CN103361719B - 一种在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法 - Google Patents

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本发明公开了一种在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法，属于半导体技术领域。该方法包括：提供一衬底；在衬底上生长复合缓冲层，该复合缓冲层为多周期结构，每一周期包括AlxGa1-xN层和在该AlxGa1-xN层上生长的InyGa1-yN层，其中0<x<1,0<y<0.3；在该复合缓冲层上生长GaN外延层。本方法生长的GaN外延层的应力小、位错密度低、质量好。

Description

一种在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法。
背景技术
半导体产业的发展中，GaN(氮化镓)基材料作为第三代半导体材料的典型代表，具有连续可调的禁带宽度、高饱和电子漂移速度、耐高温、大功率容量等优良特性，被用来制作成各种各样的光电器件和大功率电子器件，具有广阔的应用前景。
现有的生长GaN外延层的方法是：先在衬底上生长GaxAl1-xN缓冲层，然后在该GaxAl1-xN缓冲层上生长GaN外延层，其中0<x≤1。由于GaxAl1-xN缓冲层的热传导性好、热膨胀系数小，因此GaxAl1-xN缓冲层能减小GaN外延层与衬底之间的热失配，GaN外延层的表面龟裂倾向小。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于衬底的晶格常数远远大于GaN外延层的晶格常数，因此衬底与GaN外延层之间会产生严重的晶格失配，而GaxAl1-xN缓冲层位于衬底与GaN外延层之间，且GaxAl1-xN缓冲层本身的晶格常数比GaN外延层的晶格常数小，因此GaxAl1-xN缓冲层不能解决衬底与GaN外延层之间的晶格失配问题，致使GaN外延层的应力大、位错密度高、质量差。
发明内容
本发明的目的是提供一种在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法，能解决现有方法中GaN外延层应力大、位错密度高、质量差的问题。
本发明实施例提供了一种在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法。所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长复合缓冲层，所述复合缓冲层为多周期结构，每一周期包括AlxGa1-xN层和在所述AlxGa1-xN层上生长的InyGa1-yN层，其中0<x<1,0<y<0.30；
在所述复合缓冲层上生长GaN外延层；
所述InyGa1-yN层的生长压力高于所述AlxGa1-xN层的生长压力，所述AlxGa1-xN层的生长压力为100～500托，所述InyGa1-yN层的生长压力为200～800托；
所述InyGa1-yN层的生长温度低于所述AlxGa1-xN层的生长温度，所述AlxGa1-xN层的生长温度为500～900℃，所述InyGa1-yN层的生长温度为400～700℃。
进一步地，所述AlxGa1-xN层的厚度为1～50nm。
进一步地，所述InyGa1-yN层的厚度为1～50nm。
进一步地，所述复合缓冲层的周期数为1～12。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
复合缓冲层包括有InyGa1-yN层，由于InyGa1-yN层本身的晶格常数介于衬底和GaN外延层晶格常数之间，且In的含量小于30％时，InyGa1-yN层的晶格常数接近GaN外延层的晶格常数，因此，InyGa1-yN层能缓解衬底与GaN外延层之间的晶格失配，使生长在InyGa1-yN层上的GaN外延层的应力减小，GaN外延层位错密度低、质量好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法的流程图；
图2是图1所示方法制造的外延片的结构图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参考图1和图2，本实施例提供了一种在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法，该方法包括：
步骤S1，提供一衬底10；
步骤S2，在衬底10上生长复合缓冲层11，该复合缓冲层11为多周期结构，每一周期包括AlxGa1-xN层112和在该AlxGa1-xN层112上生长的InyGa1-yN层111，其中0<x<1,0<y<0.3；
步骤S3，在该复合缓冲层11上生长GaN外延层12。
进一步地，该InyGa1-yN层111的生长压力高于该AlxGa1-xN层112的生长压力。
将InyGa1-yN层的生长压力设置为高于AlxGa1-xN层的生长压力，经过试验验证，这样生长出来的AlxGa1-xN层和InyGa1-yN层可以缓解衬底与GaN外延层之间的晶格失配，GaN外延层中的应力小、位错密度低，GaN外延层质量得到提高。
进一步地，该AlxGa1-xN层112的生长压力为100～500托。经过试验验证，在100～500托生长压力范围内，生长AlxGa1-xN层的速度为3-4μm/h，生长出来的AlxGa1-xN层的rms(均方根粗糙度)为0.4-0.6nm，因此AlxGa1-xN层不仅表面平整，而且生长速度快。
进一步地，该InyGa1-yN层111的生长压力为200～800托。经过试验验证，在200～800托生长压力范围内，生长InyGa1-yN层的速度为4-5μm/h，生长出来的InyGa1-yN层的rms(均方根粗糙度)为0.7-0.9nm，因此InyGa1-yN层不仅表面平整、而且生长速度快。
进一步地，该InyGa1-yN层111的的生长温度低于该AlxGa1-xN层112的生长温度。
将该InyGa1-yN层111的生长温度设置为低于该AlxGa1-xN层112的生长温度，经过试验验证，能更好地形成In的团簇，使得InyGa1-yN层更大程度上缓解GaN外延层与衬底之间的晶格失配，GaN外延层中的应力小、位错密度低，使得GaN外延层质量好。
进一步地，AlxGa1-xN层112的生长温度为500～900℃。这个范围内生长的AlxGa1-xN层有利于提高该复合缓冲层与衬底的结合强度，不会产生脱落。同时可以改善衬底的翘曲度，减小后期加工的破片概率。
进一步地，InyGa1-yN层111的生长温度为400～700℃。InyGa1-yN层在这个温度范围内生长，有利于形成In的团簇，对GaN外延层中位错密度的减小和表面改善均有较明显作用。
在本实施例中，该复合缓冲层11的生长温度为500～800℃，该氮化镓外延层的生长温度为900～1100℃。其中氮化镓外延层的最优生长温度为950℃。
在本发明的一个实施例中，该AlxGa1-xN层112的厚度为1～50nm。通过限定AlxGa1-xN层的厚度，是为了保证AlxGa1-xN层的热传导性和热膨胀性，使GaN外延层与衬底之间的热失配程度减小，GaN外延层的表面龟裂倾向更小。
在本发明的另一实施例中，该InyGa1-yN层111的厚度为1～50nm。通过限定InyGa1-yN层的厚度，是为了保证InyGa1-yN层缓解GaN外延层与衬底之间晶格失配的能力，使得GaN外延层中的应力小、位错密度低，GaN外延层质量好。
在本发明的再一实施例中，该复合缓冲层11的周期数为1～12。将周期数限定为1～12，可以控制复合缓冲层的厚度，避免复合缓冲层的厚度大而影响外延片的质量。
较佳地，该多层缓冲层11和该氮化镓外延层12采用金属有机物化学气相外延法生长,该方法可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡。
较佳地，该衬底10为大失配衬底，最好为Si衬底或Al2O3衬底或者SiC衬底。相比于其他类型的衬底，Si衬底或Al2O3衬底或者SiC衬底类型的大失配衬底的晶格常数、热失配常数与GaN外延层的晶格常数、热失配常数之间的差值小。
本实施例在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法中，复合缓冲层包括有InyGa1-yN层，由于InyGa1-yN层本身的晶格常数介于衬底和GaN外延层晶格常数之间，且In的含量小于30％时，InyGa1-yN层的晶格常数接近GaN外延层的晶格常数，因此，InyGa1-yN层能缓解衬底与GaN外延层之间的晶格失配，使生长在InyGa1-yN层上的GaN外延层的应力减小，GaN外延层位错密度低、质量好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长复合缓冲层，所述复合缓冲层为多周期结构，每一周期包括AlxGa1-xN层和在所述AlxGa1-xN层上生长的InyGa1-yN层，其中0<x<1,0<y<0.30；
在所述复合缓冲层上生长GaN外延层；
所述InyGa1-yN层的生长压力高于所述AlxGa1-xN层的生长压力，所述AlxGa1-xN层的生长压力为100～500托，所述InyGa1-yN层的生长压力为200～800托；
所述InyGa1-yN层的生长温度低于所述AlxGa1-xN层的生长温度，所述AlxGa1-xN层的生长温度为500～900℃，所述InyGa1-yN层的生长温度为400～700℃。
2.如权利要求1权利要求所述的在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法，其特征在于，所述AlxGa1-xN层的厚度为1～50nm。
3.如权利要求1权利要求所述的在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法，其特征在于，所述InyGa1-yN层的厚度为1～50nm。
4.如权利要求1权利要求所述的在缓冲层上生长氮化镓外延层的方法，其特征在于，所述复合缓冲层的周期数为1～12。
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