CN106435720A - 一种GaN薄膜材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种第三代宽禁带半导体材料制备技术，特别涉及一种GaN薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：在衬底上形成多孔结构，孔洞内漏出衬底，孔洞表面为不能成核生长的钝化层；在孔洞内依次生长低温GaN成核层、中温GaN缓冲层以及高温GaN层，直到填平孔洞；在孔洞外继续生长高温GaN层形成直径不断增加的GaN纳米柱阵列，直到GaN纳米柱阵列合并到一起。继续生长合并到一起的GaN纳米柱阵列，形成GaN薄膜材料。本发明方法制备的GaN薄膜材料晶体质量高，并且制备方法可控性强。

Description

一种GaN薄膜材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种第三代宽禁带半导体材料制备技术，特别涉及一种GaN薄膜材料的制备方法。
背景技术：
GaN属于第三代宽禁带半导体材料，它具有优异的物理和化学性质，如禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高及抗辐照性能强、热导率和介电常数大，化学特性稳定等，特别适合制作高压、高温、高频、高功率、强辐照环境下使用的半导体器件。
由于氮化镓材料单晶的获取非常困难，成本也很高，因此目前氮化镓材料一般生长在异质衬底上。在异质衬底上生长材料需要解决衬底与外延层之间的成核问题，由于材料之间存在晶格常数和热膨胀系数的差异，异质外延需要通过缓冲层来实现。缓冲层可以起到缓解衬底和外延层之间晶格失配的作用，有效改善外延材料的晶体质量。
现有技术缓冲层多是氮化物材料，都与外延氮化镓层的性质相对接近，虽然可以缓解晶格失配，但是不能很好的缓和衬底与外延材料之间的应力与热膨胀系数失配，并且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。
中国专利CN200710191884公开了一种用多孔缓冲层的方法制备氮化物半导体薄膜的方法，该方法使薄膜和衬底间因晶格常数以及热膨胀系数不同产生的应力有效释放，制得的薄膜材料缺陷密度小。但是，该方法形成的多孔结构形状以及孔间距离不易控制，并且最后纳米柱阵列合并条件不易调节，可控性较差。
发明内容：
本发明的目的是提供一种GaN薄膜材料的制备方法，使得该方法制备的薄膜晶体质量高，并且制备方法可控性强。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种GaN薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上形成多孔结构，孔洞内漏出衬底，孔洞表面为不能成核生长的钝化层；
(2)在孔洞内依次生长低温GaN成核层、中温GaN缓冲层以及高温GaN层，直到填平孔洞；
(3)在孔洞外继续生长高温GaN层形成直径不断增加的GaN纳米柱阵列，直到GaN纳米柱阵列合并到一起；
(4)继续生长合并到一起的GaN纳米柱阵列，形成GaN薄膜材料。
可选地，生长衬底为单晶Si衬底。
优选地，所述多孔结构通过选择性沉积或选择性刻蚀形成。
优选地，所述选择性沉积方法为首先旋涂光刻胶，然后光刻刻蚀光刻胶形成所需图案，之后沉积所述钝化层材料，最后去除光刻胶形成多孔结构。
优选地，所述钝化层厚度300nm～500nm，孔洞直径200nm～300nm。
优选地，所述孔洞中，低温GaN成核层厚度30nm～50nm，生长温度400℃～600℃；中温GaN缓冲层厚度250nm～350nm，生长温度900℃～1000℃；高温GaN层厚度50nm～150nm，生长温度1050℃～1150℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明多孔纳米柱结构可使薄膜和衬底间因晶格常数以及热膨胀系数不同产生的应力有效释放，并且在孔洞内生长的GaN材料晶格质量高，在其上形成的GaN纳米柱阵列晶格缺陷更少，进而使制得的薄膜材料缺陷密度更小。
(2)本发明多孔结构通过选择性沉积或选择性刻蚀形成时，孔洞尺寸以及孔洞间距可以灵活控制，使得工艺条件调试更加容易。
附图说明：
图1是本发明外延GaN薄膜材料的结构剖视图。
具体实施方式：
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述，实施例以TMGa和NH3为反应源，H2和N2为载气。
实施例1
(1)选取单晶Si衬底1为生长衬底，清洗衬底，旋涂光刻胶，然后光刻刻蚀光刻胶形成所需孔洞图案，之后磁控溅射沉积400nm SiO2，最后去除光刻胶形成孔洞21，漏出孔洞洞底的单晶Si衬底1，形成多孔结构2，清洗以上衬底，将其送入MOCVD系统内。
(2)温度450℃，在孔洞21内生长30nm低温GaN成核层3，升温至1050℃退火形成晶种，然后温度调制950℃，生长300nm中温GaN缓冲层4,升温至1150℃生长70nm高温GaN层5，直到填平孔洞；
(3)温度不变，调节TMGa和NH3流量，在孔洞外继续横向生长高温GaN层形成直径不断增加的GaN纳米柱阵列6，直到GaN纳米柱阵列6合并到一起。
(4)工艺条件保持不变，继续生长合并到一起的GaN纳米柱阵列6，形成500nmGaN薄膜材料7。
本实施例制得氮化镓材料位错密度为0.9×107cm-2。
实施例2
(1)选取单晶Si衬底1为生长衬底，清洗衬底，旋涂光刻胶，然后光刻刻蚀光刻胶形成所需孔洞图案，之后磁控溅射沉积470nm SiO2，最后去除光刻胶形成孔洞21，漏出孔洞洞底的单晶Si衬底1，形成多孔结构2，清洗以上衬底，将其送入MOCVD系统内。
(2)温度470℃，在孔洞21内生长50nm低温GaN成核层3，升温至1050℃退火形成晶种，然后温度调制900℃，生长300nm中温GaN缓冲层4,升温至1100℃生长120nm高温GaN层5，直到填平孔洞；
(3)温度不变，调节TMGa和NH3流量，在孔洞外继续横向生长高温GaN层形成直径不断增加的GaN纳米柱阵列6，直到GaN纳米柱阵列6合并到一起。
(4)工艺条件保持不变，继续生长合并到一起的GaN纳米柱阵列6，形成600nmGaN薄膜材料7。
本实施例制得氮化镓材料位错密度为0.7×107cm-2。
实施例3
(1)选取单晶Si衬底1为生长衬底，清洗衬底，旋涂光刻胶，然后光刻刻蚀光刻胶形成所需孔洞图案，之后磁控溅射沉积350nm SiO2，最后去除光刻胶形成孔洞21，漏出孔洞洞底的单晶Si衬底1，形成多孔结构2，清洗以上衬底，将其送入MOCVD系统内。
(2)温度550℃，在孔洞21内生长40nm低温GaN成核层3，升温至1050℃退火形成晶种，然后温度调制950℃，生长250nm中温GaN缓冲层4,升温至1120℃生长60nm高温GaN层5，直到填平孔洞；
(3)温度不变，调节TMGa和NH3流量，在孔洞外继续横向生长高温GaN层形成直径不断增加的GaN纳米柱阵列6，直到GaN纳米柱阵列6合并到一起。
(4)工艺条件保持不变，继续生长合并到一起的GaN纳米柱阵列6，形成550nmGaN薄膜材料7。
本实施例制得氮化镓材料位错密度为1.2×107cm-2。

Claims (6)

1.一种GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在衬底上形成多孔结构，孔洞内漏出衬底，孔洞表面为不能成核生长的钝化层；
(2)在孔洞内依次生长低温GaN成核层、中温GaN缓冲层以及高温GaN层，直到填平孔洞；
(3)在孔洞外继续生长高温GaN层形成直径不断增加的GaN纳米柱阵列，直到GaN纳米柱阵列合并到一起；
(4)继续生长合并到一起的GaN纳米柱阵列，形成GaN薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于：生长衬底为单晶Si衬底。
3.根据权利要求1所述的GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述多孔结构通过选择性沉积或选择性刻蚀形成。
4.根据权利要求3所述的GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述选择性沉积方法为首先旋涂光刻胶，然后光刻刻蚀光刻胶形成所需图案，之后沉积所述钝化层材料，最后去除光刻胶形成多孔结构。
5.根据权利要求1所述的GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述钝化层厚度300nm～500nm，孔洞直径200nm～300nm。
6.根据权利要求1所述的GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于：所述孔洞中，低温GaN成核层厚度30nm～50nm，生长温度400℃～600℃；中温GaN缓冲层厚度250nm～350nm，生长温度900℃～1000℃；高温GaN层厚度50nm～150nm，生长温度1050℃～1150℃。
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