CN103646858A - 采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法 - Google Patents

采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103646858A
CN103646858A CN201310635523.9A CN201310635523A CN103646858A CN 103646858 A CN103646858 A CN 103646858A CN 201310635523 A CN201310635523 A CN 201310635523A CN 103646858 A CN103646858 A CN 103646858A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sigec
gan
resilient coating
substrate
growth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201310635523.9A
Other languages
English (en)
Inventor
刘波
冯志红
蔡树军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CETC 13 Research Institute
Original Assignee
CETC 13 Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CETC 13 Research Institute filed Critical CETC 13 Research Institute
Priority to CN201310635523.9A priority Critical patent/CN103646858A/zh
Publication of CN103646858A publication Critical patent/CN103646858A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02441—Group 14 semiconducting materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02494—Structure
    • H01L21/02496—Layer structure
    • H01L21/02499—Monolayers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02598—Microstructure monocrystalline

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明公开了一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，涉及以衬底为特征的外延层生长方法技术领域。包括以下步骤：1）在Si衬底上生长SiGeC缓冲层；2）在SiGeC缓冲层上生长GaN层。所述方法在Si衬底上外延生长GaN材料时，能改善GaN材料的应力状态，降低位错密度，提高晶体质量；同时增大GaN材料的生长窗口，使外延生长更容易，进而减低工艺难度，改善器件的性能。

Description

采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法
技术领域
本发明涉及以衬底为特征的外延层生长方法技术领域，尤其涉及一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法。
背景技术
以GaN为代表的第三代半导体材料正在兴起，以其禁带宽度大、低介电常数、电子饱和漂移速度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、抗辐射能力强等特性受到广泛重视。在电子器件方面，GaN材料可用于高频、高温和大功率器件，在光电器件方面，GaN基材料可以用于发光二极管、激光器、探测器，实现红外到紫外的全面覆盖。但是，由于GaN单晶还处于实验阶段，GaN材料的异质外延生长是不可避免的，衬底材料有蓝宝石、SiC和Si衬底等。与蓝宝石和SiC相比，Si衬底具有价格低、质量高、热导率高、电导率好、大直径单晶生长技术成熟等优势，并且Si衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统Si基器件工艺兼容，在Si衬底上外延GaN材料提供了一种新的技术平台，将加速和扩大GaN在光电子和微电子方面的应用。
由于Si衬底和GaN的晶格失配（大约17%）和热失配（大约54%）非常大，造成GaN外延层中的位错密度很高，GaN在高温生长后降温的过程中产生较大的张应力而出现微裂纹，随着外延尺寸的增大更为严重。缓冲层是决定Si衬底GaN材料质量的关键因素，随着近年来各种生长技术的突破，Si衬底GaN材料发展迅速，但是缓冲层主要采用GaN或AlN缓冲层，一直未有突破，随着Si衬底GaN材料外延尺寸的增大，缓冲层技术的研究迫在眉睫。
在传统Si衬底上外延GaN材料中，有用低温三族氮化物材料做缓冲层的，也有用高温三族氮化物材料做缓冲层的，但是随着Si衬底尺寸的增大，三族氮化物材料做缓冲层的临界厚度越来越小，而随着Si衬底尺寸的增大要求缓冲层厚度是越来越厚的，因此传统缓冲层的GaN材料晶体质量很难提高，位错密度会越来越大，甚至由于应力问题产生裂片。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，所述方法在Si衬底上外延生长GaN材料时，能改善GaN材料的应力状态，降低位错密度，提高晶体质量；同时增大GaN材料的生长窗口，使外延生长更容易，进而减低工艺难度，改善器件的性能。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在Si衬底上生长SiGeC缓冲层；
2）在SiGeC缓冲层上生长GaN层。
优选的，在生长GaN层之前首先在SiGeC缓冲层上生长三族氮化物层，然后在三族氮化物层之上生长GaN层。
优选的，所述方法还包括步骤3）：在生长的GaN层上进行微电或光电器件结构的多层生长。
优选的，所述步骤1）为：在Si衬底上生长Si1-x-yGexCy缓冲层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。
优选的，所述三族氮化物层为：AlN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN中的一种或几种的混合物。
优选的，在生长过程中使用金属有机化学气相沉积和分子束外延生长系统。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过SiGeC缓冲层技术解决Si衬底特别是大尺寸（大于6英寸）Si衬底上外延GaN材料现有技术中存在的问题。SiGeC合金是一种三元合金，C原子比Si和Ge小得多（Ge的晶格常数比Si大4.2%，比C大52%），故形成SiGeC后，可实现与Si衬底的晶格匹配，Si1-x-yGexCy合金的晶格常数a与x、y有线性关系：a=a(Si)+[a(Ge)－a(Si)]x+[a(C)－a(Si)]y，据此，当x:y=8.2:1时，可很好补偿晶格应变，实现无应力生长，当C继续增加时可进一步降低晶格常数，最终实现SiC的状态，进而生长GaN材料，并提高材料晶体质量。
因此，利用本发明所述的方法在Si衬底上外延生长GaN材料时，能改善Si衬底GaN材料的应力状态，降低位错密度，提高材料的质量；同时增大GaN材料的生长窗口，使材料生长更容易，进而减低工艺难度，改善器件的性能，大大提高我国GaN器件的水平和应用领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
其中：1、Si衬底 2、Si1-x-yGexCy缓冲层 3、GaN层 4、三族氮化物层。
具体实施方式
本发明生长设备用的是金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）生长系统，GaN材料生长所用衬底为Si衬底。下面是实施例一和实施例二具体说明：其中，SiGeC缓冲层、GaN、三族氮化物层的生长方法均采用常规的生长方法，三族氮化物和GaN材料可以低温生长也可以高温生长。
实施例一：一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，包括以下步骤：
1）在Si衬底1上生长Si1-x-yGexCy缓冲层2，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1；
2）在Si1-x-yGexCy缓冲层上生长GaN层3；
3）在生长的GaN层3上进行微电或光电器件结构的多层生长，生长后的结构如图1所示。
实施例二：一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，包括以下步骤：
1）在Si衬底1上生长Si1-x-yGexCy缓冲层2，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1；
2）在Si1-x-yGexCy缓冲层上生长三族氮化物层4，所述三族氮化物层4为：AlN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN中的一种或几种的混合物；
3）然后在三族氮化物层4之上生长GaN层3；
4）在生长的GaN层3上进行微电或光电器件结构的多层生长，生长后的结构如图2所示。
本发明通过SiGeC缓冲层技术解决Si衬底特别是大尺寸（大于6英寸）Si衬底上外延GaN材料现有技术中存在的问题。SiGeC合金是一种三元合金，C原子比Si和Ge小得多（Ge的晶格常数比Si大4.2%，比C大52%），故形成SiGeC后，可实现与Si衬底的晶格匹配，Si1-x-yGexCy合金的晶格常数a与x、y有线性关系：a=a(Si)+[a(Ge)－a(Si)]x+[a(C)－a(Si)]y，据此，当x:y=8.2:1时，可很好补偿晶格应变，实现无应力生长，当C继续增加时可进一步降低晶格常数，最终实现SiC的状态，进而生长GaN材料，并提高材料晶体质量。
因此，利用本发明所述的方法在Si衬底上外延生长GaN材料时，能改善GaN材料的应力状态，降低位错密度，提高晶体质量；同时增大GaN材料的生长窗口，使外延生长更容易，进而减低工艺难度，改善器件的性能，大大提高我国GaN器件的水平和应用领域。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。 

Claims (6)

1.一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在Si衬底（1）上生长SiGeC缓冲层；
2）在SiGeC缓冲层上生长GaN层（3）。
2.根据权利要求1所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于：在生长GaN层（3）之前首先在SiGeC缓冲层上生长三族氮化物层（4），然后在三族氮化物层（4）之上生长GaN层（3）。
3.根据权利要求1或2所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于所述方法还包括步骤3）：在生长的GaN层（3）上进行微电或光电器件结构的多层生长。
4.根据权利要求1或2所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于所述步骤1）为：在Si衬底上生长Si1-x-yGexCy缓冲层（2），其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。
5.根据权利要求2所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于所述三族氮化物层（4）为：AlN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1或2所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于，在生长过程中使用金属有机化学气相沉积和分子束外延生长系统。
CN201310635523.9A 2013-12-03 2013-12-03 采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法 Pending CN103646858A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310635523.9A CN103646858A (zh) 2013-12-03 2013-12-03 采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310635523.9A CN103646858A (zh) 2013-12-03 2013-12-03 采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103646858A true CN103646858A (zh) 2014-03-19

Family

ID=50252056

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310635523.9A Pending CN103646858A (zh) 2013-12-03 2013-12-03 采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103646858A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1905132A (zh) * 2005-07-26 2007-01-31 安华高科技Ecbuip(新加坡)私人有限公司 用于Ⅲ族氮化物基器件的硅碳锗(SiCGe)衬底
US20080173895A1 (en) * 2007-01-24 2008-07-24 Sharp Laboratories Of America, Inc. Gallium nitride on silicon with a thermal expansion transition buffer layer
CN102714144A (zh) * 2010-01-15 2012-10-03 住友化学株式会社 半导体基板、电子器件及半导体基板的制造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1905132A (zh) * 2005-07-26 2007-01-31 安华高科技Ecbuip(新加坡)私人有限公司 用于Ⅲ族氮化物基器件的硅碳锗(SiCGe)衬底
US20080173895A1 (en) * 2007-01-24 2008-07-24 Sharp Laboratories Of America, Inc. Gallium nitride on silicon with a thermal expansion transition buffer layer
CN102714144A (zh) * 2010-01-15 2012-10-03 住友化学株式会社 半导体基板、电子器件及半导体基板的制造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101771121A (zh) 一种SiC或Si衬底GaN基晶体的结构及其生长方法
CN109346400B (zh) 一种高质量Ga2O3薄膜及其异质外延制备方法
CN103165777B (zh) 具有梯形结构的n型插入层的led外延片及其生长方法
CN100418240C (zh) 在β三氧化二镓衬底上生长InGaN/GaN量子阱LED器件结构的方法
CN102851734B (zh) 半导体外延结构及其生长方法
CN105225931A (zh) AlN模板及其生长方法、基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法
CN104409319A (zh) 一种石墨烯基底上生长高质量GaN缓冲层的制备方法
CN104576714A (zh) 一种硅上高迁移率GaN基异质结构及其制备方法
CN102839417B (zh) 一种在蓝宝石衬底上生长自剥离氮化镓薄膜的方法
CN105161578A (zh) Si衬底上GaN薄膜的生长方法及复合GaN薄膜
CN106847672A (zh) 高击穿电压氮化镓功率材料的外延方法
CN101345192B (zh) InAlN缓冲层生长AlN的方法
CN100344006C (zh) 一种m面InGaN/GaN量子阱LED器件结构的生长方法
US9123637B2 (en) Semiconductor epitaxial structure and method for forming the same
CN101807523A (zh) 在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法
Wu et al. High quality AlN film assisted by graphene/sputtered AlN buffer layer for deep-ultraviolet-LED
CN105552149A (zh) 基于自支撑GaN衬底的高In组分InGaN/GaN量子阱结构太阳能电池及其制法
CN103022257B (zh) p-i-n结InGaN太阳电池制造方法
CN202996885U (zh) 一种生长在Si衬底上的LED外延片
CN101740360A (zh) 一种提高镁在ⅲ-ⅴ族氮化物中掺杂效率的方法
CN102856359A (zh) 半导体外延结构及其生长方法
CN204809246U (zh) GaN基LED外延结构
CN103646858A (zh) 采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法
CN104979377A (zh) Ⅲ族氮化物/异质衬底复合模板及其制备方法
CN209626222U (zh) 一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20140319