CN105755536B - 一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术，所述技术包括如下步骤：提供一衬底；在所述衬底上形成氮化铝多晶薄膜；对所述氮化铝多晶薄膜进行热氧化处理，形成氮化氧铝多晶层；以氮化氧铝多晶层作为缓冲层，在其上进行氮化物的外延生长。本发明的优点在于，氮化氧铝具有良好的晶格失配弛豫作用，能缓解用于生长氮化物基半导体材料存在的晶格不匹配及热失配，减小应力，形成柔性应变协变层，柔性地缓冲了外延层和衬底间的应力，可获得低位错密度、高晶体质量的晶体薄膜，与现有半导体技术兼容，重复性好，利于大规模生产。同时氮化氧铝具有良好的热、化学稳定性，不易与衬底和外延层之间发生界面反应，避免外延层的杂质沾污。
Description
技术领域
本发明涉及半导体外延领域，尤其涉及一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术。
背景技术
氮化镓及其合金半导体是制备应用于紫外/蓝光/绿光发光二极管、激光器、探测器的光电器件的核心基础材料，同时在高压、大功率、抗辐射和高温氮化镓基高电子迁移率晶体管和电力电子器件等领域有着广泛的应用前景。
目前，氮化镓或氮化铝的单晶衬底制备技术尚未成熟，因此氮化物通常异质外延生长在其它材料的衬底上如蓝宝石、碳化硅、硅等。由于存在晶格和热膨胀系数的差异以及界面化学问题的影响，通常需要缓冲层来缓解应力，提高晶体质量。特别对于大晶格失配的硅衬底而言，缓冲层对晶体质量的提高起关键作用。
缓冲层技术是解决大失配外延问题的重要手段，通过插入一层缓冲层，使其在晶体结构、物理机化学性质上使衬底更适合异质外延生长。传统的缓冲层有低温氮化镓、低温氮化铝、高温氮化铝、氮化铝镓、3C-碳化硅、氧化锌等。缓冲层能缓解衬底和外延层之间晶格失配的作用，同时起到润湿的作用，有效改善外延材料的晶体质量。但是缓冲层的存在只能缓解一部分晶格失配，实际生长的氮化镓外延材料仍然具有较高密度的位错。因此，发展新的缓冲层技术仍然是异质外延氮化物生长面临的技术课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术及采用该方法外延生长的氮化物，其能够缓解晶格不匹配及热失配等问题，柔性地缓冲了外延层和衬底间的应力，可获得低位错密度、高晶体质量的晶体薄膜。
为了解决上述问题，本发明提供了一种氮化物外延生长方法，包括如下步骤：提供一衬底；在所述衬底上形成氮化铝多晶薄膜；对所述氮化铝多晶薄膜进行热氧化处理，形成氮化氧铝多晶层；以氮化氧铝多晶层作为缓冲层，在其上进行氮化物的外延生长。
进一步，所述的氮化铝多晶薄膜进行全部或部分区域热氧化得到连续或部分覆盖的氮化氧铝多晶层。
进一步，所述氮化铝多晶薄膜的厚度为10-500nm。
进一步，所述氮化氧铝多晶层的厚度为10-500nm。
进一步，在所述衬底上形成氮化铝多晶薄膜的方法为原子层淀积、磁控溅射、化学汽相淀积或离子束淀积方法中一种或两种以上的组合。
进一步，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铝酸锂或砷化镓。
进一步，所述氮化物的外延生长方法包括金属有机化学汽相淀积、分子束外延或卤化物汽相外延方法中的一种或两种以上组合。
进一步，所述氮化物为氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化镓铟、氮化铝铟或氮化铝镓铟及其组合。
进一步，在形成氮化铝多晶薄膜之前还包括一清洗衬底的步骤。
本发明还提供一种采用上述的方法外延生长的氮化物，在所述衬底与外延生长的氮化物之间设置有一缓冲层，所述缓冲层为氮化氧铝多晶层
本发明的优点在于，氮化氧铝具有良好的晶格失配弛豫作用，能缓解用于生长氮化物基半导体材料存在的晶格不匹配及热失配等问题，减小应力，形成柔性的应变协变层，柔性地缓冲了外延层和衬底间的应力，在其上进行氮化物的外延生长，可获得低位错密度、高晶体质量的晶体薄膜，从而应用于光电或电子器件制备，发明工艺可控，与现有半导体技术兼容，重复性好，利于大规模生产，同时氮化氧铝具有良好的热、化学稳定性，不易与衬底和外延层之间发生界面反应，避免外延层的杂质沾污。
附图说明
图1是本发明一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术的步骤示意图。
图2A～图2D是本发明一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术及采用该技术外延生长的氮化物的具体实施方式做详细说明。
参见图1，本发明一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术包括如下步骤：步骤S10、提供一衬底；步骤S11、在所述衬底上形成氮化铝多晶薄膜；步骤S12、对所述氮化铝多晶薄膜进行热氧化处理，形成氮化氧铝多晶层；步骤S13、以氮化氧铝多晶层作为缓冲层，在其上进行氮化物的外延生长。
图2A～图2D是本发明一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术的工艺流程图。
参见步骤S10及图2A，提供一衬底200，所述衬底可以为蓝宝石、碳化硅、硅、铝酸锂或砷化镓等。可对衬底200进行化学有机溶剂清洗和氢氟酸腐蚀、去离子水清洗和氮气烘干，以得到清洁的衬底200。
参见步骤S11及图2B，在所述衬底200上形成氮化铝多晶薄膜201。在所述衬底200上形成氮化铝多晶薄膜201的方法为原子层淀积、磁控溅射、化学汽相淀积或离子束淀积方法中一种或两种以上的组合。所述氮化铝多晶薄膜201的厚度为10-500nm。
参见步骤S12及图2C，对所述氮化铝多晶薄膜201进行热氧化处理，形成氮化氧铝多晶层202。所述的氮化铝多晶薄膜进行全部或部分区域热氧化得到连续或部分覆盖的氮化氧铝多晶层。图2C所示为形成部分覆盖的氮化氧铝多晶层202的结构，氮化氧铝多晶层202的结构采用虚线标示，未被热氧化的区域还是氮化铝多晶薄膜201。所述氮化氧铝多晶层202的厚度为10-500nm。
参见步骤S13及图2D，以氮化氧铝多晶层202作为缓冲层，在其上进行氮化物203的外延生长。所述氮化物203的外延生长方法包括金属有机化学汽相淀积、分子束外延或卤化物汽相外延方法中的一种或两种以上组合。所述氮化物203可以为氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化镓铟、氮化铝铟或氮化铝镓铟及其组合。
下面列举本发明一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术的一实施例，以进一步解释本发明一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术。
步骤一：采用6英寸的硅为衬底，衬底晶向为<111>，进行化学有机溶剂清洗和氢氟酸腐蚀、去离子水清洗和氮气烘干。
步骤二：将清洁好的硅衬底放入原子层淀积系统(ALD)，在硅衬底上淀积一定厚度的AlN多晶薄膜。真空度为1-5x10-4P，加热温度为400℃，时间为30min，厚度为50nm。
步骤三：将AlN多晶薄膜在热氧化炉中进行热氧化处理，形成AlON多晶层。气体流量为5s/lm，温度为250℃，时间为30min。
步骤四：AlON多晶层作为缓冲层上，利用MOCVD在其上进行氮化镓薄膜的外延生长。
本实施例以硅基AlON多晶薄膜为缓冲层进行氮化镓的MOCVD外延生长，可以获得低应力、高质量的氮化镓晶体薄膜。本发明有效地缓解了衬底与氮化镓之间的晶格失配和热膨胀系数失配的难题，可应用于氮化镓基光电或电子器件制备，同时，本发明工艺可控，利于大规模生产。
本发明还提供一种采用上述的技术外延生长的氮化物，参见图2D所示，在所述衬底200与外延生长的氮化物203之间设置有一缓冲层202，所述缓冲层202为AlON多晶层。所述缓冲层202全部或部分覆盖所述衬底200，未被缓冲层202覆盖的衬底200被氮化铝多晶薄膜201覆盖。
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 (9)
1.一种采用AlON缓冲层的氮化物的外延生长技术，其特征在于，包括如下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上形成氮化铝多晶薄膜；
对所述氮化铝多晶薄膜进行部分热氧化处理，形成部分覆盖所述衬底的氮化氧铝多晶层，未被所述氮化氧铝多晶层覆盖的所述衬底被所述氮化铝多晶薄膜覆盖；
以氮化氧铝多晶层作为缓冲层，在其上进行氮化物的外延生长。
2.根据权利要求1所述的氮化物的外延生长技术，其特征在于，所述氮化铝多晶薄膜的厚度为10-500nm。
3.根据权利要求1所述的氮化物的外延生长技术，其特征在于，所述氮化氧铝多晶层的厚度为10-500nm。
4.根据权利要求1所述的氮化物的外延生长技术，其特征在于，在所述衬底上形成氮化铝多晶薄膜的方法为原子层淀积、磁控溅射、化学汽相淀积或离子束淀积方法中一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的氮化物的外延生长技术，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铝酸锂或砷化镓。
6.根据权利要求1所述的氮化物的外延生长技术，其特征在于，所述氮化物的外延生长方法包括金属有机化学汽相淀积、分子束外延或卤化物汽相外延方法中的一种或两种以上组合。
7.根据权利要求1所述的氮化物的外延生长技术，其特征在于，所述氮化物为氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化镓铟、氮化铝铟或氮化铝镓铟及其组合。
8.根据权利要求1所述的氮化物的外延生长技术，其特征在于，在形成氮化铝多晶薄膜之前还包括一清洗衬底的步骤。
9.一种采用权利要求1所述的氮化物的外延生长技术外延生长的氮化物，其特征在于，在所述衬底与外延生长的氮化物之间设置有一缓冲层，所述缓冲层包括部分覆盖所述衬底的氮化氧铝多晶层，未被所述氮化氧铝多晶层覆盖的所述衬底被位于所述衬底与所述氮化物之间的氮化铝多晶薄膜覆盖。
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