CN102651309B - 低成本宽禁带单晶薄膜的结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是低成本宽禁带单晶薄膜的结构及制备方法，其结构是单晶硅衬底上是氮化铝缓冲层；在氮化铝缓冲层上是碳化硅单晶缓冲层；在碳化硅缓冲层上是宽禁带单晶薄膜；其制备工艺：在单晶硅衬底上制备氮化铝缓冲层；降至室温取出；在氮化铝缓冲层上制备碳化硅缓冲层；降至室温取出；在碳化硅缓冲层上制备等宽禁带单晶薄膜；降至室温取出。优点：提高薄膜晶体质量，改善了表面形貌，兼具较好的晶格匹配，较高的导热性，应力释放，阻挡Si扩散等优点。借助单晶Si衬底实现尺寸放大、成本降低等新特点，为低成本宽禁带薄膜的研制开辟了有意义的途径。

Description

低成本宽禁带单晶薄膜的结构及制备方法

技术领域

本发明涉及一种利用氮化铝和碳化硅多层缓冲层在硅单晶上制备低成本宽禁带单晶薄膜及低成本宽禁带单晶薄膜的制备方法。 

背景技术

氮化物和碳化硅（SiC）等宽禁带单晶薄膜材料由于优良的理化性能在微电子和光电子等国民经济的各个重要领域得到广泛应用；因为缺乏高质量的单晶材料作为同质衬底，氮化物薄膜生长均采用大失配度的异质外延方式。相比之下，SiC单晶材料由于晶格失配小、热导率高等特点，适合于做氮化物和SiC等单晶薄膜的外延衬底；但是SiC单晶材料制备难度高、硬度高加工难度大、来源少，与成熟的硅工艺不兼容等多种不利因素导致价格昂贵，短期内无法在宽禁带晶薄膜生长领域大规模应用；单晶硅（Si）的尺寸大、晶体质量高、导热较好、硬度小、加工工艺成熟、易于实现集成、价格低廉等优点更为突出，作为衬底材料可以显著降低成本，因此，单晶Si衬底生长氮化物和SiC等宽禁带单晶薄膜是未来重要的产业化方法之一，尤其是在与主流硅工业结合后必将占领广阔的市场空间；虽然单晶Si衬底上生长氮化物或SiC宽禁带单晶薄膜有如此多的优势，但是有一个瓶颈始终阻碍着这项技术的快速发展；通常，宽禁带单晶薄膜在蓝宝石、SiC和Si衬底上生长时晶格常数和热膨胀系数都存在一定的失配，其中SiC衬底的晶格失配最小，但价格最高；单晶Si衬底最便宜，但晶格和热失配应力最大，例如，Si(111)与氮化镓（GaN）的晶格失配和热胀系数失配分别是17%和56%，为了释放应力，在氮化物薄膜中极易产生大量的位错和缺陷，尤其是降温过程中会出现高密度的裂纹，随着氮化物薄膜厚度的增加此现象更难消除；为此，研究者们也提出了很多改善Si基宽禁带单晶薄膜晶体质量的方法，如在宽禁带薄膜中生长插入层和Si衬底表面图形化，工艺比较复杂，容易引入二次污染；生长宽禁带薄膜是需要经过大量实验研究才能掌握其规律性，达到稳定的工艺；三是综合利用单晶Si和SiC材料的优点，在单晶Si衬底上经过碳化后制备SiC缓冲层，然后发挥SiC与氮化物间晶格失配小的优点，以其为模板生长氮化物薄膜。上述方案都在不同程度上缓解了宽禁带外延单晶薄膜的应力，但薄膜制备工艺和晶体质量、表面形貌等方面还存在着不足；一般地，单晶Si上生长的3C-SiC属于立方相，在此基础上生长的宽禁带单晶薄膜也是立方相结构；氮化物或SiC等宽禁带单晶薄膜的立方相与六方相是常见的两种晶体结构，二者性质差异较大，通常六方相结构的晶体质量、表面形貌和稳定性等都比立方相的好；目前研究最多和已经实用化的氮化物或SiC等宽禁带单晶薄膜都以六方相为主。利用SiC缓冲层获得的宽禁带外延薄膜距离真正的实际应用还有较大距离。

发明内容

本发明提出了一种低成本宽禁带单晶薄膜的结构及制备方法，其目的是针对单晶Si衬底上立方相SiC缓冲层技术存在的问题，在单晶Si衬底上采用氮化铝（AlN）和SiC的多缓冲层结构，制备高质量六方相宽禁带单晶薄膜的方法；可避免单晶Si衬底上直接制备六方相SiC缓冲层的缺点，有助于提高宽禁带单晶薄膜的晶体质量和改进表面形貌。本发明具有结构简单，工艺难度小，容易实现等优点。

本发明的技术解决方案：其特征是单晶硅衬底上是氮化铝（AlN）缓冲层；在氮化铝（AlN）缓冲层上是碳化硅（SiC）缓冲层；在碳化硅（SiC）缓冲层上是宽禁带单晶薄膜；

其制备方法，包括如下工艺步骤：

一、在单晶硅衬底上制备氮化铝（AlN）缓冲层；

二、降至室温，取出；

三、氮化铝（AlN）缓冲层2上制备碳化硅（SiC）单晶薄膜，其结构为六方相；

四、降至室温，取出；

五、在碳化硅（SiC）单晶薄膜上制备氮化物或碳化硅等宽禁带单晶薄膜，其结构为六方相；如果制备氮化物单晶薄膜，则在碳化硅（SiC）单晶薄膜上首先制备氮化铝成核层，再在氮化铝成核层上制备氮化物单晶薄膜；如果制备SiC单晶薄膜，则在碳化硅（SiC）单晶薄膜上直接制备碳化硅（SiC）单晶薄膜；

六、降至室温，取出。

低成本宽禁带单晶薄膜，其结构是单晶硅衬底上是氮化铝（AlN）缓冲层；在氮化铝（AlN）缓冲层上是碳化硅（SiC）缓冲层；在碳化硅（SiC）缓冲层上是宽禁带单晶薄膜。

其制备方法，包括如下工艺步骤：

一、在单晶硅衬底上制备氮化铝（AlN）缓冲层；

二、降至室温，取出；

三、氮化铝（AlN）缓冲层上制备碳化硅（SiC）单晶薄膜，其结构为六方相；

四、降至室温，取出；

五、在碳化硅（SiC）单晶薄膜上制备氮化物或碳化硅等宽禁带单晶薄膜，其结构为六方相；如果制备氮化物单晶薄膜，则在碳化硅（SiC）单晶薄膜上首先制备氮化铝成核层，再在氮化铝成核层上制备氮化物单晶薄膜；如果制备SiC单晶薄膜，则在碳化硅（SiC）单晶薄膜上直接制备碳化硅（SiC）单晶薄膜；

六、降至室温，取出。

所述的氮化铝（AlN）缓冲层的厚度t_A为0μm< t_A≤3μm，制备温度T_A为20℃≤T_A≤1350℃。采用外延生长、溅射等常规薄膜制备方法实现。

所述的碳化硅缓冲层的厚度t_S为0μm<t_S≤50μm，其结构为六方相。

所述的碳化硅缓冲层可以掺入V族元素形成n型导电类型，或通过掺入III族元素形成p型，作为单晶衬底材料使用。

所述的宽禁带单晶薄膜的结构为六方相。

本发明的优点：1）通过加入AlN缓冲层易于获得高质量的六方相SiC。2）容易实现六方相的氮化物或SiC等宽禁带单晶薄膜制备；3）SiC缓冲层可以根据需要通过掺杂形成n或p型导电类型；4）结构简单，制备工艺可控；5）有效降低薄膜应力，提高晶体质量和表面形貌；6）大尺寸、低成本。

附图说明

附图1是低成本宽禁带单晶薄膜的结构示意图。

图中的1是单晶Si衬底、2是氮化铝（AlN）缓冲层、3是单晶碳化硅（SiC）缓冲层、4是氮化物或碳化硅等宽禁带单晶薄膜。

具体实施方式

对照附图1，其结构是单晶硅衬底（1）上是氮化铝（AlN）缓冲层（2）；在氮化铝（AlN）缓冲层（2）上是碳化硅（SiC）缓冲层（3）；在碳化硅（SiC）缓冲层（3）上是宽禁带单晶薄膜（4）；

下面结合具体的应用例对本发明作进一步的说明。 

实施例1：

1）选择单晶Si衬底，放入MOCVD反应腔内； 

2）升温至1120℃，氢气气氛烘烤10分钟；

3）升温至1350℃，100torr，通入三甲基铝0.5min后，再通氨气生长10nm厚AlN缓冲层；

4）降至室温后取出，转移至制备SiC的反应腔内；

5）1350℃，100Torr，通入硅烷和丙烷生长5μm厚的SiC缓冲层；

6）降至室温后取出，转移至MOCVD反应腔内；

7）升温至1060℃，100Torr，通入氨气和三甲基铝生长10nm厚AlN成核层；

8）关闭三甲基铝，通入氨气和三甲基镓生长2μm厚GaN单晶薄膜；

9）关闭三甲基镓，在氨气保护下降至室温。

实施例2：

1）选择单晶Si衬底，放入MOCVD反应腔内； 

2）升温至1100℃，氢气气氛烘烤10分钟；

3）1200℃，100torr，通入三甲基铝0.5min后，再通氨气生长2μm厚AlN缓冲层；

4）降至室温后取出，转移到SiC CVD的反应腔内；

5）1300℃，100Torr，通入硅烷和丙烷生长50μm厚的SiC缓冲层；

6）降至室温，取出，转移至MOCVD反应腔内；

7）升温至1060℃，100Torr，通入氨气和三甲基铝生长100nm厚AlN成核层；

8）关闭三甲基铝，通入氨气、三甲基镓和硅烷生长3μm厚n型GaN单晶薄膜；

9）关闭三甲基镓和硅烷，在氨气保护下降至室温。

实施例3：

1）选择单晶Si衬底，放入UHCVD反应腔内； 

2）升温至1080℃，氢气气氛烘烤10分钟；

3）降温至820℃，200torr，通入三甲基铝0.5min后，再通氨气生长3μm厚AlN缓冲层；

4）降至室温后取出，转移至SiC CVD反应腔内；

5）1300℃，200Torr，通入硅烷和丙烷生长30μm厚的SiC缓冲层；

6）降至室温后取出，转移至UHCVD反应腔内；

7）升温至1060℃，100Torr，通入氨气和三甲基铝生长200nm厚AlN成核层；

8）通入氨气、三甲基镓和三甲基铝生长1μm厚的AlGaN单晶薄膜

9）关闭三甲基镓和三甲基铝，在氨气保护下降至室温。

实施例4： 

1）选择单晶Si衬底，放入溅射台的反应腔内； 

2）衬底温度20℃，溅射铝0.3min后，再溅射0.1μm厚AlN缓冲层；

3）降至室温后取出，转移至SiC CVD反应腔内；

4）1330℃，100Torr，通入硅烷、丙烷和三甲基铝生长0.03μm厚的P型SiC缓冲层；

5）降至室温后取出，转移至MOCVD反应腔内；

6）升温至1060℃，100Torr，通入氨气和三甲基铝生长150nm厚AlN成核层；

7）通入氨气、三甲基镓和二茂镁生长3μm厚的p型GaN单晶薄膜；

8）关闭三甲基镓和二茂镁，在氨气保护下降至室温。

实施例5： 

1）选择单晶Si衬底，放入溅射台的反应腔内； 

2）加热衬底至300℃，溅射铝0.3min后，溅射0.2μm厚AlN缓冲层；

3）降至室温后取出，转移至SiC CVD反应腔内；

4）1310℃，150Torr，通入硅烷、丙烷和三甲基铝生长20μm厚的P型SiC缓冲层；

5）降至室温后取出，转移至MOCVD反应腔内；

6）升温至1060℃，100Torr，通入氨气和三甲基铝生长150nm厚AlN成核层；

7）通入氨气、三甲基镓和二茂镁生长3μm厚的p型GaN单晶薄膜；

8）关闭三甲基镓和二茂镁，在氨气保护下降至室温。

实施例6： 

1）选择单晶Si衬底，放入MOCVD反应腔内； 

2）升温至1180℃，氢气气氛烘烤10分钟；

3）1120℃，100torr，通三甲基铝0.2min后再通入氨气生长0.5μm厚AlN缓冲层；

4）降至室温后取出，转移至SiC CVD反应腔内；

5）1300℃，80Torr，通入硅烷和丙烷生长10μm厚SiC缓冲层；

6）1300℃，80Torr，通入硅烷和丙烷生长2μm厚SiC单晶薄膜； 

7）关闭硅烷和丙烷，降至室温。

实施例7： 

1）选择单晶Si衬底，放入UHCVD反应腔内； 

2）升温至1060℃，氢气气氛烘烤10分钟；

3）1040℃，200torr，通三甲基铝0.2min后再通入氨气生长0.1μm厚AlN缓冲层；

4）降至室温后取出，转移至SiC CVD反应腔内；

5）1300℃，80Torr，通入硅烷、丙烷和三甲基铝生长5μm厚的p型SiC缓冲层；

6）1300℃，80Torr，通入硅烷和丙烷生长1μm厚的SiC单晶薄膜；

7）关闭硅烷和丙烷，降至室温。

实施例8：

1）选择单晶Si衬底，放入MOCVD反应腔内； 

2）升温至1070℃，氢气气氛烘烤10分钟；

3）980℃，300torr，通三甲基铝0.6min后再通入氨气生长0.05μm厚AlN缓冲层；

4）降至室温后取出，转移至SiC CVD反应腔内；

5）1340℃，100Torr，通入硅烷、丙烷和三甲基铝生长2μm厚的P型SiC缓冲层；

6）1340℃，100Torr，通入硅烷、丙烷和高纯氮气生长0.5μm厚的n型SiC单晶薄膜；

7）关闭硅烷和丙烷，降至室温。

实施例9： 

1）选择单晶Si衬底，放入GaN MBE反应腔内； 

2）升温至890℃，烘烤10分钟；

3）890℃，通Al源0.5min 后，再通N生长0.02μm厚AlN缓冲层；

4）降至室温后取出，转移至制备SiC的反应腔内；

5）1305℃，100Torr，通入硅烷、丙烷生长0.01μm厚的SiC缓冲层；

6）降至室温后取出，转移至GaN MBE中；

7）升温至800℃，通入Al和N生长50nm厚AlN成核层；

8）关闭铝，通入Ga和N生长3μm厚的GaN单晶薄膜；

9）关闭Ga和N源，降至室温。

可见，本发明的单晶Si衬底1是经高温烘烤处理，预沉积金属Al后制备AlN缓冲层2；降至室温取出后转移；在AlN缓冲层2的表面上制备SiC单晶薄膜3；降至室温取出后转移；继续制备氮化物或SiC等宽禁带单晶薄膜4。本发明利用Si衬底AlN上可以获得的六方相SiC等优点，在单晶Si衬底上先生长AlN作为第一缓冲层，再生长SiC作为第二缓冲层，然后外延生长宽禁带单晶薄膜。关键之处是把SiC由立方相改变为六方相，从根本上避免了立方相SiC缓冲层对宽禁带薄膜的不利影响，最终实现了高质量六方相氮化物单晶薄膜的制备，提高薄膜的晶体质量和和改善表面形貌，兼顾具有较好的晶格匹配，较高的导热性，释放应力，阻挡Si扩散等优点，此外，可以在SiC中掺入III族元素形成p型导电类型，或者掺入V族元素形成n型导电类型，SiC的pn结在器件结构中也可以起到电学隔离作用。在Si衬底的支撑作用下形成了SiC/AlN/Si复合衬底，此时SiC成为后续生长宽禁带薄膜的模板。本发明可以借助单晶Si的优点实现衬底尺寸的放大、质量提高、成本降低等新特点，避免了单晶SiC衬底的尺寸小、价格昂贵等缺点，为宽禁带单晶薄膜的研制开辟了有实用化意义的途径。

根据上述方法不仅可以生长大尺寸、低成本、低位错密度的宽禁带单晶薄膜，还可以在其上继续生长各种器件结构。

本发明所涉及的制备宽禁带单晶薄膜结构和方法可以利用常见的如MOCVD（金属有机物化学汽相沉积）、CVD（化学汽相沉积）、MBE（分子束外延）、PLD（脉冲激光沉积）、UHVCVD（超高真空化学汽相沉积）等薄膜制备技术实现，根据技术特点，本发明的实现包括但不限于上述方法。

Claims (1)

1.低成本宽禁带单晶薄膜的结构，其特征是单晶硅衬底上是氮化铝AlN缓冲层；在氮化铝AlN缓冲层上是单晶碳化硅SiC缓冲层；在单晶碳化硅SiC缓冲层上是宽禁带单晶薄膜；

其制备方法，包括如下工艺步骤：

一、在单晶硅衬底上制备氮化铝AlN缓冲层（2）；

二、降至室温，取出；

三、氮化铝AlN缓冲层（2）上制备单晶碳化硅SiC缓冲层（3），其结构为六方相；

四、降至室温，取出；

五、在单晶碳化硅SiC缓冲层上制备氮化物或碳化硅宽禁带单晶薄膜，其结构为六方相；如果制备氮化物单晶薄膜，则在单晶碳化硅SiC缓冲层上首先制备氮化铝成核层，再在氮化铝成核层上制备氮化物单晶薄膜；如果制备单晶碳化硅SiC薄膜，则在单晶碳化硅SiC缓冲层上直接制备单晶碳化硅SiC薄膜；

六、降至室温，取出；

所述氮化铝AlN缓冲层的厚度t_A范围为0μm< t_A≤3μm，制备温度T_A为20℃或1350℃；所述单晶碳化硅SiC缓冲层的厚度t_S为0μm<t_S≤50μm，其结构为六方相；所述单晶碳化硅SiC缓冲层通过掺杂V族元素形成n型，或掺杂III族元素形成p型，作为单晶衬底材料使用；所述的宽禁带单晶薄膜的结构为六方相。