CN101302648B - 氮化镓薄膜外延生长结构及方法 - Google Patents

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

氮化镓薄膜外延生长结构及方法

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 (1)

1.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。

Images