CN110164757A - 化合物半导体及其外延方法 - Google Patents

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Abstract

一种化合物半导体及其外延方法，该外延方法包括：调节金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比，从而在衬底上生长所述化合物半导体的第一材料层，第一材料层由所述金属有机源中的金属和非金属族源中的非金属组成的。利用本发明的外延方法，可以大大降低生长化合物半导体材料时不同反应源在输运到衬底反应之前的预反应，提高了源的利用效率，提高生长速率，同时由于预反应小，产生的络合物杂质减小，提高了材料质量，降低高温生长的缺陷密度，表面平整。

Description

化合物半导体及其外延方法
技术领域
本发明涉及半导体外延生长技术领域，尤其一种化合物半导体及其外延方法。
背景技术
化合物半导体是由两种及以上元素构成的半导体材料，如GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)、GaN(氮化镓)、AlN(氮化铝)、InN(氮化铟)、SiC(碳化硅)、ZnO(氧化锌)、Ga2O3(氧化镓)，及其三元、四元合金等，化合物半导体作为第二代和第三代半导体在当今微电子和光电子应用领域具有不可替代的地位，在光电器件主要应用包括太阳能电池、半导体照明、激光器和探测器等，在微电子方面主要应用有射频功率放大器、高压开关器件等电力电子方面。金属有机化学气相沉积(MOCVD)在化合物半导体外延方面因其良好的均匀性、重复性和适合大规模生产，是目前制备化合物半导体最广泛的外延方法，MOCVD的反应源采用有机化合物和氢化物等作为化合物生长的反应源，通过氮气和氢气等作为源的载气，以一定的流量和速率喷射入反应室。通常在常压或低压下，在一定的温度下，通过反应源之间通过热分解和化合反应等方式在衬底上进行气相外延，生成III-V族、II-VI族等化合物半导体材料。由于复杂的化学反应过程，一些化合物半导体外延的方法条件比较苛刻，有些反应源化学性能比较活泼，不同的反应源在输运过程中容易发生强烈的预反应，源的利用效率大大降低，并且产生杂质，容易形成各种缺陷，影响材料质量，而且不同反应源的输运方式也大大影响外延的成核形态、表面迁移能力以及应力大小分布等性能，目前在一些外延方法中，通常采用物理隔离、不同反应源脉冲法注入、以及降低温度等方法减小预反应，但这些方法对材料的均匀性、生长速率以及晶体质量等易产生不良影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种化合物半导体及其外延方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种化合物半导体外延方法，包括如下步骤：
调节金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比，从而在衬底上生长所述化合物半导体的第一材料层，第一材料层由所述金属有机源中的金属和非金属族源中的非金属组成的；
在衬底上生长第一材料层，所述金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比为2-20、优选5-10；
所述第一材料层的生长温度为1000-1500℃。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种采用所述的外延方法获得的化合物半导体。
基于上述技术方案可知，本发明的化合物半导体及其外延方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、利用本方法，大大降低了生长化合物半导体材料时不同反应源在输运到衬底反应之前的预反应，提高了源的利用效率，提高生长速率，同时由于预反应小，产生的络合物杂质减小，提高了材料质量，降低高温生长的缺陷密度，表面平整。
2、利用本方法生长氮化铝(AlN)半导体材料，和现有一般方法相比，生长速率可以提高三倍以上，大大提高了源的利用率，同时利用本方法得到的AlN外延薄膜，XRD扫描(102)半高宽有明显的改善，降低了100-400arcsec，(002)半高宽也有所改善，说明降低了外延层位错密度。
3、该方法方法简单，可实现高稳定性、高重复性的低位错化合物外延材料制备。
附图说明
图1为本发明实施例1中所述的AlN材料结构示意图；
图2为本发明实施例1中所述的MOCVD反应室结构及反应源进气示意图；
图3为本发明实施例1中所述的AlN材料表面原子力显微镜(AFM)扫描图；
图4为本发明实施例1中所述的AlN材料x射线衍射(102)面摇摆曲线扫描图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种化合物半导体外延方法，包括如下步骤：
调节金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比，从而在衬底上生长所述化合物半导体的第一材料层，第一材料层由所述金属有机源中的金属和非金属族源中的非金属组成的。
其中，在衬底上生长第一材料层步骤前，先在衬底上生长起缓冲作用的第二材料层；
其中，在衬底上生长第二材料层时金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比为0.5-1.5、例如为0.5、1、1.5；
其中，所述外延第二材料层中外延生长的温度为400-1000℃。
其中，在衬底上生长第一材料层，所述金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比为2-20、例如为5、7、8、10、12、15、18、20。
其中，所述第一材料层的生长温度为1000-1500℃。
其中，所述生长第一材料层时的压力为20torr-100torr。
其中，所述化合物半导体外延方法采用的装置为金属有机化学气相沉积反应装置；
其中，金属有机源和非金属族源从化学气相沉积反应装置个进气顶盘上的不同区域进入反应室；
其中，所述的区域形状包括但扇形、条形、孔形。
其中，所述金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比是通过调节金属有机源和非金属族源及其载气的量来实现的或通过调节金属有机源和非金属族源与反应室内的压力差来实现的；
其中，所述载气包括N2和H2。
其中，所述金属有机源与非金属族源是通过衬底的旋转来实现混合均匀；
其中，所述衬底的旋转转速为100-1500转/分钟，例如为800-1200转/分钟。
其中，所述的第一材料层用的材料包括氮化铝、氮化镓铝、氧化锌；
所述的第二材料层用的材料包括氮化铝、氮化镓铝、氧化锌；
其中，所述的外延方法是采用金属有机化学气相沉积方法外延生长的；
其中，所述的金属有机源包括三甲基铝、三甲基镓、三乙基铝和/或二乙基锌；非金属族源包括氨气、丙醇和/或水；
其中，所述的衬底采用的材料选自蓝宝石、氮化铝、碳化硅、氮化镓、玻璃、金属、氧化物。
本发明还公开了一种采用所述的外延方法获得的化合物半导体。
本发明提供的一种化合物半导体外延方法，是采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长化合物半导体的外延方法，这些化合物半导体的反应源采用金属有机源和非金属族源等，如生长AlN时金属有机源如三甲基铝TMAl等，非金属族源为氢化物NH3，生长ZnO时采用金属有机源采用二乙基锌等，非金属族源NO2或H2O，金属有机源和非金属族源在MOCVD反应室中以一定温度、压力和气氛下外延生长。本发明提供一种化合物半导体外延方法，包含以下特征：
生成化合物半导体的反应源为金属有机源和非金属族源，调节金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比。目前MOCVD技术外延化合物半导体时，金属有机源与非金属族源喷射入反应室的速率比为1左右，例如在外延时，生长低温缓冲层时，可以采用金属有机源与非金属族源喷射入反应室的速率比为1，在高温快速生长时，采用本发明的方法，优选地金属有机源与非金属族源喷射入反应室的速率比为2-20，这样可以在低温成核时形成三维岛状生长，降低应力并减少位错；在高温生长时，金属有机源高速喷向外延衬底，降低横向扩散几率，从而减小与非金属族源在输运过程中的预反应，提高生长速率和材料质量。
通过控制进气流量或进气压力来控制不同源进入反应室的速率。金属有机源和非金属族源从反应室进气顶盘上的不同区域进入反应室。即金属有机源和非金属族源在喷射入反应室之前是分开的，这样才能实现以不同的速率比进入反应室内，并在反应室内也以不同速率比到达衬底表面。所述的区域形状包括但不限于扇形、条形、孔型等形状的区域，金属有机源和非金属族源相互交替或由载气气体间隔喷射入反应室。由于反应室的源进气面积是一定的，因此通过控制进气流量即可控制进气速度，这样在方法生长中，通过改变源及其载气的流量总量，可以改变所述的金属有机源和非金属族源流入反应室的喷射速率比。另外对于不同的源，由于反应室内压力是相同的，分别控制金属有机源和非金属族源流入反应室之前的压力，不同压差将产生不同的喷射速率，从而控制金属有机源和非金属族源流入反应室的喷射速率比。因此该发明可以通过多种方法控制速率比，在方法上实现起来比较灵活方便。
不同速率的反应源到达外延衬底时，通过外延衬底的旋转使得相互混合和发生反应。通过衬托带动衬底高速旋转，使得从反应室进气顶盘喷射下来的反应源由垂直气流变为水平层流，提高外延层的均匀性，通过调节转速，可以调节边界层厚度，减少湍流等，从而调节生长速率，改善材料均匀性和质量。
所述的外延方法是采用金属有机化学气相沉积即MOCVD外延生长，MOCVD是目前制备化合物半导体最广泛的生长设备，可以实现材料的精确生长并适合大规模生产应用。
以下结合MOCVD生长AlN材料具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
采用常规的MOCVD反应装置，如图2所示，包括进气顶盘10，衬托20，位于衬托上的衬底30，旋转装置40带动衬托20和衬底30旋转，金属有机源采用三甲基铝(TMAl)，非金属族源采用NH3，金属有机源TMAl从进气顶盘10的区域101喷射入反应室，非金属族源NH3从进气顶盘10的区域102喷射入反应室。其中金属有机源TMAl和非金属族源NH3采用的载气是N2和H2，在材料生长时进气压力和反应室压力分别设定为800torr和50torr。
生长的AlN材料如图1所示，在蓝宝石衬底上首先生长低温的AlN缓冲层(即第二材料层)，生长温度优选500-1000摄氏度，其中通过调节从顶盘10的区域101喷射的金属有机源TMAl和区域102喷射的非金属族源NH3及其载气N2和H2的气量，使金属有机源TMAl与非金属族源NH3均以1.2m/s的速率喷射入反应室，即金属有机源TMAl与非金属族源NH3喷射入反应室的速率比为1，这样可以在低温成核时形成三维岛状生长，晶体多面生长，降低应力并通过位错的湮灭和合并，减少位错密度。通过旋转装置40带动衬托20和衬底30旋转，生长氮化铝缓冲层(即第二材料层)时，旋转速率设定为800转/分钟。旋转使得从反应室进气顶盘喷射下来的金属族源TMAl与非金属族源NH3源由垂直气流变为水平层流，并且混合均匀，改善材料的均匀性和质量。在AlN缓冲层上生长高温氮化铝层(第一材料层)，优选地生长温度1000-1500℃，通过调节从顶盘10的区域101喷射的金属有机源TMAl和区域102喷射的非金属族源NH3及其载气N2和H2的气量，使金属有机源TMAl喷射入反应室的速率为3m/s，非金属族源NH3喷射入反应室的速率设定为0.6m/s，即在生长高温AlN层(第一材料层)时金属有机源TMAl与非金属族源NH3喷射入反应室的速率比为5，由于反应源喷射速率比相比AlN缓冲层(第二材料层)高，可以通过旋转装置40提高衬托20和衬底30旋转转速，从而调节边界层厚度，减少湍流等，提高外延层的均匀性，生长高温AlN层(第一材料层)时，旋转速率设定为1200转/分钟。。该层生长速率达到1μm/h以上，金属有机源高速喷向外延衬底，降低源从顶盘10到衬底30之间输运过程中的横向扩散几率，从而减小与非金属族源在输运过程中的预反应，源的利用率提高，减少生成中间杂质产物，提高生长速率和材料质量。
本实施例所得到的AlN外延层，在原子力显微镜AFM下观察，如图3所示，其表面平整，5μm×5μm范围内均方根粗糙度小于0.3nm，可观察到二维台阶生长。用本方法生长的高温AlN的X射线衍射(XRD)其(002)面摇摆曲线半高宽低于100弧秒，(102)面半宽低于600弧秒，如图4所示，和没有采用本方法相比，XRD(002)、(102)衍射峰半高宽均有明显改善，其中(102)半高宽降低了400弧秒，采用本方法明显降低了外延AlN层中螺型和刃型位错密度，得到较高的结晶质量与光滑平整表面。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种化合物半导体的外延方法，其特征在于，包括如下步骤：
调节金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比，从而在衬底上生长所述化合物半导体的第一材料层，第一材料层由所述金属有机源中的金属和非金属族源中的非金属组成的。
2.根据权利要求1所述的外延方法，其特征在于，
在衬底上生长第一材料层步骤前，先在衬底上生长起缓冲作用的第二材料层；
作为优选，在衬底上生长第二材料层时金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比为0.5-1.5、优选1；
作为优选，所述外延第二材料层中外延生长的温度为400-1000℃。
3.根据权利要求1所述的外延方法，其特征在于，
在衬底上生长第一材料层，所述金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比为2-20、优选5-10。
4.根据权利要求1所述的外延方法，其特征在于，
所述第一材料层的生长温度为1000-1500℃。
5.根据权利要求1所述的外延方法，其特征在于，
所述生长第一材料层时的压力为20torr-100torr。
6.根据权利要求1或2所述的外延方法，其特征在于，
所述化合物半导体外延方法采用的装置为金属有机化学气相沉积反应装置；
作为优选，金属有机源和非金属族源从化学气相沉积反应装置个进气顶盘上的不同区域进入反应室；
作为进一步优选，所述的区域形状包括扇形、条形、孔形。
7.根据权利要求1或2所述的外延方法，其特征在于，
所述金属有机源与非金属族源进入反应室的速率比是通过调节金属有机源和非金属族源及其载气的量来实现的或通过调节金属有机源和非金属族源与反应室内的压力差来实现的；
作为优选，所述载气包括N2和H2。
8.根据权利要求1或2所述的外延方法，其特征在于，
所述金属有机源与非金属族源是通过衬底的旋转来实现混合均匀；
作为优选，所述衬底的旋转转速为100-1500转/分钟，优选800-1200转/分钟。
9.根据权利要求1或2所述的外延方法，其特征在于，
所述的第一材料层用的材料包括氮化铝、氮化镓铝、氧化锌；
所述的第二材料层用的材料包括氮化铝、氮化镓铝、氧化锌；
作为优选，所述的外延方法是采用金属有机化学气相沉积方法外延生长的；
作为优选，所述的金属有机源包括三甲基铝、三甲基镓、三乙基铝、二乙基锌；非金属族源包括氨气、丙醇、水；
作为优选，所述的衬底采用的材料包括蓝宝石、氮化铝、碳化硅、氮化镓、玻璃、金属、氧化物。
10.采用如权利要求1-9任一项所述的外延方法获得的化合物半导体。
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CN111455458A (zh) * 2019-09-18 2020-07-28 北京北方华创微电子装备有限公司 外延装置及应用于外延装置的进气结构
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