CN108242385B - 生长氮化镓的方法、氮化镓外延结构及半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了生长氮化镓的方法、氮化镓外延结构和半导体器件，该方法包括：在氢气和/或氮气气氛下，向衬底上喷洒氮化镓纳米颗粒，并对所述衬底和氮化镓纳米颗粒进行烘烤处理；通入氮源和镓源，以便在所述衬底表面形成氮化镓层。发明人发现，预先喷洒氮化镓纳米颗粒，在高温下部分GaN纳米颗粒分解气化形成有利于GaN快速沉积结晶的气体氛围，而剩余的GaN纳米材料则形成成核的晶种，为氮源和镓源反应提供生长GaN晶体的附着点，通入氮源和镓源后，GaN材料能以剩余的GaN颗粒为成核中心快速生长，沉积出高质量的GaN材料。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体的，涉及生长氮化镓的方法、氮化镓外延结构及半导体器件。
背景技术
GaN材料是第三代半导体材料，广泛应用于LED照明及大功率半导体器件领域，由于GaN材料很难生长到一定厚度以作为衬底材料，目前业界普遍采用异质外延的生长方式，以其他晶体材料作为衬底生长GaN外延层。
由于衬底和GaN之间通常存在晶格失配和热失配，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。目前LED外延片普遍采用缓冲层技术，即在衬底上沉积一层缓冲层再生长GaN材料，缓冲层能一定程度克服衬底与GaN材料间的晶格失配，并将他们之间的缺陷埋在缓冲层之下，但是缓冲层的晶体质量依旧较差，依旧有许多缺陷会穿透缓冲层，由于GaN材料与衬底存在热失配，在变温过程造成的应力会使这些缺陷扩大并穿透整个外延层，从而影响器件性能。
因而，目前的生长GaN材料的方法仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的以下发现而完成的：
现有生长GaN材料通常需要在衬底上预先形成缓冲层，然后再在缓冲层上生长GaN外延层，虽然缓冲层能一定程度克服衬底与GaN材料间的晶格失配，但发明人发现缓冲层中存在非晶结构，依然具有很多缺陷，而由于衬底与GaN材料之间存在热失配，在变温过程中造成的应力会使得这些缺陷扩大，进而影响器件性能，因而，如果能够在衬底上形成缺陷少、晶体质量高的GaN材料，对实际应用具有重要意义。针对该问题，发明人进行了深入研究，经过量探索和实验验证，发现在生长GaN之前，预先通入GaN纳米颗粒，在高温下部分GaN纳米颗粒分解气化形成有利于GaN结晶的气体氛围，而剩余的GaN纳米材料则形成成核的晶种，然后再通入氮源和镓源，GaN材料能以剩余的GaN颗粒为成核中心快速生长，沉积出高质量的GaN外延材料。
有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种生长高晶质量GaN的手段。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种生长氮化镓的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：在氢气和/或氮气气氛下，向衬底上喷洒氮化镓纳米颗粒，并对所述衬底和氮化镓纳米颗粒进行烘烤处理；通入氮源和镓源，以便在所述衬底表面形成氮化镓层。发明人发现，预先喷洒氮化镓纳米颗粒，在高温下部分GaN纳米颗粒分解气化形成有利于GaN快速沉积结晶的气体氛围，而剩余的GaN纳米材料则形成成核的晶种，为氮源和镓源反应提供生长GaN晶体的附着点，通入氮源和镓源后，GaN材料能以剩余的GaN颗粒为成核中心快速生长，沉积出高质量的GaN材料。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种氮化镓外延结构。根据本发明的实施例，该氮化镓外延结构是通过前面所述的方法制备的。发明人发现，该氮化镓外延结构，不需要设置缓冲层，氮化镓材料的晶体质量得到显著提高，缺陷明显减少，可靠性和使用性能得到显著改善。
在本发明的再一方面，本发明提供了一种半导体器件。根据本发明的实施例，该半导体器件包括前面所述的氮化镓外延结构。本领域技术人员可以理解，该半导体器件具有前面所述的氮化镓外延结构的所有特征和优点，在此不再一一赘述。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的生长氮化镓的方法的流程示意图。
图2显示了根据本发明另一个实施例的生长氮化镓的方法的流程示意图。
图3显示了根据本发明又一个实施例的生长氮化镓的方法的流程示意图。
图4显示了根据本发明实施例的氮化镓外延结构的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种生长氮化镓的方法。根据本发明的实施例，参照图1-图3，该方法包括以下步骤：
S100：在氢气和/或氮气气氛下，向衬底上喷洒氮化镓纳米颗粒，并对所述衬底和氮化镓纳米颗粒进行烘烤处理。
需要说明的是，本文中所采用的描述方式“在氢气和/或氮气气氛下”是指在含有氢气和氮气中的至少之一的气氛下，即可以为氢气气氛、氮气气氛或者氢气和氮气的混合气氛条件。
根据本发明的实施例，在向所述衬底上喷洒氮化镓颗粒之前，可以预先对所述衬底进行预处理，以清理衬底材料表面有机、水氧等杂质，从而为氮化镓材料提供良好的生长环境，且利于提高氮化镓的晶体质量。在本发明的一些实施例中，对衬底进行预处理可以包括：
S10：于氢气和/或氮气氛围、800-1500摄氏度、100-200mbar条件下，对所述衬底烘烤处理200-400秒。由此，可以有效清除衬底表面衬底材料表面有机、水氧等杂质，操作简单、快速，保证了良好的氮化镓生产环境，有利于提高氮化镓晶体质量。
根据本发明的实施例，可以采用的衬底的具体种类不受特别限制，可以为本领域任何已知的衬底材料，本领域技术人员可以根据需要进行选择。在本发明的一些实施例中，可以采用的衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。发明人发现，本发明的生长氮化镓的方法可以在上述衬底上快速有效地形成高质量的氮化镓晶体，晶体结构内部缺陷明显减少，且采用不同衬底可以满足不同环境和器件的使用要求。
根据本发明的实施例，可以采用的氮化镓纳米颗粒的粒径不受特别限制，本领域技术人员可以根据需要进行选择。在本发明的一些实施例中，氮化镓纳米颗粒的粒径可以为1-1000纳米，例如包括但不限于为几个纳米、十几个纳米、数十纳米或者数百纳米。在该粒径范围内，可以有效使得部分氮化镓纳米颗粒气化形成有利于GaN结晶的气体氛围，且有部分氮化镓纳米颗粒不会气化而形成成核的晶种，为氮化镓快速淀积提供附着点，进而促进形成高晶体质量的氮化镓材料。
根据本发明的实施例，对衬底和氮化镓纳米颗粒进行烘烤处理的具体条件也没有特别限制，在本发明的一些实施例中，烘烤处理可以于800-1500摄氏度、120-180mbar条件下进行250-350秒。在该条件下进行烘烤处理，可以有效使得部分氮化镓纳米颗粒气化形成利于GaN结晶的气体氛围，且有部分氮化镓纳米颗粒不会气化而为氮化镓生长提供附着点，进而能够显著提高获得的氮化镓材料的晶体质量。
S200：通入氮源和镓源，以便在所述衬底表面形成氮化镓层。
需要说明的是，本发明的生长氮化镓的方法通常实在密闭的反应腔室内进行的，因此，本文中涉及的描述方式“通入氮源和镓源”、“通入氨气”以及其他类似描述是指向反应腔室中通入相应物质。
根据本发明的实施例，可以采用的氮源和镓源的具体种类不受特别限制，只要两者之间可以有效反应生成氮化镓材料即可，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。在本发明的一些实施例中，可以采用的氮源包括但不限于氨气，可以采用的镓源包括但不限于三甲基镓(TMGa)和三乙基镓(TEGa)中的至少一种。由此，二者可以在合适的条件下快速、有效地反应得到氮化镓材料，且得到的氮化镓材料晶体质量较高。
在本发明的一些实施例中，上述步骤采用的衬底为蓝宝石(Al2O3)衬底。为了进一步改善衬底与氮化镓材料之间的晶格失配，在通入氮源和镓源形成氮化镓层之前可以进一步包括：S20：对蓝宝石衬底进行氮化处理的步骤。通过该步骤，可以将Al2O3氮化为AlN，进而降低蓝宝石衬底和氮化镓材料之间的晶格失配程度，进一步提高生长获得的氮化镓的晶体质量。
根据本发明的实施例，对蓝宝石衬底进行氮化处理可以进一步包括：于450-650摄氏度下通入氨气，并在500-700mbar条件下保温150-250秒。由此，可以有效使得蓝宝石衬底中的氧化铝氮化形成氮化铝，从而其晶体结构发生变化，与氮化镓材料之间的晶格失配程度得到改善，进而生长获得的氮化镓材料的晶体质量显著提高。
根据本发明的实施例，通入氮源和镓源，以便在所述衬底表面形成氮化镓层可以进一步包括：
S210：于450-650摄氏度下通入氮源和镓源，并在500-700mbar条件下保温150-200秒，以形成成核层；
S220：于800-1500摄氏度下通入氮源和镓源，并在500-700mbar条件下保温，以形成外延层，其中，步骤S220中通入的镓源的流量大于步骤S210中通入的镓源的流量。
通过上述步骤，可以快速、有效的在衬底上形成晶体质量高的氮化镓层，缺陷显著较少，大大降低了在变温过程中产生微裂纹等的可能，器件使用性能和可靠性明显提高。
发明人发现，本发明的该方法中，预先喷洒氮化镓纳米颗粒，在高温下部分GaN纳米颗粒分解气化形成有利于GaN快速沉积结晶的气体氛围，而剩余的GaN纳米材料则形成成核的晶种，为氮源和镓源反应提供生长GaN晶体的附着点，通入氮源和镓源后，GaN材料能以剩余的GaN颗粒为成核中心快速生长，沉积出高质量的GaN材料。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种氮化镓外延结构。根据本发明的实施例，该氮化镓外延结构是通过前面所述的方法制备的。具体而言，该氮化镓外延结构包括衬底和形成在衬底上的氮化镓层，其中，衬底和氮化镓层的详细情况与前文描述一致，在此不再赘述。发明人发现，该氮化镓外延结构，不需要设置缓冲层，氮化镓材料的晶体质量得到显著提高，缺陷明显减少，可靠性和使用性能得到显著改善。
在本发明的再一方面，本发明提供了一种半导体器件。根据本发明的实施例，该半导体器件包括前面所述的氮化镓外延结构。本领域技术人员可以理解，该半导体器件具有前面所述的氮化镓外延结构的所有特征和优点，在此不再一一赘述。
根据本发明的实施例，该半导体器件的具体种类不受特别限制，可以为任何需要氮化镓外延结构的半导体器件，例如包括但不限于LED照明器件、大功率半导体器件如金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等等。
另外，虽然本文中描述的半导体器件仅限定其包括前面所述的氮化镓外延结构，但本领域技术人员可以理解，针对某以具体器件，其还包括该器件所必需的其他部件，以本发明的半导体器件为金属场效应晶体管(MESFET)为例，其具有常规金属场效应晶体管的结构，只是其中的外延结构采用本发明的氮化镓外延结构。
下面详细描述本发明的实施例。
实施例1
利用Aixtron公司的Crius31片机MOCVD设备，选用N2、H2作为载气，NH3作为N源，TMGa作为Ga源。按图3所示生长步骤，生长如图4所示结构的GaN外延片。
a)对蓝宝石衬底3进行烘烤
对蓝宝石衬底进行高温烘烤，烘烤温度为1100℃，时间为300秒，气氛为H2，反应腔压力为150mbar。
b)向蓝宝石衬底喷洒GaN纳米材料
向反应腔通入粒径为10-6到10-9m的GaN晶体粉末，继续烘烤，时间为60s，温度为1100℃，气氛为H2，反应腔压力为150mbar。
c)蓝宝石衬底表面氮化
降低反应腔温度，并通入NH3，氮化Al2O3为AlN，时间为200s，温度为550℃，反应腔压力为600mbar。
d)GaN成核层2生长
维持反应腔温度，通入NH3和少量TMGa，开始生长GaN成核层，时间为175s，温度为550℃，反应腔压力为600mbar。
e)GaN外延层1生长
升高反应腔温度，并加大TMGa流量，开始生长GaN外延层，温度为1100℃，反应腔压力为600mbar。
对比例1
按照与实施例1相同的方法生长GaN材料，区别在于省略步骤b)，即省略向衬底喷洒GaN纳米颗粒的步骤，得到对照样品。
性能测试：对实施例1和上述获得的对照样品进行XRD摇摆曲线扫描，结果显示实施例1制备获得的氮化镓晶体002面为100arcsec以下，102面为120arcsec以下，对照样品氮化镓晶体002面为230arcsec，102面为230arcsec。上述结果说明利用本发明的方法生长获得的氮化镓材料的晶体质量明显提高。
实施例2
利用Aixtron公司的Crius31片机MOCVD设备，选用N2、H2作为载气，NH3作为N源，TMGa作为Ga源。按图3所示生长步骤，生长如图4所示结构的GaN外延片。
a)对蓝宝石衬底3进行烘烤
对蓝宝石衬底进行高温烘烤，烘烤温度为800℃，时间为400秒，气氛为H2，反应腔压力为100mbar。
b)向蓝宝石衬底喷洒GaN纳米材料
向反应腔通入粒径为10-6到10-9m的GaN晶体粉末，继续烘烤，时间为80s，温度为800℃，气氛为H2，反应腔压力为120mbar。
c)蓝宝石衬底表面氮化
降低反应腔温度，并通入NH3，氮化Al2O3为AlN，时间为250s，温度为450℃，反应腔压力为500mbar。
d)GaN成核层2生长
维持反应腔温度，通入NH3和少量TMGa，开始生长GaN成核层，时间为200s，温度为450℃，反应腔压力为500mbar。
e)GaN外延层1生长
升高反应腔温度，并加大TMGa流量，开始生长GaN外延层，温度为800℃，反应腔压力为500mbar。
实施例3
利用Aixtron公司的Crius31片机MOCVD设备，选用N2、H2作为载气，NH3作为N源，TMGa作为Ga源。按图3所示生长步骤，生长如图4所示结构的GaN外延片。
a)对蓝宝石衬底3进行烘烤
对蓝宝石衬底进行高温烘烤，烘烤温度为1500℃，时间为200秒，气氛为H2，反应腔压力为200mbar。
b)向蓝宝石衬底喷洒GaN纳米材料
向反应腔通入粒径为10-6到10-9m的GaN晶体粉末，继续烘烤，时间为40s，温度为1500℃，气氛为H2，反应腔压力为180mbar。
c)蓝宝石衬底表面氮化
降低反应腔温度，并通入NH3，氮化Al2O3为AlN，时间为150s，温度为650℃，反应腔压力为700mbar。
d)GaN成核层2生长
维持反应腔温度，通入NH3和少量TMGa，开始生长GaN成核层，时间为150s，温度为650℃，反应腔压力为700mbar。
e)GaN外延层1生长
升高反应腔温度，并加大TEGa流量，开始生长GaN外延层，温度为1800℃，反应腔压力为700mbar。
实施例4
利用Aixtron公司的Crius31片机MOCVD设备，选用N2、H2作为载气，NH3作为N源，TMGa作为Ga源。按图2所示生长步骤，生长如图4所示结构的GaN外延片。
a)对硅衬底3进行烘烤
对硅衬底进行高温烘烤，烘烤温度为1100℃，时间为300秒，气氛为H2，反应腔压力为150mbar。
b)向硅衬底喷洒GaN纳米材料
向反应腔通入粒径为10-6到10-9m的GaN晶体粉末，继续烘烤，时间为60s，温度为1100℃，气氛为H2，反应腔压力为150mbar。
c)GaN成核层2生长
维持反应腔温度，通入NH3和少量TMGa，开始生长GaN成核层，时间为175s，温度为550℃，反应腔压力为600mbar。
d)GaN外延层1生长
升高反应腔温度，并加大TMGa流量，开始生长GaN外延层，温度为1100℃，反应腔压力为600mbar。
实施例5
利用Aixtron公司的Crius31片机MOCVD设备，选用N2、H2作为载气，NH3作为N源，TMGa作为Ga源。按图2所示生长步骤，生长如图4所示结构的GaN外延片。
a)对碳化硅衬底3进行烘烤
对碳化硅衬底进行高温烘烤，烘烤温度为1100℃，时间为300秒，气氛为H2，反应腔压力为150mbar。
b)向碳化硅衬底喷洒GaN纳米材料
向反应腔通入粒径为10-6到10-9m的GaN晶体粉末，继续烘烤，时间为60s，温度为1100℃，气氛为H2，反应腔压力为150mbar。
c)GaN成核层2生长
维持反应腔温度，通入NH3和少量TMGa，开始生长GaN成核层，时间为175s，温度为550℃，反应腔压力为600mbar。
d)GaN外延层1生长
升高反应腔温度，并加大TMGa流量，开始生长GaN外延层，温度为1100℃，反应腔压力为600mbar。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种生长氮化镓的方法，其特征在于，包括：
在氢气和/或氮气气氛下，向反应腔室中通入氮化镓纳米颗粒，并对蓝宝石衬底和所述氮化镓纳米颗粒进行烘烤处理，所述烘烤处理使得部分所述氮化镓纳米颗粒气化；
对所述蓝宝石衬底进行氮化处理，所述氮化处理包括于450-650摄氏度下通入氨气，并在500-700mbar条件下保温150-250秒；
通入氮源和镓源，以便在所述衬底表面形成氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化镓纳米颗粒的粒径为1-1000纳米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘烤处理于800-1500摄氏度、120-180mbar条件下进行40-80秒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮源包括氨气，所述镓源包括三甲基镓和三乙基镓中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通入氮源和镓源，以便在所述衬底表面形成氮化镓层进一步包括：
(a)于450-650摄氏度下通入氮源和镓源，并在500-700mbar条件下保温150-200秒，以形成成核层；
(b)于800-1500摄氏度下通入氮源和镓源，并在500-700mbar条件下保温，以形成外延层；
其中，步骤(b)中通入的镓源的流量大于步骤(a)中通入的镓源的流量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在向所述衬底上喷洒氮化镓颗粒之前，预先对所述衬底进行预处理，所述预处理包括：
于氢气和/或氮气氛围、800-1500摄氏度、100-200mbar条件下，对所述衬底烘烤处理200-400秒。
7.一种氮化镓外延结构，其特征在于，是通过权利要求1-6中任一项所述的方法制备的。
8.一种半导体器件，其特征在于，包括权利要求7所述的氮化镓外延结构。
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