CN105047752A - 硅衬底的表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅衬底的表面改性方法，用于在MOCVD工艺生长GaN衬底前的预处理，包括如下步骤：采用改性离子注入至生长表面，所述改性离子中包括Al元素，还包括氮元素和氧元素中的至少一种。采用上述方法表面改性后的硅衬底可以用于高质量的氮化物的外延生长，其能避免氮化镓生长时镓液滴回融腐蚀现象，缓解应力，无裂纹产生，使晶体质量提高。本发明的优点在于，经过离子注入退火工艺后，硅衬底与氮化镓材料之间的晶格常数和热涨系数失配及应力问题得到很好的改善。本发明具有易操作、可控性好等优点，使外延生长条件窗口更宽。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种硅衬底的表面改性方法。
背景技术
氮化镓基材料的禁带宽度是直接带隙的，在载流子复合时具有较高的量子效率，非常适合用来制作蓝/绿/紫外光发光器件及紫外光探测器件。同时，其具有高电子饱和速率、高击穿电场、高电子迁移率，高热导率，高硬度，高稳定的化学性质，较小的介电常数和耐高温等一系列优点，使得其在高温、高频、光电子、大功率以及抗辐射等方面有着广泛的实际应用价值和巨大的市场潜力。
由于硅衬底具有导热率高、成本低、制造技术成熟、高质量大尺径衬底已商品化等优点，因此硅衬底上外延生长氮化镓基器件材料如半导体发光二极管(LED)，高电子迁移率晶体管(HEMT)等具有极大成本优势。
在硅衬底上外延生长氮化镓层的主要技术困难来自于两方面：一是氮化镓外延层和硅衬底之间的晶格常数和热涨系数有极大差异，该差异造成氮化镓外延层内存在巨大应力，应力降低了外延层的晶体质量，甚至可产生裂纹，无法应用于器件制作。二是在氮化物生长过程中，镓液滴会向硅衬底产生回融腐蚀现象，引起表面粗化，产生多晶，材料晶体质量恶化。因此，控制镓液滴对硅衬底的回融腐蚀现象，减小应力避免氮化镓外延层裂纹上的产生，提高其晶体质量是硅基氮化镓材料能够得以器件应用的前提。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种硅衬底的表面改性方法，可以提高外延晶体质量。
为了解决上述问题，本发明提供了一种硅衬底的表面改性方法，用于在MOCVD工艺生长GaN衬底前的预处理，包括如下步骤：采用改性离子注入至生长表面，所述改性离子中包括Al元素，还包括氮元素和氧元素中的至少一种。采用上述方法表面改性后的硅衬底可以用于高质量的氮化物的外延生长，这是由于Al和N、O能改变硅表面结构特性，化学稳定性更强，避免氮化镓生长时镓液滴回融腐蚀现象。同时由于Al、O、N等原子的注入，晶格常数和热涨系数失配及应力问题得到很好的改善，缓解应力，无裂纹产生，使晶体质量提高。
可选的，注入能量范围为10-150keV。
可选的，注入的总剂量范围为1×1012cm2～1×1014cm2。
可选的，进一步包括注入后退火的步骤。
可选的，退火的温度范围400-1000℃，时间为10s-300s。
本发明的优点在于，经过离子注入退火工艺后，硅衬底与氮化镓材料之间的晶格常数和热涨系数失配及应力问题得到很好的改善。本发明具有易操作、可控性好等优点，使外延生长条件窗口更宽。
附图说明
附图1所示是本发明的具体实施方式的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的硅衬底的表面改性方法的具体实施方式做详细说明。
附图1所示是本发明的具体实施方式的工艺示意图，将改性离子11注入至衬底10的生长表面，所述改性离子中包括Al元素，还包括氮元素和氧元素中的至少一种。注入在衬底10中形成阻挡层12，该层化学稳定性更强，避免后续氮化镓生长时镓液滴回融腐蚀现象。
本具体实施方式给出三个实施例。
实施例1。
采用离子注入硅衬底，衬底晶向为<111>，尺寸为8英寸。在50keV下注入铝和氮的剂量分别为3.5×1013cm2和5×1013cm2，退火温度为760℃，时间为5min。然后可用作氮化镓材料的MOCVD外延衬底。
实施例2。
采用离子注入硅衬底，衬底晶向为<111>，尺寸为8英寸。在50keV下注入铝和氧的剂量分别为3.5×1013cm2和7.5×1013cm2，退火温度为760℃，时间为5min。然后可用作氮化镓材料的MOCVD外延衬底。
实施例3。
采用离子注入硅衬底，衬底晶向为<111>，尺寸为6英寸。在30keV下注入铝、氧、氮的剂量分别为5.5×1013cm2、3×1013cm2和3×1013cm2，退火温度为820℃，时间为5min。然后可用作氮化镓材料的MOCVD外延衬底。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种硅衬底的表面改性方法，用于在MOCVD工艺生长GaN衬底前的预处理，其特征在于，包括如下步骤：
采用改性离子注入至生长表面，所述改性离子中包括Al元素，还包括氮元素和氧元素中的至少一种。注入深度为10纳米-1000纳米。
2.根据权利要求1所述的硅衬底的表面改性方法，其特征在于，注入能量范围为10-150keV。
3.根据权利要求1所述的硅衬底的表面改性方法，其特征在于，注入的总剂量范围为1×1012cm2～1×1014cm2。
4.根据权利要求1所述的硅衬底的表面改性方法，其特征在于，进一步包括注入后退火的步骤。
5.根据权利要求4所述的硅衬底的表面改性方法，其特征在于，退火的温度范围400-1000℃，时间为10s-300s。
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