CN101724910A - 消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，工艺简单、有效。所述消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法为：将GaN厚膜材料置于含氢气和氨气的混合气体气氛中，进行退火处理。其中，混合气体气氛中，氢气体积百分比为0.1％-99.9％，氨气体积百分比为0.1％-99.9％，退火处理在气压为1K～1MPa的混合气体气氛中进行。退火处理的温度为500～1500℃，时间为5秒到500分钟。GaN厚膜材料厚度为5～1000微米之间时，特别适用于本发明。本发明的有益效果有：一、可有效消除GaN厚膜材料表面的缺陷态和抛光损伤；二、可去除GaN厚膜材料表面氧化薄层；三、可使GaN厚膜材料内部可能存在的应力得到一定程度的释放。
Description
技术领域
本发明涉及一种消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，尤其是一种消除GaN厚膜材料表面由于抛光等原因带来的表面缺陷的方法。
背景技术
近年来，以GaN及InGaN、AlGaN等合金材料为主的宽带隙III族氮化物半导体因其具有连续可调的直接带隙、高电子饱和漂移速度、强击穿电场和高热导率等优异材料性能而成为新型半导体光电子器件和高频高功率器件等应用领域的优选材料。各种相关技术与应用发展迅速。
由于材料是器件的基础，提高GaN材料的晶体质量始终是GaN技术发展的主要攻关方向之一。目前，GaN材料主要是利用金属有机源化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)等方法生长在异质衬底上(如：蓝宝石、碳化硅和硅)。由于GaN和异质衬底之间的晶格失配较大，所生长的GaN材料往往具有很高的缺陷密度，如位错密度可达到108-1010每平方厘米。高缺陷密度会严重影响GaN基器件的性能和可靠性，已经逐渐成为限制GaN基器件技术进一步发展的瓶颈。
近年来，通过发展氢化物气相外延(HVPE)或其它高温高压技术，人们已经能够制备出具有低缺陷密度的GaN厚膜材料衬底，并将其逐渐推广到器件应用。基于GaN厚膜材料衬底和相应同质外延薄膜的各种器件也表现出了优异的性能。
但是，目前GaN厚膜材料技术尚处于发展的初期阶段，工艺不够成熟。其中GaN厚膜材料应用的突出问题是：GaN厚膜材料在制备过程中，需要对其进行表面抛光(化学、机械或化学机械抛光)以提高表面平整度；而抛光过程往往会在GaN厚膜材料表面或表面以下(sub-surface)形成大量的损伤及缺陷态，如图1所示，一片经过抛光处理后的GaN厚膜材料的表面扫描电子显微镜(SEM，左)和阴极射线(CL，右)扫描照片。从SEM照片可见：经过抛光的GaN厚膜材料表面十分平滑；但在同一表面区域获得的CL照片则显示：在GaN厚膜材料表面附近及以下实际存在大量的划痕状缺陷，即图中的暗色条纹。研究表明这些缺陷是在抛光过程中由于机械损伤而形成的。由于缺陷在晶体生长过程中的传递作用，GaN厚膜材料的表面缺陷会对后续外延生长过程产生非常不利的影响，造成同质外延薄膜晶体质量不高等问题。
因此，在进行同质外延生长之前，必须对GaN厚膜材料表面进行必要的处理，减少或消除GaN厚膜材料的表面缺陷，才能保证同质外延GaN薄膜的晶体质量。
发明内容
本发明提供一种消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，工艺简单、有效。
所述消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法为：将GaN厚膜材料置于含氢气和氨气的混合气体气氛中，进行退火处理。
其中，混合气体气氛中，氢气体积百分比为0.1％-99.9％，氨气体积百分比为0.1％-99.9％，退火处理在气压为1K～1M Pa的混合气体气氛中进行。
退火处理的温度为500～1500℃，时间为5秒到500分钟，视GaN厚膜材料表面损伤程度而定。
GaN厚膜材料厚度为5～1000微米之间时，特别适用于本发明。
退火处理是在同质外延生长以前，将GaN厚膜材料原位放置在外延设备(如：MOCVD)的生长腔体中或置于专门的退火装置(如退火炉)中进行，退火结束后可继续进行同质外延生长等后续工艺，也可取出样品暂存待用。
本发明的基本原理如下：首先，虽然GaN材料本身在高温下可以分解，但分解速率非常缓慢；而氢气(H2)的存在则可在高温下诱导GaN表面加速分解，从而可以把GaN厚膜材料的表面损伤层通过材料分解的方法去除掉；GaN分解形成的Ga原子一般会在材料表面积累，必须及时去除或转换；混合气体中的氨气(NH3)则可与GaN厚膜材料表面析出的Ga原子结合，在材料表面重新生成GaN晶体。在这个分解与重新结晶的过程中，GaN厚膜材料表面的缺陷与抛光损伤会被逐步消除，材料内部原来可能存在的应力也可得到一定程度的释放。此外，退火气氛中氨气的存在还可以实现通过氮(既NH3高温裂解形成的氮成分)分压来调节GaN的分解及结晶速率(氮分压越高，GaN分解越慢，结晶越快)，加强对整个表面缺陷消除过程的可控性。
本发明通过在特殊气氛环境中进行的退火处理程序，可有效消除GaN厚膜材料表面的缺陷态及表面下抛光损伤，从而有利于各种后续工艺(如：外延生长)的进行。
实验证明，本发明的效果较为显著。图3是对图1中的GaN厚膜材料进行本发明所述的退火处理后，所做的同一材料表面区域的SEM(左)和CL(右)扫描照片。可以看出，SEM照片表明样品表面依然十分平滑，而CL照片则显示GaN厚膜材料样品表面的黑色条纹密度已经大大降低。这一结果说明GaN厚膜材料表面的大部分缺陷态和抛光损伤已经在退火过程中被消除了。CL照片中仅剩的黑点为GaN厚膜材料内部原有的位错，不能通过退火消除。
总之，本发明的有益效果有以下三点：一、在特殊气氛中退火可有效消除GaN厚膜材料表面的缺陷态和抛光损伤；二，由于通入的氨气和氢气具有还原性，所以退火过程同时具有去除GaN厚膜材料表面氧化薄层的作用；三，退火过程亦可使GaN厚膜材料内部可能存在的应力得到一定程度的释放。以上三点效果均有利于后续同质外延生长，提高外延层晶体质量和表面形貌。另外，本发明所需要的退火装置和气体原料都十分常见，因而具有很大的可行性和实用性。
附图说明
图1是经过表面抛光处理后的GaN厚膜材料样品的SEM和CL照片；
图2是退火装置和过程示意图，其中，1-加热线圈，2-GaN厚膜材料，图中选用的退火装置是常用的退火炉，退火过程也可在材料外延生长腔中原位进行；
图3是经过本发明退火处理后的GaN厚膜材料样品的SEM和CL照片。
具体实施方式
在GaN厚膜材料上进行同质外延生长以前，将GaN厚膜材料2放入图2所示的退火装置中。图2所示的退火装置是常用的退火炉，退火过程也可在材料外延生长腔中原位进行(如MOCVD外延生长腔)。
向退火装置中通入按一定比例的至少包含氨气和氢气的混合气体，其中氢气体积百分比为0.1％-99.9％，氨气体积百分比为0.1％-99.9％，退火过程中退火装置内的混合气体总气压为1K～1M Pa；同时，将退火炉温度调整至指定温度内(500～1500℃)进行一定时间(时间范围为5秒到500分钟)的退火，升降温与通气过程不分先后。其中，退火处理的最低温度界限(500℃)是GaN材料在包含氨气和氢气的混合气体中分解所需的最低温度；而退火处理的最高温度界限(1500℃)是常规高温退火装置所能达到的温度上限。在以上两个温度界限内(500～1500℃)对GaN材料进行退火，用来消除GaN厚膜材料表面缺陷或机械损伤的分解与再结晶过程均可发生。实际操作过程中，退火过程中的各参数需视GaN厚膜材料的表面状况而定。如果GaN厚膜材料的表面缺陷密度较大或机械损伤较为严重，则需要提升混合气体中氢气的比例，以加快GaN材料的分解速率，同时可适当提升气体总气压、退火温度以及退火时间；如果GaN厚膜材料的表面缺陷密度较小或机械损伤较轻，则可以相应地减小混合气体中氢气的比例、混合气体总气压、退火温度以及退火时间。
退火结束后，如是在外延生长腔中退火，可继续进行外延生长；也可排气降温后将GaN厚膜材料取出待用。
实施例1：
所使用GaN厚膜材料为通过氢化物气相外延在蓝宝石衬底上生长的厚度为300微米的自支撑GaN厚膜材料，经测定其N型掺杂浓度为1.5×1018cm-3；对其表面进行抛光处理；然后进行SEM和CL测量，其结果如图一所示。从SEM照片可见：经过抛光的GaN厚膜材料表面十分平滑；但在同一表面区域获得的CL照片则显示：在GaN厚膜材料表面实际存在大量的划痕状缺陷，即图中的暗色条纹。将此GaN厚膜材料置于退火炉中；通入氢气、氨气和氮气的混合气体，其体积比为1∶5∶8；将退火炉内混合气体气压保持在100KPa；将退火炉温度提升至1350℃进行退火，退火持续时间为25分钟。退火结束后降温至室温，停止输入气体即可。图3是进行上述退火处理后，GaN厚膜材料所做的SEM(左)和CL(右)扫描照片；CL照片显示GaN厚膜样品表面上的黑色条纹密度已经大大降低，而仅剩为数不多的黑点(位错)。这一结果说明GaN厚膜材料表面的大部分缺陷态和抛光损伤已经在退火过程中被消除了。CL照片中仅剩的黑点为GaN厚膜材料内部原有的位错，不能通过退火消除。同时，SEM照片显示GaN厚膜材料表面在经过退火后依然十分平滑，说明所用退火处理方法不会影响GaN厚膜材料表面的平整度。
Claims (7)
1.一种消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，其特征在于将GaN厚膜材料置于含氢气和氨气的混合气体气氛中，进行退火处理。
2.如权利要求1所述的消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，其特征在于所述混合气体气氛中，氢气体积百分比为0.1％-99.9％，氨气体积百分比为0.1％-99.9％。
3.如权利要求1所述的消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，其特征在于退火处理在气压为1K～1M Pa的混合气体气氛中进行。
4.如权利要求1所述的消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，其特征在于退火处理的温度为500～1500℃，时间为5秒到500分钟。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，退火处理在III族氮化物半导体的外延生长腔中原位进行；或在退火炉中进行。
6.如权利要求1-4中任一项所述的消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，其特征在于GaN厚膜材料的厚度介于5～1000微米之间。
7.如权利要求1-4中任一项所述的消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，其特征在于GaN厚膜材料是指在同质或异质衬底上使用氢化物气相外延、金属有机源化学气相沉积、或分子束外延方法制备的附于衬底上或自支撑的GaN厚膜材料。
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