CN109119333A - 氮化镓外延层的制备方法及氮化镓外延层 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于半导体技术领域，提供了一种氮化镓外延层的制备方法及氮化镓外延层，该方法包括：将衬底放置于反应室中，并将所述反应室的温度升高至预设温度；在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层；在所述第一氮化镓层的上表面制备金属镓；在制备所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层；进行降温处理。本发明中的制备方法工艺难度小，能够生长大尺寸的自剥离氮化镓外延层。

Description

氮化镓外延层的制备方法及氮化镓外延层
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种氮化镓外延层的制备方法及氮化镓外延层。
背景技术
氮化镓(GaN)作为宽禁带半导体材料的代表之一，具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速率高、介电常数小和热导特性好等优良特性，是制造高频大功率微电子器件、短波长光电子器件、高温器件和抗辐照器件的首选材料，近十几年来一直是半导体光电子学和微电子学领域的研究热点。
氮化镓的单晶生长很困难，目前，通常采用异质外延的方式生长氮化镓外延层，再将氮化镓外延层与异质衬底剥离，剥离后的氮化镓外延层可以转移到柔性衬底上，实现基于柔性衬底的微电子或光电子器件，或者转移到热导率更高的金刚石衬底上，提高射频和功率器件的性能。目前，常用的剥离氮化镓外延层与衬底的方法是激光剥离法，但是，这种方法需要精确控制激光波长及脉冲时间，工艺难度大。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种氮化镓外延层的制备方法及氮化镓外延层，以解决现有技术中通过激光剥离氮化镓外延层与衬底时，工艺难度大的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种氮化镓外延层的制备方法，包括：
将衬底放置于反应室中，并将所述反应室的温度升高至预设温度；
在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层；
在所述第一氮化镓层的上表面制备金属镓；
在制备所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层；
进行降温处理。
在第一方面的第一种实现方式中，所述在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层，包括：
向所述反应室通入载气、氮源和镓源，在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层。
结合第一方面的第一种实现方式，在第二种实现方式中，所述在所述第一氮化镓层的上表面制备金属镓，包括：
第一预设时间内，停止向所述反应室通入氮源和镓源，或者，第二预设时间内，停止向所述反应室通入氮源，在所述第一氮化镓层的上表面制备金属镓。
结合第一方面的第二种实现方式，在第三种实现方式中，所述第一预设时间大于或等于10秒且小于或等于5分钟；
所述第二预设时间小于或等于5分钟。
在第一方面的第四种实现方式中，所述在制备所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层，包括：
向所述反应室通入载气、氮源和镓源，在制备所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层。
在第一方面的第五种实现方式中，还包括：
在所述衬底的上表面生长缓冲层；
所述在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层，包括：
在所述缓冲层的上表面生长第一氮化镓层。
在第一方面的第六种实现方式中，所述衬底为硅衬底或碳化硅衬底。
在第一方面的第七种实现方式中，所述氮源为氨气，所述镓源为三甲基镓或三乙基镓。
在第一方面的第八种实现方式中，所述预设温度为800摄氏度至1250摄氏度。
本发明实施例的第二方面提供了一种氮化镓外延层，通过如本发明实施例第一方面所述的氮化镓外延层的制备方法制备得到。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过在衬底上生长第一氮化镓层，在第一氮化镓层上制备金属镓，再生长第二氮化镓层，然后进行降温，在降温的过程中，由于热失配，第二氮化镓层会自剥离，从而获得自剥离氮化镓外延层。本发明实施例中的制备方法工艺难度小，能够生长大尺寸的自剥离氮化镓外延层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的氮化镓外延层制备方法的实现流程示意图；
图2是本发明另一实施例提供的氮化镓外延层制备方法的示意图；
图3是本发明又一实施例提供的氮化镓外延层制备方法的示意图；
图4是本发明再一实施例提供的氮化镓外延层制备方法的实现流程示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
请参考图1，图1是本发明一实施例提供的氮化镓外延层的制备方法的实现流程示意图，该方法包括以下步骤：
步骤S101，将衬底放置于反应室中，并将所述反应室的温度升高至预设温度。
在本发明实施例中，通过化学气相沉积法或者金属有机物化学气相沉积法外延生长氮化镓。首先，清洗衬底，并将清洗后的衬底放入生长氮化镓设备的反应室中，并向反应室通入氦气、氩气、氮气和氢气的一种或多种，然后将反应室的温度升高至预设温度，其中，预设温度为氮化镓外延层的生长温度，一种实现方式中，预设温度为800摄氏度至1250摄氏度。衬底为异质衬底，包括但不限于蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底和铝氮衬底。
步骤S102，在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层。
在本发明实施例中，利用载气向反应室通入氮源和镓源。一种实现方式中，氮源为氨气，镓源为三甲基镓或三乙基镓，载气为氢气。氮源、镓源和载气也可以为其他能制备氮化镓外延层的材料，本发明实施例不做具体限定。
作为本发明的一个实施例，步骤S101之前，还包括：在所述衬底的上表面生长缓冲层；
步骤S102的实现方式为：在所述缓冲层的上表面生长第一氮化镓层。
在本发明实施例中，缓冲层为氮化铝，首先在衬底上表面生长缓冲层，再生长第一氮化镓层，缓冲层能够有效降低衬底与第一氮化镓缓冲层之间的晶格失配。
步骤S103，在所述第一氮化镓层的上表面制备金属镓。
在本发明实施例中，在第一预设时间内，停止向反应室通入氮源和镓源，或者，第二预设时间内，停止向反应室通入氮源，生长的第一氮化镓层中的氮化镓会在高温下分解，分解出的氮元素析出，分解出的镓元素会残留在第一氮化镓层的上表面形成金属镓。如图2和图3所示，在衬底11上生长第一氮化镓层12，在第一氮化镓层12的表面制备金属镓13。一种实现方式中，如图2所示，金属镓为镓薄膜131，其中，镓薄膜131可以完全覆盖第一氮化镓层12也可以不完全覆盖第一氮化镓层12。另一种实现方式中，如图3所示，金属镓为一个或多个镓岛132。
作为本发明的一个实施例，所述第一预设时间大于或等于10秒且小于或等于5分钟；所述第二预设时间小于或等于5分钟。
在本发明实施例中，停止向反应室通入氮源和镓源的时间大于5分钟时，会导致第一氮化镓层表面刻蚀过于粗糙，后续生长第二氮化镓层时无法快速长好，影响晶体质量，小于10秒时，会导致金属镓过少，影响后续第二氮化镓层的自剥离，或者，停止向反应室通入氮源的时间大于5分钟时，会导致金属镓过多影响后续生长第二氮化镓层的质量。
步骤S104，在制备所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层。
在本发明实施例中，利用载气向反应室通入氮源和镓源，生长第二氮化镓层。优选的，氮源为氨气，镓源为三甲基镓或三乙基镓，载气为氢气。氮源、镓源和载气也可以为其他能制备氮化镓外延层的材料，本发明实施例不做具体限定。第二氮化镓层与第一氮化镓层之间由于有金属镓，使第二氮化镓层与第一氮化镓层之间的界面处成键比较弱。
步骤S105，进行降温处理。
在本发明实施例中，将反应室的温度自然降温至室温，降温过程中，由于热失配，第一氮化镓层和第二氮化镓层会与衬底之间产生很大的应力，该应力会使生长的第二氮化镓层与第一氮化镓层剥离，获得氮化镓外延层。
作为本发明的一个实施例，衬底为碳化硅衬底或硅衬底。在降温过程中，由于热失配，碳化硅衬底或硅衬底会与第一氮化镓层和第二氮化镓层之间产生很大的张应力，由于第一氮化镓层与第二氮化镓层之间形成金属镓，使第一氮化镓层和第二氮化镓层之间的界面处成键比较弱，在张应力的作用下，第二氮化镓层更容易剥离。
本发明实施例通过在衬底上生长第一氮化镓层，在第一氮化镓层上形成金属镓，再生长第二氮化镓层，然后进行降温，在降温的过程中，由于热失配，第二氮化镓层会自剥离，从而获得自剥离氮化镓外延层。本发明实施例中的制备方法工艺难度小，能够生长大尺寸的自剥离氮化镓外延层。
请参考图4，图4是本发明一实施例提供的氮化镓外延层的制备方法的实现流程示意图，该方法包括以下步骤：
步骤S201，将衬底放置于反应室中，并将所述反应室的温度升高至预设温度。
步骤S202，向所述反应室通入载气、氮源和镓源，在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层。
步骤S203，第一预设时间内，停止向所述反应室通入氮源和镓源，或者，第二预设时间内，停止向所述反应室通入氮源，在所述第一氮化镓层的表面制备金属镓。
步骤S204，向所述反应室通入载气、氮源和镓源，在生长所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层。
步骤S205，将所述反应室的温度自然降温至室温。
本发明实施例通过在衬底上生长第一氮化镓层，在第一氮化镓层上形成金属镓，再生长第二氮化镓层，然后进行降温，在降温的过程中，由于热失配，第二氮化镓层会自剥离，从而获得自剥离氮化镓外延层。本发明实施例中的制备方法工艺难度小，能够生长大尺寸的自剥离氮化镓外延层。
本发明一实施例提供一种氮化镓外延层的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将衬底放置于反应室中，并将反应室的温度升高至1200摄氏度。
步骤2、向所述反应室通入氢气、氨气和三甲基镓，在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层。
步骤3、在1分钟内，停止向所述反应室通入氨气和三甲基镓，形成镓膜或镓岛。
步骤4、继续向反应室通入氢气、氨气和三甲基镓，生长第二氮化镓层。
步骤5、将反应室的温度自然降温至室温。
本发明实施例通过在衬底上生长第一氮化镓层，在第一氮化镓层上形成金属镓，再生长第二氮化镓层，然后进行降温，在降温的过程中，由于热失配，第二氮化镓层会自剥离，从而获得自剥离氮化镓外延层。本发明实施例中的制备方法工艺难度小，能够生长大尺寸的自剥离氮化镓外延层。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本发明一实施例提供一种氮化镓外延层，该外延层通过如上述任一实施例所述的氮化镓外延层的制备方法制备得到，并具有上述任一实施例所具有的有益效果。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，包括：
将衬底放置于反应室中，并将所述反应室的温度升高至预设温度；
在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层；
在所述第一氮化镓层的上表面制备金属镓；
在制备所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层；
进行降温处理。
2.如权利要求1所述的氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层，包括：
向所述反应室通入载气、氮源和镓源，在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层。
3.如权利要求2所述的自剥离氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，所述在所述第一氮化镓层的上表面制备金属镓，包括：
第一预设时间内，停止向所述反应室通入氮源和镓源，或者，第二预设时间内，停止向所述反应室通入氮源，在所述第一氮化镓层的上表面制备金属镓。
4.如权利要求3所述的氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，所述第一预设时间大于或等于10秒且小于或等于5分钟；
所述第二预设时间小于或等于5分钟。
5.如权利要求1所述的氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，所述在制备所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层，包括：
向所述反应室通入载气、氮源和镓源，在制备所述金属镓后的衬底的上表面生长第二氮化镓层。
6.如权利要求1所述的自剥离氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述衬底的上表面生长缓冲层；
所述在所述衬底的上表面生长第一氮化镓层，包括：
在所述缓冲层的上表面生长第一氮化镓层。
7.如权利要求1所述的氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底或碳化硅衬底。
8.如权利要求2至5任一项所述的氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，所述氮源为氨气，所述镓源为三甲基镓或三乙基镓。
9.如权利要求1至7任一项所述的氮化镓外延层的制备方法，其特征在于，所述预设温度为800摄氏度至1250摄氏度。
10.一种氮化镓外延层，其特征在于，通过如权利要求1至9任一项所述的氮化镓外延层的制备方法制备得到。
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