10L/min)烘烤10分钟;
3)降温至1040℃,通入三甲基铝(30mL/min)30秒,然后通入氨气(3000mL/min)和三甲基铝(30mL/min)生长60nm厚的AlN成核层;
4)关闭三甲基铝,降温至980℃,通入氨气(1702mL/min)和三甲基镓(152μmol/min),V/III比为500,生长0.1μm厚的GaN缓冲层;
5)升温至1040℃,通入氨气(4400mL/min)和三甲基镓(130μmol/min),生长2.0μm厚的GaN单晶薄膜;
6)降至室温。
Claims (2)
1、氮化镓薄膜外延生长结构,其特征是在SOI衬底上是成核层;成核层上是低V/III比GaN缓冲层;GaN缓冲层上是GaN单晶薄膜。
2、氮化镓薄膜外延生长方法,该方法的工艺步骤包括,
1)选择SOI衬底,装入MOCVD反应室;
2)在1150℃,100Torr,氢气气氛10L/min烘烤10分钟;
3)降温至1040℃,通入三甲基铝30mL/min,30秒,然后通入氨气3000mL/min和三甲基铝30mL/min,生长60nm厚的AlN成核层;
5)在1040℃,通入氨气4400mL/min和三甲基镓130μmol/min,V/III比为1500,生长2.0μm厚的GaN单晶薄膜;
6)降至室温;其特征是4)关闭三甲基铝,通入氨气和三甲基镓生长GaN缓冲层,V/III比为200~800,三甲基镓流量为85μmol/min~305μmol/min,反应室温度设置为800~1180℃,厚度为0.1~1.0μm。
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