CN102061519A - Si衬底GaN基薄膜的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Si衬底GaN基薄膜的生长方法，在AlN缓冲层等中间结构生长完成后，调节金属有机化学气相沉积系统反应腔压强至50—150mbar，将衬底加热至900－1200℃，生长一高温低压GaN插入层，再在该插入层上生长GaN基薄膜。该高温低压GaN插入层加速了GaN三维生长向二维生长的转变，能促进表面快速愈合,有效地提高GaN基薄膜的晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基薄膜材料制作技术领域，特别是Si衬底GaN基薄膜的生长。
背景技术
GaN由于具有大禁带宽度（3.4 eV）、高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为目前半导体技术的热点。Ⅲ族氮化物GaN、AlN（禁带宽度6.2 eV）、InN（禁带宽度0.7eV）及其组成的合金InxAlyGa1-x-yN禁带宽度覆盖了从红外到可见光、紫外光的能量范围，因此在光电子领域有着广泛的应用，如大功率白光LED,紫外、蓝光激光器，紫外波段的日盲探测器，高频高功率器件等。
由于大尺寸GaN单晶生长十分困难，现在主要采用外延生长的办法在蓝宝石、SiC等衬底材料上生长GaN薄膜及器件。目前在这两种衬底上已经生长出了较高质量的GaN材料和光电器件,实现了产品的商业化，但是这两种衬底价格昂贵，尤其是SiC, 而且尺寸都比较小,增加了器件的制作成本。此外，蓝宝石衬底还有硬度极高，导电差、导热差等特点，对器件的制作和性能不利。Si作为目前最成熟的半导体材料具有价格便宜，尺寸大，晶体质量高、导热能力好等优点，用Si做为外延衬底可大大降低芯片的制作成本，提高生产率。但Si和GaN之间存在较大的晶格失配（17%）和热失配，会使GaN外延层中产生极大的张应力（~0.8GPa/um）与较高的位错密度（~1010/cm2），而且应力的存在，会引起芯片的曲翘，龟裂，无法用于器件的制作。目前，主要采用AlN缓冲层并插入应力控制层的方法解决这些问题。应力控制层主要有AlN/GaN超晶格、AlGaN/GaN超晶格、在线插入SixNy(in-situ SixNy)、富镓的GaN层(Ga-rich GaN)等。但采用上述方法还是不能生长质量比较好的GaN晶体，例如生长成的GaN基薄膜不平整等，不能更好的满足使用要求。
发明内容
本发明的目的是在Si衬底上生长出高质量的GaN基薄膜。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Si衬底GaN基薄膜的生长方法：依次进行下列步骤：
步骤1：在Si衬底上面形成中间结构层；
步骤2：调节金属有机化学气相沉积系统反应腔内压强至50—150mbar，将衬底加热至900－1200 ℃，生长一高温低压GaN插入层；
步骤3：在该高温低压GaN插入层上生长GaN基薄膜。
所述中间结构层是AlN缓冲层、AlxGa1-xN层(x=0～1)、GaN层、SixNy掩膜层、ZnO缓冲层、SiC、Si/SiO2中任意一种或其组合形成的层状结构。
所述的高温低压GaN插入层的厚度范围为0.5—500nm。
所述的生长所使用的镓源、铝源、氮源分别为三甲基镓、三甲基铝、氨气。
与现有技术相比，本发明相对于现有技术的有益效果是：
本发明在GaN基薄膜生长的过程中插入了一层厚度范围为0.5—500nm的高温低压GaN插入层，该高温低压GaN插入层能够加速GaN三维生长向二维生长的转变，促进表面快速愈合, 从生长过程反射率变化图的反射率曲线可以看出，由于插入了高温低压GaN层，上层的GaN晶体生长至约600nm厚左右就已经愈合，而没有高温低压GaN插入层时GaN一直生长至800nm还没有愈合，而且采用本发明所生长的GaN基薄膜样品表面形貌非常平整。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的Si衬底GaN基薄膜的结构示意图；
图2是本发明实施例2所述的Si衬底GaN基薄膜的结构示意图；
图3是本发明实施例3所述的Si衬底GaN基薄膜的结构示意图；
图4是本发明实施例4所述的Si衬底GaN基薄膜的结构示意图；
图5是本发明实施例5所述的Si衬底GaN基薄膜的结构示意图；
图6是本发明实施例1的生长过程反射率变化图；
图7a是本发明实施例1所生长的GaN基外延材料样品在50倍光学显微镜下的表面形貌图；
图7b是现有技术没有使用高温低压GaN插入层所生长的GaN基外延材料样品在50倍光学显微镜下的表面形貌图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的说明。
实施例1
本实施例是一种Si衬底GaN基薄膜的生长方法，包括下列步骤：
步骤1：将Si衬底1放入金属有机化学沉积系统的反应腔内，利用金属有机化学气相沉积法在Si衬底1上表面沉积AlN缓冲层11a；
步骤2：将衬底的温度加热至900－1200℃，反应腔内的气压调至50－150mbar，在AlN缓冲层11a上面生长一层厚度范围为0.5—500nm的高温低压GaN插入层2；
步骤3：在所述高温低压GaN插入层2上表面生长GaN基薄膜3，生长温度为1100℃左右，压强为300mbar左右。
以上方法生长GaN基薄膜过程中生长所使用的镓源、铝源、氮源分别为三甲基镓、三甲基铝、氨气。
图6是本实施列试验中系统检测到的反射率变化图，图中实线是本发明实施例的生长过程反射率变化情况，虚线是没有使用高温低压GaN插入层生长过程反射率变化情况。系统的入射激光波长为950nm，从反射率曲线可以看出，由于插入了高温低压GaN层，上层的GaN晶体生长至约600nm厚左右就已经愈合，而没有高温低压GaN插入层时GaN一直生长至800nm还没有愈合。
图7a是本实施例生长后的GaN基外延材料样品在50倍光学显微镜下的表面形貌图，7b是现有技术没有使用高温低压GaN插入层的情况。从图7a与图7b两幅图的对比可以看出，采用本发明所生长的GaN基外延材料样品表面形貌非常平整，而没有采用本发明的样品表面表现出还处于从三维生长向二维生长的转化中，样品的表面很不平整。
实施例2
本实施例与实施例1类似，其区别在于，如图2所示，在AlN缓冲层11a上表面还生成了一GaN层11b，再在GaN层上表面11b在线插入SixNy掩膜层 11c。
实施例3
本实施例与实施例1类似，其区别在于，如图3所示，在AlN缓冲层11a上表面还生成了一SixNy掩膜层11d。
实施例4
本实施例与实施例1类似，其区别在于，如图4所示，在AlN缓冲层11a上表面还生成了AlxGa1-xN层(x=0～1)11e。
实施例5
如图5所示，首先在利用ZnO金属有机气相沉积系统在Si衬底1上沉积一层ZnO 缓冲层11f，形成复合衬底。然后将带有ZnO缓冲层的复合衬底放入GaN金属有机气相沉积系统反应腔中，重复实施例1中的步骤2，步骤3，形成高温低压GaN插入层2、GaN基薄膜3。
Claims (4)
1.一种Si衬底GaN基薄膜的生长方法，其特征在于：依次进行下列步骤：
步骤1：在Si衬底（1）上面形成中间结构层（11）；
步骤2：调节金属有机化学气相沉积系统反应腔内压强至50—150mbar，将衬底加热至900－1200℃，生长一高温低压GaN插入层（2）；
步骤3：在该高温低压GaN插入层（2）上生长GaN基薄膜（3）。
2.根据权利要求1所述的Si衬底GaN基薄膜的生长方法，其特征在于，所述的中间结构层（11）是AlN缓冲层（11a）、AlxGa1-xN层（11e，其中x=0～1）、GaN层（11b）、SixNy掩膜层（11d）、ZnO缓冲层（11f）、SiC、Si/SiO2中任意一种或其组合形成的层状结构。
3.根据权利要求1所述的Si衬底GaN基薄膜的生长方法，其特征在于，所述的高温低压GaN插入层（2）的厚度范围为0.5—500nm。
4.根据权利要求1所述的Si衬底GaN基薄膜的生长方法，其特征在于，生长所使用的镓源、铝源、氮源分别为三甲基镓、三甲基铝、氨气。
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