CN106531614A - 一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到半导体工艺和器件领域，具体指一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法。在蓝宝石衬底上MOCVD生长N‑极性的GaN模板，在模板上制备进行极性变换的AlN，并对其进行图形制作，最后在该模板和AlN上使用进行GaN厚膜生长，有望满足高功率器件需要厚度达1mm的极性交替的GaN要求。

Description

一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法
技术领域
本发明涉及到半导体工艺和器件领域，具体指一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法。
背景技术
纤锌矿结构的GaN具有六方晶体结构，在C-轴方向的正负电荷不是中心对称的，具有本征极化效应，在N与Ga键合中，共价键电子偏向N，所以自发极化的方向是N到Ga，在+C（0001）方向是Ga到N，表现为Ga-极性，所以在-C（000-1）方向表现出N-极性，他们具有明显不同的特性，如化学活性、掺杂效率、极化方向、功函数、表面形态和内电场等。虽然六方的GaN半导体具有这种不同的极性，但目前的GaN基器件仍基本上采用单一极性或单一晶体取向。例如，在电子器件如发光二极管、半导体激光器以及微波大功率晶体管等中常采用的是Ga-极性GaN。近年来，为了把不同极性GaN的不同特征结合起来，研究者致力于在同一模板上生长具有交替Ga-极性和N-极性GaN结构的研究。
具有交替极性GaN结构在光学和电学器件中有重要的应用领域。GaN具有大的二次非线性系数，如结合其高热导率、宽带隙和宽的透明窗口，是准相位匹配（quasi-phasematching）型频率转换的理想材料。在准相位匹配技术中，可使用晶体取向变换的周期排列来校正光通过晶体时的相对相位，这是目前非线性光学材料所无法满足的。
目前，这种交替极性GaN结构的实现方法仍在不断发展，主要使用异质衬底（如蓝宝石衬底、SiC衬底），通过使用不同的衬底取向和生长条件、掺杂水平以及缓冲层和成核层来控制外延层GaN的极性。例如，在晶格失配为3.4%的SiC（0001）衬底上使用MOCVD生长GaN时，可在Si极性面的SiC衬底上外延Ga-极性GaN，在C面上获得N-极性GaN；或在蓝宝石衬底上通过图形先进行选择性生长极性反转层AlN，然后使用MOCVD方法生长具有交替极性变换的GaN结构。该方法由于采用的是生长速率较慢的外延技术，对实现厚膜生长不利。
考虑到GaN具有高的热导率和相对较低的激光阈值，这一特性可用于功率型的频率转换器件，目前的非线性光学材料不能满足要求。对这种高功率应用，需要厚度达1毫米左右的极性交替GaN结构。当前，虽然使用HVPE和氨热法制备GaN体材料日趋成熟，但GaN衬底成本仍居高不下，使用GaN衬底生长周期取向且较厚的GaN结构仍较难普及。以前用于GaN-极性反转的技术主要是通过Mg掺杂诱导的反转，Mg重掺杂的P型层能将Ga-极性GaN变成N-极性GaN。但这个方法会导致薄膜内掺杂聚集，影响薄膜的质量和合成结构的性能。另外，单层Mg和MgxNy薄层也可将GaN的Ga-极转换为N-极性，虽然它们不会有掺杂聚集的问题出现，但是在N-极性和Ga-极性材料的界面处出现反演畴界。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出在蓝宝石衬底上预先生长N-极性的GaN模板，在模板上制备进行极性变换的AlN，并对其进行图形制作，最后在该模板和AlN上使用厚膜生长，满足高功率器件需要厚度达1mm的极性交替的GaN要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，所述方法包括以下步骤：
（1）在蓝宝石衬底上生长N-极性 GaN，得蓝宝石衬底/N-极性 GaN结构作为模板；代替了成本较高的GaN衬底，而且避免了直接用蓝宝石衬底时在异质衬底上因晶格失配和热失配产生的缺陷；
（2）在所述模板上沉积极性反转层AlN，得蓝宝石衬底/N-极性 GaN/ AlN结构；反转层AlN用于反转GaN极性；
（3）将所述极性反转层AlN图案化，得蓝宝石衬底/N-极性 GaN/图案化AlN结构；
所述图案化是指按照一定的图案去除部分极性反转层AlN保留剩余部分极性反转层AlN同时使相应的位于去除部分极性反转层AlN的下层的N-极性GaN裸露；
（4）在所述蓝宝石衬底/N-极性 GaN/图案化AlN结构上生长GaN，在所述剩余部分极性反转层AlN上生长的GaN为Ga-极性，在裸露的N-极性GaN上生长的GaN为N-极性，得到在蓝宝石衬底上生长的具有不同极性GaN的结构。
进一步地，所述步骤（4）采用氢化物气化外延生长。本发明使用较快生长速率的HVPE方法生长极性交替的GaN结构，与生长速率较慢的MOCVD外延方法相比，更有望满足功率型频率转换器件所需厚度达1mm的极性交替的GaN要求。
进一步地，所述所述步骤（1）包括生长N-极性 GaN前对所述蓝宝石衬底进行氮化处理。若不对蓝宝石表面进行氮化处理，使得后续MOCVD得到的是Ga-极性而不是N-极性GaN，也不能得到单晶GaN，并且表面很粗糙。
进一步地，所述步骤（1）中在蓝宝石衬底上生成的N-极性 GaN的厚度为1.5-2um。
进一步地，所述步骤（2）采用等离子体增强原子层沉积在所述模板上沉积极性反转层AlN。
进一步地，所述步骤（4）具体为利用氮气将氯化氢携带到镓舟处与金属镓反应，生成氯化镓，将氨气和所述氯化镓分别引入生长区在所述蓝宝石衬底/N-极性 GaN/图案化AlN结构表面生成GaN，可通过控制生长时间来控制GaN厚度；
所述镓舟处的温度为800-850℃；
所述生长区温度为1050-1070℃；
所述氯化氢的流速为0.01slm；
所述氨气的流速为0.6-1slm。
进一步地，所述步骤（1）采用MOCVD在C面石衬底上生长N-极性 GaN。
进一步地，所述步骤（2）中Al源为TMA；N源为Ar、N2和H2的混合气体；所述混合气体中各气体体积比例为Ar、N2和H2=1:3:6。
进一步地，所述步骤（2）中极性反转层AlN的厚度为5-45nm。
进一步地，所述步骤（3）中的图案为等宽、等间距的条纹。
进一步地，所述步骤（3）具体包括制备掩模、离子束刻蚀和剥离掩模步骤，所述制备掩模包括涂光刻胶、显影和曝光。
本发明的有益技术效果：
(1) 本发明是以在蓝宝石衬底上外延生长GaN层作为模板，代替了成本较高的GaN衬底，而且避免了直接用蓝宝石衬底时在异质衬底上因晶格失配和热失配产生的缺陷。
(2) 本发明使用PE-ALD方法获得厚度可以精确控制的极性反转层AlN,与MOCVD（约700℃）生长的AlN相比，该方法具有低温和制膜均匀的优点。
(3) 本发明使用较快生长速率的HVPE方法生长极性交替的GaN结构，与生长速率较慢的MOCVD外延方法相比，更有望满足功率型频率转换器件所需厚度达1mm的极性交替的GaN要求。
附图说明
图1、本发明实施例方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
蓝宝石衬底上生长交替Ga-和N-极性GaN结构的方法：
步骤1：将蓝宝石衬底用异丙醇、丙酮、甲醇、酒精、去离子水于室温下依次超声清洗5分钟，最后用N2吹干。
步骤2：将清洗后的蓝宝石衬底放于富含N的MOCVD反应室中，在高温下进行氮化处理后，使用三乙基镓TEGa和NH3作为源，在温度为1100℃，腔压为150Torr，V/III比率为600-3000的条件下生长膜厚为1.5-2um的N-极性GaN。
步骤3：将上述样品放于去离子水中浸泡2分钟，然后用80℃的标准清洗液SC1 (NH40H: H2O2：H2O=1：1：5) 清洗10分钟，再用去离子水清洗和氮气吹干，紧接着将样品送入ALD反应室中。将样品台的温度升高至300℃，使用三甲基铝TMA和Ar/N2/H2(1:3:6)分别作为Al和N源，在生长参数为：0.1s TMA dose/15s purge/30s plasma/15s purge的条件下沉积5～45nm的AlN。
步骤4：用标准的光刻和刻蚀工艺将上述得到的AlN进行图形化处理:对AlN层进行涂胶（正胶）、曝光和显影之后，用离子束刻蚀将未被光刻胶阻挡的AlN刻蚀掉直至露出GaN衬底，用丙酮去除光刻胶，则可以得到图形化AlN。
步骤5：将上述样品放入HVPE反应腔中，HVPE系统中镓舟所处温区为800-850℃，氯化氢在氮气的携带下通过镓舟，与金属镓反应，生成氯化镓，氯化镓与氨气分别引入生长区，温度可以控制在1050-1070℃之间，在N-极性GaN衬底和AlN表面生成GaN，生长时HCl的流速是0.01slm，氨气流量是1slm,控制生长时间以生长较厚GaN,在AlN区域上生长的是Ga-极性GaN，在N-极性GaN上得到N-极性GaN，由此得到交替极性GaN结构。
实施例2
如图1所示，具体步骤参照图1：
1），将蓝宝石衬底用异丙醇、丙酮、甲醇、酒精、于室温下依次超声清洗5分钟，再用去离子水反复冲洗，并用N2吹干后立即送入MOCVD反应室中。MOCVD是以三乙基镓TEGa和NH3作为源料，在温度为1100℃，腔压为150Torr，V/III比率为3000的条件下生长2um N-极性GaN层。
2）以N-极性 GaN层为模板，用PE-ALD方法在其上沉积30nm AlN：
先将上步中的样品放于去离子水中浸泡2分钟，然后用80℃的标准清洗液SC1 (NH40H: H2O2：H2O=1：1：5) 清洗10分钟，再用去离子水清洗和氮气吹干，紧接着将样品送入ALD反应室中。将样品台的温度升高至300℃，使用三甲基铝TMA和Ar/N2/H2(1:3:6)分别作为Al和N源，在生长参数为：0.1s TMA dose/15s purge/30s plasma/15s purge的条件下沉积140个周期，得到膜厚约为30nm的AlN层。
3）用标准的光刻和刻蚀工艺将上述得到的AlN层进行图案化处理，图案为等宽条纹状:在AlN层上涂一层正胶、曝光和显影之后得到图形化胶层，用离子束刻蚀将未被光刻胶阻挡的AlN刻蚀掉直至刚好露出GaN衬底，用丙酮去除光刻胶，则可以得到图形化的AlN。
4）将上述样品放入HVPE反应腔中，HVPE系统中镓舟所处温区为850℃，氯化氢在氮气的携带下通过镓舟，与金属镓反应，生成氯化镓，氯化镓与氨气分别引入生长区，温度是1070℃，在N极化GaN衬底和AlN层表面生成GaN，在AlN区域上生长的是Ga-极性GaN膜层，在N-极性GaN上得到N-极性GaN膜层，生长时氯化氢的流速是0.01slm，氨气流量是1slm,N2载气流量为3slm,控制生长时间以生长较厚GaN,，由此得到较厚极性交替的GaN结构。

Claims (10)

1.一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）在蓝宝石衬底上生长N-极性 GaN，得蓝宝石衬底/N-极性 GaN结构作为模板；
（2）在所述模板上沉积极性反转层AlN，得蓝宝石衬底/N-极性 GaN/ AlN结构；
（3）将极性反转层AlN图案化，得蓝宝石衬底/N-极性 GaN/图案化AlN结构；
所述图案化是指按照一定的图案去除部分极性反转层AlN，保留剩余部分极性反转层AlN，同时使相应的位于去除的部分极性反转层AlN的下层的N-极性GaN裸露；
（4）在所述蓝宝石衬底/N-极性 GaN/图案化AlN结构上生长GaN，在所述剩余部分极性反转层AlN上生长的GaN为Ga-极性，在裸露的N-极性GaN上生长的GaN为N-极性，得到在蓝宝石衬底上生长的具有不同极性GaN的结构。
2.如权利要求1所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（4）采用氢化物气化外延生长GaN。
3.如权利要求1所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（1）包括生长N-极性 GaN前对所述蓝宝石衬底进行氮化处理。
4.如权利要求1所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，在蓝宝石衬底上生长的N-极性 GaN的厚度为1.5-2um。
5.如权利要求1所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（2）采用等离子体增强原子层沉积在所述模板上沉积极性反转层AlN。
6.如权利要求2所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（4）具体为利用氮气将氯化氢携带到镓舟处与金属镓反应，生成氯化镓，将氨气和所述氯化镓分别引入生长区在所述蓝宝石衬底/N-极性 GaN/图案化AlN结构的表面生成GaN，可通过控制生长时间来控制GaN厚度；
所述镓舟处的温度为800-850℃；
所述生长区温度为1050-1070℃；
所述氯化氢的流速为0.01slm；
所述氨气的流速为0.6-1slm。
7.如权利要求4所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（1）采用MOCVD在C面蓝宝石衬底上生长。
8.如权利要求5所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（2）中Al源为TMA；N源为Ar、N2和H2的混合气体；所述混合气体中各气体体积比例为Ar、N2和H2=1:3:6。
9.如权利要求1-8任一所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（2）中极性反转层AlN的厚度为5-45nm。
10.如权利要求1-8任一所述一种在蓝宝石衬底上生长具有不同极性GaN结构的方法，其特征在于，所述步骤（3）中的图案为等宽、等间距的条纹。
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