CN101471245A - Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法 - Google Patents

Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法 Download PDF

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王质武
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Shenzhen Fangda Guoke Optoelectronic Technology Co., Ltd.
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Abstract

本发明公开一种Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法，包括在硅衬底表面外延生长一层AlN种子层、在AlN种子层上再外延生长一层GaN步骤，还包括以下步骤：(1)、外延生长GaN层后，将温度从900～1200℃在200～400sec内快速降温至500～800℃，导致GaN层与AlN种子层龟裂形成裂纹，在裂纹处由于NH3的存在会生成SiN；(2)、原位生长SiN，在裂缝处SiN进一步长厚，并在GaN层上生长零星分布的SiN掩膜层；(3)在具有SiN掩膜的GaN层上同质横向外延生长GaN，直至该GaN层完全生长合并在一起。

Description

Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，涉及一种Si衬底上外延生长氮化镓的方法。
背景技术
III-V族氮化嫁(GaN)及其化合物半导体，作为第三代半导体材料的典型代表，因其独特的物理、化学和机械性能，在光电子和微电子领域有着巨大的应用前景。但由于GaN体单晶制备的困难和缺少与之相匹配的异质衬底材料，目前商业化的led主要是在蓝宝石衬底和碳化硅衬底上进行外延生长。Si衬底具有成本低、易解理、易得到大面积高质量商业化衬底以及硅基器件易于集成等优点。硅衬底GaN基材料生长及器件应用所取得的进展引起了人们极大的兴趣。然而Si衬底与GaN之间具有较大的热失配和晶格失配，导致Si衬底上外延的GaN薄膜出现高缺陷密度，严重制约Si衬底GaN基材料的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种减少位错、GaN晶体质量高的Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法。
本发明采用以下技术方案来解决上述技术问题：在硅衬底表面外延生长一层AlN种子层、在AlN种子层上再外延生长一层GaN步骤，还包括以下步骤：
(1)、外延生长GaN层后，将温度从900～1200℃在200～400sec内快速降温至500～800℃，导致GaN层与AlN种子层龟裂形成裂纹，在裂纹处由于NH3的存在会生成SiN，其中，AlN种子层外延生长厚度优选为5nm～300nm，GaN外延生长厚度优选为5nm～300nm。
(2)、原位生长SiN，在裂缝处SiN进一步长厚，并在GaN层上生长零星分布的SiN掩膜层；其中，裂缝中的SiN的厚度优选为1～300nm，GaN上面生长的SiN掩膜层的厚度优选为1nm～100nm。
(3)在具有SiN掩膜的GaN层上同质横向外延生长GaN，直至该GaN层完全生长合并在一起。在具有SiN掩膜的GaN层上外延生长GaN，当GaN生长到1～100nm时调整载气流量、压力、NH3流量、温度、压力、镓源流量，使GaN横向生长速度加快，最终合并在一起。
本发明采用快速降温的方式，在GaN、AlN层龟裂出裂缝，在裂缝中生长SiN，并在GaN层上外延生长零星的SiN掩膜层，由于零星的SiN掩膜层及裂缝中的SiN的存在，使在有SiN掩膜的GaN层上继续横向外延生长氮化镓，GaN在GaN层上同质外延生长，而在具有SiN掩膜的地方不生长GaN，由于SiN的存在，GaN生长过程中位错发生弯曲，减少了GaN位错的发生，提高了晶体质量，改善了器件性能。
附图说明
图1是本发明的外延片生长过程示意图。
具体实施方式
实施例1，如图1所示是本发明的外延片生长过程示意图。
首先，按照常规的外延生长方法，在硅衬底表面外延生长一层AlN种子层、在AlN种子层上再外延生长一层GaN，其中，AlN种子层外延生长厚度为5nm，GaN外延生长厚度为100nm；然后，将温度从1200℃在200sec内快速降温至800℃，导致GaN层与AlN种子层龟裂形成裂纹，接着，按照常规的外延生长方法，在裂纹中生长SiN，原位继续生长SiN，在裂缝处SiN进一步长厚，并在GaN层上生长零星分布的SiN掩膜层；其中，裂缝中的SiN的厚度为1nm，GaN上面生长的SiN掩膜层的厚度为10nm，最后，按照常规的外延生长方法，在具有SiN掩膜的GaN层上同质横向外延生长GaN，当GaN生长到10nm时调整载气流量、压力、NH3流量、温度、压力、镓源流量，使GaN横向生长速度加快，最终合并在一起。
实施例2，首先，按照常规的外延生长方法，在硅衬底表面外延生长一层AlN种子层、在AlN种子层上再外延生长一层GaN，其中，AlN种子层外延生长厚度为300nm，GaN外延生长厚度为5nm；然后，将温度从900℃在400sec内快速降温至500℃，导致GaN层与AlN种子层龟裂形成裂纹，接着，按照常规的外延生长方法，在裂纹中生长SiN，原位继续生长SiN，在裂缝处SiN进一步长厚，并在GaN层上生长零星分布的SiN掩膜层；其中，裂缝中的SiN的厚度为300nm，GaN上面生长的SiN掩膜层的厚度为1nm，最后，按照常规的外延生长方法，在具有SiN掩膜的GaN层上同质横向外延生长GaN，当GaN生长到1nm时调整载气流量、压力、NH3流量、温度、压力、镓源流量，使GaN横向生长速度加快，最终合并在一起。
实施例3，首先，按照常规的外延生长方法，在硅衬底表面外延生长一层AlN种子层、在AlN种子层上再外延生长一层GaN，其中，AlN种子层外延生长厚度为100nm，GaN外延生长厚度为300nm；然后，将温度从1100℃在350sec内快速降温至550℃，导致GaN层与AlN种子层龟裂形成裂纹，接着，按照常规的外延生长方法，在裂纹中生长SiN，原位继续生长SiN，在裂缝处SiN进一步长厚，并在GaN层上生长零星分布的SiN掩膜层；其中，裂缝中的SiN的厚度为30nm，GaN上面生长的SiN掩膜层的厚度为100nm，最后，按照常规的外延生长方法，在具有SiN掩膜的GaN层上同质横向外延生长GaN，当GaN生长到100nm时调整载气流量、压力、NH3流量、温度、压力、镓源流量，使GaN横向生长速度加快，最终合并在一起。
本发明Si衬底上生长的氮化镓与现有技术中Si衬底上生长的氮化镓对比：
按照本发明方法和现有技术的方法各外延生长5片氮化镓，采用X射线衍射仪检测方法来检测氮化镓质量，检测结果见下表：
 
序号 (002)FWHM (102)FWHM
1 420 530
2 415 520
3 410 510
4 400 500
5 412 515
6 350 450
7 360 460
8 340 440
9 345 445
10 320 420
上表中，序号1～5为现有技术外延生长的氮化镓，序号6～10为本发明实施例1～3分别外延生长的氮化镓。GaN(002)和(102)半高峰FWHM分别代表螺位错和刃位错密度大小，从数据中可以得出采用本发明后GaN(002)和(102)半高峰FWHM明显变小，表明采用该方法后晶体质量得到明显提高。

Claims (6)

1、一种Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法，包括在硅衬底表面外延生长一层AlN种子层、在AlN种子层上再外延生长一层GaN步骤，其特征在于，还包括以下步骤：
(1)、外延生长GaN层后，将温度从900～1200℃在200～400sec内快速降温至500～800℃，导致GaN层与AlN种子层龟裂形成裂纹，在裂纹处由于NH3的存在会生成SiN；
(2)、原位生长SiN，在裂缝处SiN进一步长厚，并在GaN层上生长零星分布的SiN掩膜层；
(3)、在具有SiN掩膜的GaN层上同质横向外延生长GaN，直至该GaN层完全生长合并在一起。
2、如权利要求1所述的Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法，其特征在于，AlN种子层外延生长厚度为5nm～300nm。
3、如权利要求1所述的Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法，其特征在于，GaN外延生长厚度为5nm～300nm。
4、如权利要求1所述的Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法，其特征在于，GaN上面生长的SiN掩膜层的厚度为1nm～100nm。
5、如权利要求1～4任意一项所述的Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法，其特征在于，在具有SiN掩膜的GaN层上外延生长GaN时，当GaN生长到1～100nm时调整载气流量、压力、NH3流量、温度、压力、镓源流量，使GaN横向生长速度加快，最终合并在一起。
6、如权利要求5所述的Si衬底上横向外延生长氮化镓的方法，其特征在于，裂缝中的SiN的厚度为1～300nm。
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