CN101515543B - 在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，包括如下步骤：选择硅衬底；采用金属有机物汽相外延方法，在硅衬底上生长一层铝；在硅衬底上生长铝后生长一层氮化铝成核层；在该氮化铝成核层上生长铝和氮化铝的超晶格；在铝和氮化铝的超晶格上生长四层氮化镓层；在氮化镓生长过程中，降低温度，插入三层氮化铝层；最后改变生长室气压，生长一层氮化镓层。利用本发明，通过控制生长条件，如温度、压力以及生长氮化镓的缓冲层结构设计方面的改进，在硅衬底上外延生长出了氮化镓薄膜。

Description

在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法。
背景技术
III-V族氮化镓材料作为第三代半导体材料的典型代表，由于具有独特的物理、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。
由于氮化镓材料缺少同质衬底，需要在蓝宝石、碳化硅和硅等衬底上异质外延生长。蓝宝石衬底导热性较差，碳化硅衬底价格昂贵且不便于后期划片，而硅衬底价格便宜、热导率较高、便于解理，以及可以实现硅基光电集成。
因此，在硅衬底上生长氮化镓，可以大大推进氮化镓材料的实用化，在无线通讯、飞行器、雷达和高温电子器件等领域具有广阔的应用前景。
由于硅和氮化镓两种材料的晶格常数和热膨胀系数差别很大，分别为17％和56％，这使得氮化镓薄膜中存在较大的拉应力，从而在氮化镓薄膜表面产生裂纹。
此外，硅和氮化镓两种材料较大的晶格常数差异，使得氮化镓薄膜中存在较高的位错密度，从而影响材料的晶体质量。
目前，在硅衬底生长氮化镓薄膜的方法经常采用超晶格缓冲层或者铝组分渐变的铝镓氮缓冲层，而采用超晶格缓冲层或者铝组分渐变的铝镓氮缓冲层，对于缓解氮化镓薄膜中的应力不是很明显，因此对于消除氮化镓薄膜表面裂纹的效果并不理想。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法，是通过控制生长条件，如温度、压力以及生长氮化镓的缓冲层结构设计方面的改进，在硅衬底上外延生长出氮化镓薄膜。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，包括如下步骤：
选择硅衬底；
采用金属有机物汽相外延方法，在硅衬底上生长一层铝；
在硅衬底上生长铝后生长一层氮化铝成核层；
在该氮化铝成核层上生长铝和氮化铝的超晶格；
在铝和氮化铝的超晶格上生长四层氮化镓层；
在氮化镓生长过程中，降低温度，插入三层氮化铝层；
最后改变生长室气压，生长一层氮化镓层。
优选地，其中所述的硅衬底为硅(111)衬底。
优选地，其中所述的在硅衬底上生长一层铝的温度为1020～1060℃，生长室的压力为400～600torr。
优选地，其中所述的氮化铝成核层的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，生长厚度为90～110nm。
优选地，其中所述的铝和氮化铝的超晶格的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，每周期生长铝的厚度为2～4nm，氮化铝的厚度为3～5nm，15个周期总厚度为90～110nm。
优选地，其中所述的四层氮化镓层的生长温度为1035～1065℃，生长室的压力80～120torr，从衬底到表面，每层生长厚度分别为90～110，190～210，190～210和480～520nm。
优选地，其中所述的三层氮化铝层，从衬底到表面，生长温度分别580～610，680～710和780～810℃，每层生长厚度分别为20～30，15～25和10～15nm，生长室的压力为30～60torr。
优选地，所述最后改变生长室气压生长一层氮化镓层的步骤中，该氮化镓层的生长温度为1030～1065℃，生长室的压力180～220torr，生长厚度为380～420nm。
为达到上述目的，本发明还提供了一种在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其中包括：
一硅衬底；
一金属铝层，该金属铝层生长在硅衬底上；
一氮化铝成核层，该氮化铝成核层生长在金属铝层上；
一铝和氮化铝的超晶格层，该铝和氮化铝的超晶格层生长在氮化铝成核层上；
四层氮化镓层，该四层氮化镓层生长在铝和氮化铝的超晶格层上；
三层氮化铝插入层，该三层氮化铝插入层插入在四层氮化镓层中间；
一氮化镓层，该氮化镓层生长在样品的最顶层。
优选地，其中所述的硅衬底为硅(111)衬底。
优选地，其中所述的在硅衬底上生长一层铝的温度为1020～1060℃，生长室的压力为400～600torr。
优选地，其中所述的氮化铝成核层的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，生长厚度为90～110nm。
优选地，其中所述的铝和氮化铝的超晶格的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，每周期生长铝的厚度为2～4nm，氮化铝的厚度为3～5nm，15个周期总厚度为90～110nm。
优选地，其中所述的四层氮化镓层的生长温度为1035～1065℃，生长室的压力80～120torr，从衬底到表面，每层生长厚度分别为90～110，190～210，190～210和480～520nm。
优选地，其中所述的三层氮化铝层，从衬底到表面，生长温度分别580～610，680～710和780～810℃，每层生长厚度分别为20～30，15～25和10～15nm，生长室的压力为30～60torr。
优选地，所述生长在样品的最顶层的氮化镓层的生长温度为1030～1065℃，生长室的压力180～220torr，生长厚度为380～420nm。
(三)有益效果
1、本发明提供的这种在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法，通过控制生长条件，如温度、压力以及生长氮化镓的缓冲层结构设计方面的改进，在硅衬底上外延生长出了氮化镓薄膜。
2、本发明提供的这种在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法，通过控制生长条件，如温度、压力以及氮化镓生长的结构设计等方面的最佳化来外延生长出硅基氮化镓薄膜。采用了三个氮化铝插入层和一个铝/氮化铝超晶格缓冲层，来缓解外延氮化镓薄膜中的拉应力。由于氮化铝插入层是处于部分驰誉的多晶状态，又因为氮化铝的晶格常数比氮化镓小，因此能给氮化镓外延层提供一压应力，缓解来自硅衬底的拉应力，从而减少表面裂纹密度。
3、本发明提供的这种在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法，采用了三层氮化铝插入层和铝/氮化铝组成的超晶层，三层氮化铝插入层还能够阻挡来自衬底的穿透位错向上传播，从而抑制氮化镓外延薄膜中的位错密度，提高氮化镓薄膜的晶体质量。
附图说明
图1为本发明提供的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构的示意图；
图2为本发明提供的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法流程图；
图3为采用本发明在两英寸硅衬底生长的氮化镓薄膜的GaN(0002)DC-XRD摇摆曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构的示意图，其中包括：
一硅衬底10；
一金属铝层20，该金属铝层20生长在硅衬底10上；
一氮化铝成核层30，该氮化铝成核层30生长在金属铝层20上；
一铝20和氮化铝40的超晶格层，该铝20和氮化铝40的超晶格层生长在氮化铝成核层30上；
四层氮化镓层50，该四层氮化镓层50生长在铝20和氮化铝40的超晶格层上；
三层氮化铝插入层60、70、80，该三层氮化铝插入层60、70、80插入在四层氮化镓层50中间；
一氮化镓层90，该氮化镓层90生长在样品的最顶层。
其中，所述的硅衬底10为硅(111)衬底。
其中，所述的在硅衬底10上生长一层铝的温度为1020～1060℃，生长室的压力为400～600torr。
其中，所述的氮化铝成核层30的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，生长厚度为90～110nm。
其中，所述的铝20和氮化铝40的超晶格的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，每周期生长铝的厚度为2～4nm，氮化铝的厚度为3～5nm，15个周期总厚度为90～110nm。
其中，所述的四层氮化镓层50的生长温度为1035～1065℃，生长室的压力80～120torr，从衬底10到表面，每层生长厚度分别为90～110，190～210，190～210和480～520nm。
其中，所述的三层氮化铝层，从衬底10到表面，生长温度分别580～610，680～710和780～810℃，每层生长厚度分别为20～30，15～25和10～15nm，生长室的压力为30～60torr。
其中，所述的氮化镓层90的生长温度为1030～1065℃，生长室的压力180～220torr，生长厚度为380～420nm。
如图2所示，图2为本发明提供的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法流程图，包括如下步骤：
步骤201：选择硅衬底；
步骤202：采用金属有机物汽相外延方法，在硅衬底上生长一层铝；
步骤203：在硅衬底上生长铝后生长一层氮化铝成核层；
步骤204：在该氮化铝成核层上生长铝和氮化铝的超晶格；
步骤205：在铝和氮化铝的超晶格上生长四层氮化镓层；
步骤206：在氮化镓生长过程中，降低温度，插入三层氮化铝层；
步骤207：最后改变生长室气压，生长一层氮化镓层。
其中，所述的硅衬底10为硅(111)衬底。
其中，所述的在硅衬底10上生长一层铝的温度为1020～1060℃，生长室的压力为400～600torr。
其中，所述的氮化铝成核层30的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，生长厚度为90～110nm。
其中，所述的铝20和氮化铝40的超晶格的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，每周期生长铝的厚度为2～4nm，氮化铝的厚度为3～5nm，15个周期总厚度为90～110nm。
其中，所述的四层氮化镓层50的生长温度为1035～1065℃，生长室的压力80～120torr，从衬底10到表面，每层生长厚度分别为90～110，190～210，190～210和480～520nm。
其中，所述的三层氮化铝层，从衬底10到表面，生长温度分别580～610，680～710和780～810℃，每层生长厚度分别为20～30，15～25和10～15nm，生长室的压力为30～60torr。
其中，所述的氮化镓层90的生长温度为1030～1065℃，生长室的压力180～220torr，生长厚度为380～420nm。
再参照图1，结合具体的实施例对本发明提供的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构及其生长方法，进一步详细说明如下：
选择一衬底10，该衬底10的材料硅(111)；
将衬底10温度升高，采用金属有机物化学气相沉积法，在衬底上生长一层金属铝层20，该金属铝层20的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为400～600torr；  
在金属铝层20上生长氮化铝成核层30，该氮化铝成核层30的生长温度在1020～1060℃之间，生长压力为30～60torr，生长厚度为90～110nm；
不改变生长室的温度和压力，在氮化铝成核层30上生长铝20和氮化铝40组成的超晶格层，该超晶格层中的铝20厚度为2～4nm，氮化铝层的厚度为3～5nm，15个周期总厚度为90～110nm；
改变生长室压力，在超晶格层上生长氮化镓层50，该氮化镓层50的生长温度为1035～1065℃之间，生长压力为80～120torr，生长厚度为90～110nm；
改变生长室的压力和温度，在氮化镓层50上生长氮化铝层60，该氮化铝层的生长温度为580～610℃，生长压力为30～60torr，生长厚度为20～30nm；
改变生长室的压力和温度，在氮化铝层60上生长氮化镓层50，该氮化镓层的生长温度为1035～1065℃之间，生长压力为80～120torr，生长厚度为190～210nm；
改变生长室的压力和温度，在氮化镓层50上生长氮化铝层70，该氮化铝层的生长温度为680～710℃，生长压力为30～60torr，生长厚度为15～25nm；
改变生长室的压力和温度，在氮化铝层70上生长氮化镓层50，该氮化镓层的生长温度为1035～1065℃之间，生长压力为80～120torr，生长厚度为190～210nm；
改变生长室的压力和温度，在氮化镓层50上生长氮化铝层80，该氮化铝层的生长温度为780～810℃，生长压力为30～60torr，生长厚度为10～15nm；
改变生长室的压力和温度，在氮化铝层80上生长氮化镓层50，该氮化镓层的生长温度为1035～1065℃之间，生长压力为80～120torr，生长厚度为480～520nm；
改变生长室的压力，在氮化镓层50上生长氮化镓层90，该氮化镓层的生长温度为1035～1065℃，生长压力为180～220torr，生长厚度为380～420nm；
本发明解决了硅衬底与氮化镓异质外延层的大失配问题，获得了晶体质量好的(如图3所示GaN(0002)FWHM＝645arcsec)两英寸氮化镓外延薄膜。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择硅衬底；
采用金属有机物汽相外延方法，在硅衬底上生长一层铝；
在硅衬底上生长铝后生长一层氮化铝成核层；
在该氮化铝成核层上生长铝和氮化铝的超晶格；
在铝和氮化铝的超晶格上生长四层氮化镓层；
在氮化镓生长过程中，降低温度，插入三层氮化铝层；
最后改变生长室气压，生长一层氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，其特征在于，其中所述的硅衬底为硅(111)衬底。
3.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，其特征在于，其中所述的在硅衬底上生长一层铝的温度为1020～1060℃，生长室的压力为400～600torr。
4.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，其特征在于，其中所述的氮化铝成核层的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，生长厚度为90～110nm。
5.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，其特征在于，其中所述的铝和氮化铝的超晶格的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，每周期生长铝的厚度为2～4nm，氮化铝的厚度为3～5nm，15个周期总厚度为90～110nm。
6.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，其特征在于，其中所述的四层氮化镓层的生长温度为1035～1065℃，生长室的压力80～120torr，从衬底到表面，每层生长厚度分别为90～110，190～210，190～210和480～520nm。
7.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，其特征在于，其中所述的三层氮化铝层，从衬底到表面，生长温度分别580～610，680～710和780～810℃，每层生长厚度分别为20～30，15～25和10～15nm，生长室的压力为30～60torr。
8.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，其特征在于，所述最后改变生长室气压生长一层氮化镓层的步骤中，该氮化镓层的生长温度为1030～1065℃，生长室的压力180～220torr，生长厚度为380～420nm。
9.一种在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其特征在于，其中包括：
一硅衬底；
一金属铝层，该金属铝层生长在硅衬底上；
一氮化铝成核层，该氮化铝成核层生长在金属铝层上；
一铝和氮化铝的超晶格层，该铝和氮化铝的超晶格层生长在氮化铝成核层上；
四层氮化镓层，该四层氮化镓层生长在铝和氮化铝的超晶格层上；
三层氮化铝插入层，该三层氮化铝插入层插入在四层氮化镓层中间；
一氮化镓层，该氮化镓层生长在样品的最顶层。
10.根据权利要求9所述的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其特征在于，其中所述的硅衬底为硅(111)衬底。
11.根据权利要求9所述的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其特征在于，其中所述的在硅衬底上生长一层铝的温度为1020～1060℃，生长室的压力为400～600torr。
12.根据权利要求9所述的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其特征在于，其中所述的氮化铝成核层的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，生长厚度为90～110nm。
13.根据权利要求9所述的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其特征在于，其中所述的铝和氮化铝的超晶格的生长温度为1020～1060℃，生长室的压力为30～60torr，每周期生长铝的厚度为2～4nm，氮化铝的厚度为3～5nm，15个周期总厚度为90～110nm。
14.根据权利要求9所述的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其特征在于，其中所述的四层氮化镓层的生长温度为1035～1065℃，生长室的压力80～120torr，从衬底到表面，每层生长厚度分别为90～110，190～210，190～210和480～520nm。
15.根据权利要求9所述的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其特征在于，其中所述的三层氮化铝层，从衬底到表面，生长温度分别580～610，680～710和780～810℃，每层生长厚度分别为20～30，15～25和10～15nm，生长室的压力为30～60torr。
16.根据权利要求9所述的在硅衬底上生长的氮化镓薄膜结构，其特征在于，所述生长在样品的最顶层的氮化镓层的生长温度为1030～1065℃，生长室的压力180～220torr，生长厚度为380～420nm。
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CN1779910A (zh) * 2004-11-25 2006-05-31 中国科学院半导体研究所 在硅衬底上生长氮化镓自支撑衬底材料的方法
CN101060076A (zh) * 2007-05-14 2007-10-24 武汉大学 一种GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法

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