CN103614769A

CN103614769A - 一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法

Info

Publication number: CN103614769A
Application number: CN201310508330.7A
Authority: CN
Inventors: 罗伟科; 李亮; 李忠辉; 张东国; 彭大青; 董逊
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: CN103614769B

Abstract

本发明是一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，包括如下步骤：1）选择一氮化镓衬底，转移入MOCVD系统中；2）在衬底上进行短时间快速刻蚀；3）在快速刻蚀后进行长时间慢速刻蚀，在衬底表面形成六棱锥微结构；4）侧向生长合并六棱锥微结构；5）在上述合并后的薄膜层上继续生长高质量GaN外延层。优点：通过控制原位刻蚀气体的组分，去除衬底表面的杂质，同时在衬底表面形成六棱锥微结构，该微结构在侧向外延阶段合并，从而降低外延层的位错密度，最后获得高质量的氮化镓外延薄膜。在衬底表面形成六棱锥微结构不需要额外的工艺设备，方法经济节约，简单易行，外延材料性能好，是实现GaN外延薄膜高质量、低成本生长的有效解决方案。

Description

一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，属于半导体技术领域。

背景技术

III族氮化物（包括氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化铟、氮化铟镓、氮化铟铝镓等），其禁带宽度可在0.7eV-6.28eV间调节，覆盖整个中红外、可见光和紫外波段。在光电子应用方面，如白光二极管（LED）、蓝光激光器（LD），紫外探测器等方面获得了重要的应用和发展。另外，作为第三代半导体代表之一的氮化镓（GaN）材料，具有直接带隙、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率，同时具有很高的热稳定性和化学稳定性，可用于制作高温、高频、大功率微波器件，如高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结双极晶体管（HBT）等。

氮化镓材料因为其具有较大的共价键能（E=9.12eV/atom），在熔点（2500℃）处的分解压很高（大约4.5GPa）。因此，氮化镓单晶很难用Czochralski 方法或Bridgman方法从同成分熔体中生长出来，制备高质量氮化镓体材料比较困难。在过去几十年中，由于氮化镓体材料的缺乏，绝大多数氮化镓基材料通过在异质衬底上外延获得，常用的异质衬底如：蓝宝石，碳化硅，砷化镓，硅等。由于这些异质衬底与氮化镓存在很大的晶格常数失陪和热膨胀系数差异，所以异质外延生长的氮化镓外延层中存在很大的应力和很多缺陷如位错等，进而影响了器件性能的提高。近年来，氮化镓同质衬底技术得到了快速发展，其中以氢化物气相外延（HVPE）技术最为成熟，市场上销售的高质量GaN衬底大多由HVPE方法获得。但该方法制备的GaN衬底仍有许多问题，比如：剩余应力大，翘曲严重，位错密度相对较高（大于10⁵cm^-2）等。同时，GaN衬底的后期抛光和清洗过程中，会在衬底表面引入Si、C、O等杂质，同质外延过程中，杂质离子扩散到外延层中，形成缺陷，影响同质外延材料的光电性质[Appl. Phys. Lett. 92, 133513 (2008)]。因此，在同质外延技术中，对GaN衬底表面进行高温处理，对进一步的提高外延材料的晶体质量，释放衬底的剩余应力以及避免衬底表面杂质离子的引入，具有十分重要的作用。

发明内容

本发明提出的是一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，其目的是克服现有技术所存在的缺陷，利用MOCVD设备原位刻蚀GaN衬底，制备高质量GaN外延材料，具有工艺简单、易推广应用。

本发明的技术解决方案：一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，包括如下步骤：

1）选择一氮化镓衬底，转移入MOCVD系统中；

2）在衬底上进行短时间快速刻蚀；

3）在快速刻蚀后进行长时间慢速刻蚀，在衬底表面形成六棱锥微结构；

4）侧向生长合并六棱锥微结构；

5）在上述合并后的薄膜层上继续生长高质量GaN外延层。

本发明的优点：通过高温的原位刻蚀技术，刻蚀深度达250nm，有效的去除了GaN衬底表面的污染杂质，该过程无需使用其他设备，经济简便；同时本方法中刻蚀过程分为两个阶段，能在GaN衬底表面刻蚀形成大量的六棱锥微结构，六棱锥结构侧向外延生长能有效降低位错密度、提高外延层晶体质量，并且彻底释放应力，消除衬底剩余应力对外延薄膜的影响。本发明方法简单易行，生长周期短，材料性能好，是实现GaN外延薄膜高质量、低成本生长的有效方法。

附图说明

图1 是本发明的一个实施例的工艺流程。

图2 是本发明原位刻蚀GaN衬底表面后形成的六棱锥微结构扫描电子显微镜图像。

图3 是本发明同质外延GaN薄膜的高强度X射线双晶衍射（002）晶面摇摆曲线。

图4 是本发明同质外延的高质量GaN外延薄膜在原子力显微镜下的表面形貌图像。

具体实施方式

基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，分为以下四个阶段（如图1所示）：

1）快速刻蚀阶段：氢气（H₂）气氛下，高温刻蚀约1分钟，刻蚀速率5μm/h；

2）慢速刻蚀阶段：氢气和氨气的混合气体氛围下，高温刻蚀约30分钟，刻蚀速率500nm/h；

3）侧向外延阶段：通入反应源三甲基镓和氨气，在高温，低压，高V/III比条件下，侧向外延生长；

4）外延生长阶段：降低反应腔温度，升高压强，通入三甲基镓，以每小时1.5μm的生长速度生长外延层GaN薄膜，厚度2μm。

在MOCVD设备中进行的，包括快速刻蚀，慢速刻蚀，侧向外延和外延生长阶段，其中，刻蚀阶段，刻蚀温度应在900℃以上，快速刻蚀时间不宜超过90s，慢速刻蚀时间应长于10分钟。

优选的刻蚀温度为1000-1100℃，压强为100-200torr。快速刻蚀阶段，反应腔为纯氢气氛围，刻蚀时间60-90s；慢速刻蚀阶段，反应腔混合气体比（H₂/NH₃）应该小于60，优选混合气体比（H₂:NH₃=40:1），刻蚀时间20-40分钟。

所述的侧向外延阶段，应尽量保持较快的侧向生长速率，生长温度1080-1100℃，压强为75-100torr，V/III比为3000-5000；外延生长阶段，优选生长温度980-1050℃，压强300-500torr，V/III比为1000-2000。

本发明中刻蚀分为两个阶段，快速刻蚀阶段和慢速刻蚀阶段，两者对提高外延材料晶体质量都至关重要。在快速刻蚀阶段，GaN在高温氢气条件下分解速率极快，短时间的刻蚀能够在GaN表面形成大量位错坑，而随着刻蚀时间的延长，衬底表面将会残余大量的金属Ga滴，金属Ga滴的形成使得后续外延层的表面形貌变差，不利于材料的外延生长。在慢速刻蚀阶段，NH₃的引入减缓了刻蚀速率，同时还能有效的去除表面残余的金属Ga滴，在快速刻蚀阶段GaN表面形成大量位错坑的基础上继续刻蚀，最终在衬底表面形成大量规则的六棱锥微结构，为侧向外延打下基础。因此，快速刻蚀阶段的作用是提高六棱锥微结构的密度，而慢速刻蚀阶段的作用是在衬底表面形成六棱锥微结构，同时去除表面残余金属Ga滴。

对照图3，同质外延GaN薄膜高强度X射线双晶衍射（002）晶面摇摆曲线，（002）晶面摇摆曲线半高宽（FWHM）值仅为88弧秒，其值小于衬底（002）晶面摇摆曲线半高宽值，表明本发明获得的GaN外延膜晶体质量有较大提高。

对照图4，GaN外延膜的原子显微镜（AFM）表面形貌，在扫描面积为3μm×3μm，表面原子台阶清晰可见，表面粗糙度均方根（RMS）仅为0.173nm。可见，本方法所获的GaN外延薄膜具有很高的表面平整度。上述结果表明本发明可以在C面GaN衬底上获得高质量的GaN外延薄膜。

实施例1：参照图1

1）选择一片C面自支撑氮化镓衬底，采用丙酮、乙醇和去离子水分别超声5分钟，最后用高纯氮气将其水分吹扫干净;

2）将清洗后的氮化镓衬底转移到金属有机物化学气相沉积（MOCVD）系统内，正面（0001）面向上，反应腔压力为100torr，加热至1100℃，同时升温过程中通入3000 sccmNH₃做保护；

3）保持反应腔压强100torr，温度1100℃，关闭NH₃，通入H₂，使反应腔处于纯氢气氛围下，快速刻蚀1分钟；

4）保持压强、温度不变，通入NH₃，使反应腔处于氢气和氨气的混合气体（H₂:NH₃=40:1）氛围下，慢速刻蚀30分钟；

5）保持压强、温度不变，通入反应源三甲基镓和氨气，以V/III比为3000，在H₂载气条件下生长10分钟，厚度250nm；

6）将压强升高到300torr，温度降低到1050℃，继续通入三甲基镓和氨气，以V/III比为1500外延生长高质量GaN薄膜，厚度2μm。

实施例2：

1）选择一片C面自支撑氮化镓衬底，采用丙酮、乙醇和去离子水分别超声5分钟，最后用高纯氮气将其水分吹扫干净；

2）将清洗后的氮化镓衬底转移到金属有机物化学气相沉积（MOCVD）系统内，正面（0001）面向上，反应腔压力为200torr，加热至1050℃，同时升温过程中通入3000 sccm NH₃作保护；

3）保持反应腔压强200torr，温度1050℃，关闭NH₃，通入H₂，使反应腔处于纯氢气氛围下，快速刻蚀90秒；

4）保持压强、温度不变，通入NH₃，使反应腔处于氢气和氨气的混合气体（H₂:NH₃=30:1）氛围下，慢速刻蚀40分钟；

5）温度上升值1080℃，压强降低至75torr，通入反应源三甲基镓和氨气，以V/III比为4000，在H₂载气条件下生长，厚度为200nm；

6）将压强升高到500torr，温度降低到1000℃，继续通入三甲基镓和氨气，以V/III比为1000外延生长高质量GaN薄膜，厚度2000nm。

用此方法同质外延生长获得的GaN薄膜仍属于c面GaN，即正面为GaN面，光学显微镜下观察可知，该GaN外延膜表面平整光亮。对以上步骤获得的样品进行测试分析。

以上制作实例为本发明的一般实施方案，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。

应用本发明制备高质量GaN外延材料时，在原位刻蚀阶段，高温条件下氢气具有非常强的刻蚀作用，衬底表面的GaN材料迅速分解，表面的杂质如Si、C、O等粒子也被去除掉，同时在表面形成高密度的六棱锥微结构（如图2所示）。在侧向外延阶段，六棱锥结构侧向外延生长，逐渐合并，形成连续膜，外延层逐渐变平滑；GaN的侧向生长引起位错的弯曲，部分位错在六棱锥合并区域湮灭，使得最终外延生长阶段的GaN材料晶体质量较衬底相比有较大的提高；同时侧向生长过程有利于释放应力，衬底中的剩余应力在同质外延过程中得到充分释放。

Claims

1.一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）选择一氮化镓衬底，转移入MOCVD系统中；

2）在衬底上进行短时间快速刻蚀；

4）侧向生长合并六棱锥微结构；

5）在上述合并后的薄膜层上继续生长高质量GaN外延层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中衬底为c面氮化镓衬底。

3.根据权利要求1所述的一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，其特征在于：所述的步骤2）中，反应腔为纯氢气气氛，刻蚀温度在1000℃-1100℃，刻蚀时间60秒-90秒，压强100torr-200torr。

4.根据权利要求1所述的一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，其特征在于：所述的步骤3）中，反应腔为氢气和氨气的混合气体氛围，混合气体比H₂/NH₃为20-60，刻蚀温度在1000℃-1100℃，刻蚀时间20-40分钟，压强100torr-200torr。

5.根据权利要求1所述的一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，其特征在于：所述的步骤4）中，反应腔温度1080℃-1100℃，压强为75torr-100torr，V/III比为3000-5000,载气为氢气，厚度为200nm-250nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，其特征在于：所述的步骤5）中，反应腔温度980℃-1050℃，压强为300torr-500torr，V/III比为1000-2000，载气为氢气，厚度为1.5μm -2.5μm。