CN109599329A - 一种硅衬底上生长氮极性iii族氮化物半导体层的方法 - Google Patents

一种硅衬底上生长氮极性iii族氮化物半导体层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，包括如下步骤：步骤S1、硅衬底的表面清洁；步骤S2、碳化硅中间层的生长；步骤S3、氮极性III族氮化物半导体层的生长，其中：所述硅衬底的上表面为（111）晶面、（100）晶面或（110）晶面的一种，所述硅衬底的表面清洁包括硅衬底的表面清洗，以及在≥1000oC下通入H2进行的表面处理。本发明的优点在于：在硅衬底上生长晶格常数匹配III族氮化物半导体层的碳化硅中间层，且通过控制生长条件可在碳化硅中间层的表面形成碳悬挂键，并搭配后续III族氮化物半导体层的生长调控，在氮气氛富集的环境下进行生长，从而可以同时实现III族氮化物半导体层的高晶体质量和氮极性。

Description

一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法。
背景技术
III族氮化物半导体材料是近年来非常热门的研究领域。以GaN、AlGaN和InGaN为主的GaN基材料所制备的发光二极管（LED），在照明和显示领域已经取得广泛的应用。另外由于GaN/AlGaN基材料的极化效应作用可形成高浓度二维电子气，从而非常适合应用于各类电力电子和高频微波器件。以上各类半导体器件中所用到的III族氮化物半导体材料的晶体结构类型为六方纤锌矿结构，在沿常规的c面法线方向生长的纤锌矿结构的晶体可以具有两种不同的原子堆垛类型。一种是金属极性晶体的生长，其表面形成为金属悬挂键，另一种是氮极性晶体的生长，其表面形成为氮悬挂键。
由于金属极性和氮极性的III族氮化物半导体材料的原子排列方式不同、极化电场方向相反，从而具有不同的物理化学性能。目前的GaN基发光二极管（LED）和GaN基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）普遍是在金属(镓)极性面上实现的，但是大量研究者从理论和实验结果证明氮极性GaN基LED和氮极性GaN基HEMT具有诸多优良特性，因此近年来氮极性GaN基材料的制备研究获得了越来越多研究人员的关注。
大量研究发现，GaN晶体生长的极性类型与衬底材料类型、以及初始晶体生长时的生长条件有明显的关联性。例如在GaN衬底和碳化硅衬底上的GaN外延生长，由于GaN晶体与衬底材料的晶格失配度非常小（GaN与碳化硅的晶格失配度为3.5%），从而衬底的极性类型能够主导后续所外延生长的GaN晶体的极性类型，因此使用氮极性GaN衬底和碳极性碳化硅衬底即可以轻易获得氮极性GaN晶体（参照下列文献：1. Zauner, A. R. A. et al.Journal of Crystal Growth 240, 14–21 (2002). 2. Sasaki, T. & Matsuoka, T.Journal of Applied Physics 64, 4531–4535 (1988).）。但是要使用晶格失配度比较大的蓝宝石衬底（GaN与蓝宝石的晶格失配度为13.8%）实现氮极性GaN晶体的生长，需要调控晶体初始生长条件（例如氮化处理）以实现衬底表面存在氮气氛的富集，从而在衬底表面存在氮悬挂键的基础上生长出的GaN晶体的原子堆垛类型可以实现氮极性（参照以下文献：Sumiya, M. et al. Journal of Applied Physics 88, 1158–1165 (2000).）。进而若要在具有更大晶格失配度的硅衬底（GaN与硅的晶格失配度为21%）上实现氮极性GaN晶体的生长，目前还未有有效方法。只有部分研究者通过用大量镁掺杂将镓极性GaN晶体转换为氮极性GaN晶体，并实现了在硅衬底上的氮极性GaN基HEMT器件（参照以下文献：Keller, S. etal. Applied Physics Letters 97, 142109 (2010).），但是这一极性转换的方法存在转换不完全、晶体表面形貌改变、以及晶体质量变差等问题。
基于硅衬底的半导体器件具有明显的成本和集成化优势，是GaN基LED和GaN基HEMT等器件衬底的最优选择，然而由于硅衬底和GaN基晶体存在巨大的晶格失配，从而目前还难以实现高晶体质量的氮极性GaN基半导体层的生长。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，解决了现有技术中由于硅衬底和GaN基晶体存在巨大的晶格失配，从而目前还难以实现高晶体质量的氮极性GaN基半导体层的生长的问题。
（二）技术方案
为实现所述目的，本发明提供如下技术方案：一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，包括以下步骤：
步骤S1、硅衬底的表面清洁：提供一硅衬底，首先经过表面清洗以去除表面的污染物，然后将硅衬底放入第一反应腔体中在高温下通入H2进行表面处理。
步骤S2、碳化硅中间层的生长：为了实现不同渗透深度和不同厚度的碳化硅中间层，可以采用两种不同的生长方式。第一种生长方式为仅通入气态碳化物和氢气，即在第一反应腔体中通入气态碳化物和氢气，并按照一定的升温速率升温至1100oC-1400oC生长碳化硅中间层，所述升温速率≥10oC/s，所述碳化硅中间层的厚度介于10-200nm之间。第二种生长方式为通入气态碳化物、气态硅化物和氢气，即在第一反应腔体中通入气态碳化物、气态硅化物和氢气，并按照一定的升温速率升温至1100oC-1400oC生长碳化硅中间层，所述升温速率≥10oC/s，所述碳化硅中间层的厚度介于10-200nm之间。
可选的，所述硅衬底的上表面为（111）晶面、（100）晶面或（110）晶面的一种。
可选的，所述气态碳化物为甲烷（CH4）、丙烷（C3H8）、乙炔（C2H2）的一种或多种的混合，所述气态碳化物占反应腔总气体的摩尔比介于0.1-10%之间；
可选的，所述气态硅化物为硅烷（SiH4）、乙硅烷（Si2H6）、六氯乙硅烷（Si2Cl6）、二氯甲硅烷（SiH2Cl2）的一种或多种的混合，所述气态硅化物占反应腔总气体的摩尔比介于0.1-10%之间。
可选的，所述碳化硅中间层的晶体结构为3C-SiC、4H-SiC或6H-SiC晶体类型的一种。当所述碳化硅中间层晶体结构为3C-SiC时，其晶体上表面为（111）晶面、（100）晶面或（110）晶面的一种，当所述碳化硅中间层晶体结构为4H-SiC或6H-SiC时，其晶体上表面为（0001）晶面或（000-1）晶面的一种。
优选的，控制所述碳化硅中间层的生长温度≥1100oC，从而保证所述碳化硅中间层表面存在碳悬挂键。
可选的，为了实现所述升温速率≥10oC/s，可以利用激光辅助加热方式来实现。
步骤S3、氮极性III族氮化物半导体层的生长，将硅衬底从第一反应腔体中取出，放入第二反应腔体中，进行III族氮化物半导体层的生长，为了实现氮极性的III族氮化物半导体层，需要调控初始生长阶段时的生长条件以达到衬底表面的氮气氛富集；所述氮极性III族氮化物半导体层包括第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层生长前,在温度≥800oC下通入氨气进行碳化硅中间层的表面处理,所述第一半导体层生长时,在五三比（V/III ratio）≥1000下,生长厚度≥0.5um的第一半导体层。随后在第一半导体层上完成第二半导体层的生长以实现完整的氮极性III族氮化物半导体层。
进一步的，为了降低碳化硅中间层的表面污染，可以通过设备改造将所述第一反应腔体和第二反应腔体合并，从而实现在同一反应腔体中的一次性连续反应生长。
综上所述，通过以上步骤制备完成的III族氮化物半导体层可以兼具高晶体质量和氮极性。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，具备以下有益效果：在硅衬底上生长晶格常数匹配的碳化硅中间层，且通过控制生长条件可在碳化硅中间层的表面形成碳悬挂键，并搭配后续III族氮化物半导体层的生长调控，在氮气氛富集的环境下进行生长，从而可以同时实现III族氮化物半导体层的高晶体质量和氮极性。
附图说明
图1 为本发明中硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的结构示意图；
图2 为本发明一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1、如图1-2所示，一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，具体包括如下步骤：
步骤S101：提供一上表面为（111）面的硅衬底，将硅衬底晶圆片放入清洗机台中使用BOE溶液进行酸洗，完成清洗后使用氮气吹扫烘干，随后将硅衬底放入MOCVD反应腔体中，向反应腔通入H2并升温至1150oC进行2min的表面H2处理,完成硅衬底的表面清洁；
步骤S102：将反应腔温度降低至50oC，改变通入反应腔的气体为丙烷摩尔比为5%的丙烷/氢气混气，使用10oC/s的升温速率将硅衬底表面快速加热至1250oC，维持1250oC温度和丙烷/氢气混气气氛下进行3min的碳化硅中间层的生长，在硅衬底表面形成50nm的上表面为（111）面的3C-SiC,完成碳化硅中间层的生长；
步骤S103：将反应腔温度降低至1050oC，并改变通入反应腔的气体为NH3气体，进行1min的表面处理以在碳化硅中间层表面形成氮气氛富集。随后将反应腔温度降低至550oC，并通入N2、H2、NH3和三甲基镓，控制V/III ratio为5000，完成厚度20nm的氮化镓缓冲层的生长；氮化镓缓冲层生长完成后关闭三甲基镓气体，并将反应腔温度升至1000-1250oC后再次通入三甲基镓气体（控制V/III ratio为1000-5000）生长厚度0.5um的氮化镓半导体层，随后在此厚度0.5um的氮化镓半导体层上完成后续III族氮化物半导体层的完整外延结构；此处生长厚度0.5um的氮化镓半导体层以及在此基础上完成的后续III族氮化物半导体层皆表现为氮极性,完成氮极性III族氮化物半导体层的生长。
实施例2、一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，具体包括如下步骤：
步骤S201：提供一上表面为（111）面的硅衬底，将硅衬底晶圆片放入清洗机台中使用BOE溶液进行酸洗，完成清洗后使用氮气吹扫烘干，随后将硅衬底放入MOCVD反应腔体中，向反应腔通入H2并升温至1150oC进行2min的表面H2处理,完成硅衬底的表面清洁；
步骤S202：将反应腔温度降低至50oC，改变通入反应腔的气体为丙烷摩尔比为5%的丙烷/氢气混气，使用10oC/s的升温速率将硅衬底表面快速加热至1250oC，维持1250oC温度和丙烷/氢气混气气氛下进行1.5min的碳化硅中间层的生长，随后将反应腔温度降低至1200oC，改变通入反应腔的气体为丙烷/硅烷/氢气混气，所述丙烷摩尔比为5%，硅烷摩尔比为5%，进行2min的碳化硅中间层的生长，在硅衬底表面形成60nm的上表面为（111）面的3C-SiC,完成碳化硅中间层的生长；
步骤S203：将反应腔温度降低至1050oC，并改变通入反应腔的气体为NH3气体，进行1min的表面处理以在碳化硅中间层表面形成氮气氛富集。随后将反应腔温度降低至550oC，并通入N2、H2、NH3和三甲基镓，控制V/III ratio为5000，完成厚度20nm的氮化镓缓冲层的生长；氮化镓缓冲层生长完成后关闭三甲基镓气体，并将反应腔温度升至1000-1250oC后再次通入三甲基镓气体（控制V/III ratio为1000-5000）生长厚度0.5um的氮化镓半导体层，随后在此厚度0.5um的氮化镓半导体层上完成后续III族氮化物半导体层的完整外延结构；此处生长厚度0.5um的氮化镓半导体层以及在此基础上完成的后续III族氮化物半导体层皆表现为氮极性,完成氮极性III族氮化物半导体层的生长。
本发明着眼于在硅衬底上直接实现氮极性III族氮化物半导体层的生长。首先在硅衬底生长碳化硅中间层，此碳化硅中间层与后续的III族氮化物半导体层具有低的晶格失配度，例如（111）面3C-SiC、（0001）面4H-SiC和（000-1）面6H-SiC与GaN的晶格失配度都为3.5%，且通过控制生长条件以在碳化硅中间层的表面形成碳悬挂键，并搭配后续III族氮化物半导体层的生长调控，从而可以同时实现III族氮化物半导体层的高晶体质量和氮极性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，包括以下步骤：
步骤S1、硅衬底的表面清洁；
步骤S2、碳化硅中间层的生长；
步骤S3、氮极性III族氮化物半导体层的生长；
其特征在于：
所述步骤S2中碳化硅中间层的生长，是使用气态碳化物和氢气在硅衬底上生长碳化硅中间层，所述碳化硅中间层的生长温度≥1100oC，所述碳化硅中间层的厚度介于10-200nm之间；
所述步骤S3中氮极性III族氮化物半导体层的生长，氮极性III族氮化物半导体层包括第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层生长前,在温度≥800oC下通入氨气进行碳化硅中间层的表面处理,所述第一半导体层生长时,在五三比（V/III ratio）≥1000下,生长厚度≥0.5um的第一半导体层，随后在第一半导体层上完成第二半导体层的生长以实现完整的氮极性III族氮化物半导体层。
2.根据权利要求1所述的一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，其特征在于：所述硅衬底的上表面为（111）晶面、（100）晶面或（110）晶面的一种。
3.根据权利要求1所述的一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，其特征在于：所述硅衬底的表面清洁包括硅衬底的表面清洗，以及在≥1000oC下通入H2进行的表面处理。
4.根据权利要求1所述的一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，其特征在于：所述气态碳化物为甲烷（CH4）、丙烷（C3H8）、乙炔（C2H2）的一种或多种的混合，所述气态碳化物占反应腔总气体的摩尔比介于0.1-10%之间。
5.根据权利要求1所述的一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，其特征在于：所述步骤S2中碳化硅中间层的生长还包括通入气态碳化物、气态硅化物和氢气在硅衬底上生长碳化硅中间层，所述碳化硅中间层的生长温度≥1100oC，所述碳化硅中间层的厚度介于10-200nm之间。
6.根据权利要求5所述的一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，其特征在于：所述的气态硅化物为硅烷（SiH4）、乙硅烷（Si2H6）、六氯乙硅烷（Si2Cl6）、二氯甲硅烷（SiH2Cl2）的一种或多种的混合，所述气态硅化物占反应腔总气体的摩尔比介于0.1-10%之间。
7.根据权利要求1所述的一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，其特征在于：所述碳化硅中间层的晶体结构为3C-SiC、4H-SiC或6H-SiC晶体类型的一种。
8.根据权利要求6所述的一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，其特征在于：所述碳化硅中间层晶体结构为3C-SiC时，其晶体上表面为（111）晶面、（100）晶面或（110）晶面的一种，当所述碳化硅中间层晶体结构为4H-SiC或6H-SiC时，其晶体上表面为（0001）晶面或（000-1）晶面的一种。
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