CN111962044A - 一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，是在MOCVD设备中进行的，包括衬底处理、缓冲层生长、GaN薄膜生长，特征是：在GaN薄膜外延生长时在含H2的气氛下通入金属有机物：三甲基铟（TMIn）。TMIn在GaN薄膜生长过程中可以分解反应室里石墨和喷头上沉积的GaN材料，加快GaN薄膜的生长速率，提高有机源的利用率，同时生长结束之后石墨和喷头干净，增加MOCVD生长的稳定性、重复性，并由此减少清理石墨和喷头的工作量，大幅降低生长成本。高温下TMIn在晶格中不容易形成In‑N键，保证了GaN薄膜的晶格结构的完整性。

Description

一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法。
背景技术
作为第三代宽禁带半导体材料，GaN 拥有大的电子饱和漂移速率和高的击穿电场，是制造大功率电子功率器件和高频微波器件的重要材料。当前，得益于 MOCVD 技术在GaN 薄膜生长技术的突破，已成功地制备出金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管（HFET）、调制掺杂场效应晶体管（MODFET）等新型器件。调制掺杂的 AlGaN/GaN 结构具有高的电子迁移率（2000 cm2/Vs）、高的饱和速度（1×107cm/s）、较低的介电常数，是制作微波器件的优选材料；GaN 具有较宽的禁带宽度（3.4eV），以SiC 或Si为衬底，具有良好的散热性能，非常有利于器件在高功率条件下工作。同时，GaN 基半导体材料具有直接带隙，其带隙可通过改变 Al和In的组分从0.7 eV（InN）调至6.2 eV（AlN），发射光谱可以在紫外到红外范围内变化，是一种理想的 LED 发光材料。GaN相关的材料及器件研究获得了迅猛发展之后，材料及器件制造的稳定性、可重复性、以及降低成本开始颇受关注。
目前，典型GaN器件结构中的主体是GaN，占了器件结构总厚度的70%以上。在生长过程中GaN材料除了沉积在衬底上之外，还会沉积在反应室内的喷头及石墨等上面，衬底外的这些产物过厚不但会导致生长的不稳定性，影响重复性，而且会给后续反应室的清理工作带来麻烦；此外，也会降低有机源的利用率。通常解决石墨和喷头上的沉积物的办法是更换石墨，将石墨放置高温炉内烘烤以去除沉积物；喷头上的沉积物到一定厚度之后需要人工清理，这对生长的稳定带来不确定性，同时也浪费设备机时，无形之间大幅增加成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效地在线清理反应室的石墨及喷头上的沉积物、提高有机源的利用率、加快生长速率、达到降低成本、提高外延生长的稳定性及可重复性、保证外延薄膜具有较高晶体质量的GaN薄膜外延生长方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，是在MOCVD设备中进行的，包括衬底处理、缓冲层生长、GaN薄膜生长，其中：通过三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）和氨气发生反应生长GaN薄膜；其特征在于：在GaN薄膜生长阶段通入作为石墨和喷头清洗剂的三甲基铟（TMIn），GaN薄膜生长阶段的载气为H2或H2和N2的混合气体。
所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅或GaN中的一种。
衬底处理的时候，温度为1100℃-1300℃，衬底处理的载气为H2、N2的一种或两种的混合气体。
生长缓冲层时通入NH3 和三甲基铝（TMAl）生长AlN缓冲层，或者通入NH3和三甲基镓（TMGa）生长GaN缓冲层，生长缓冲层的载气为H2、N2的一种或两种的混合气体，生长温度为500℃-1000℃。
在GaN薄膜生长阶段，生长温度为1100℃-1200℃。
在GaN薄膜生长阶段，系统载气为H2或者H2和N2的混合气体。
在GaN薄膜生长阶段，TMIn与TMGa或者TEGa的摩尔比范围为0.005-0.1，V族源与III族源的摩尔比范围为1000-8000。
本发明在MOCVD设备中进行，在GaN薄膜外延生长时通入三甲基铟（TMIn），可大幅减少石墨和喷头上的沉积物，加快生长速率，达到降低成本、提高外延生长的稳定性及可重复性的目的。
本发明的工作原理如下：
在生长GaN外延薄膜时，采用H2或H2和N2的混合气体作为载气，通入的金属有机物TMIn能将沉积在石墨或喷头上的GaN材料里的Ga置换出来，置换出来的Ga重新参与反应，使GaN薄膜的生长速率加快，提高了Ga源的利用率；同时生长结束之后，石墨或喷头上置换Ga之后的产物在高温下不稳定而分解（即能分解反应室里石墨和喷头上沉积的GaN材料），使得石墨和喷头上比较干净。
与其他处理喷头和石墨的方法相比，本发明的清理方法有利于增加MOCVD外延生长的重复性、稳定性，能降低喷头人工清理的频率，减少清理石墨和喷头的工作量，缩短石墨在高温炉内清理的烘烤时间，加快GaN薄膜的生长速率，提高了Ga源的利用率，大幅降低生长成本。
本发明无需对MOCVD设备增加任何设置，使用的MOCVD设备通常自带TMIn源和H2，所以本发明能充分利用设备现有的资源。
由于高温和含H2的载气下TMIn在晶格中很难形成In-N键，保证了GaN薄膜的晶格结构的完整性。
本发明可应用于发光二极管、激光二极管、功率器件、微波器件的外延结构生长中。
具体实施方式
以下具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜的外延生长方法，包括衬底处理、缓冲层生长和GaN薄膜生长，具体步骤如下：
1）把所述Si（111）衬底放入MOCVD设备的反应室中，在H2氛围下升温至1150℃，对Si（111）衬底进行10分钟烘烤，清洁Si（111）衬底表面；
2）降温至950℃，反应室的压强为100torr，同时向反应室中通入TMAl，预处理20s；
3）升温至1150℃，同时通入氨气；随后通入TMAl，生长AlN缓冲层，V/III比为270，载气为氢气，反应室的压强为50torr，厚度为1500Å；
4）在氨气保护下，将温度降至1100℃，同时向反应室中通入TMGa和TMIn，进行GaN薄膜外延生长，TMIn/TMGa摩尔比为0.01，V/III比为6000，载气为氢气，反应室的压强为100torr，薄膜厚度为2.5μm；
5）降温至室温，将GaN薄膜从MOCVD设备中取出。
实施例2：
一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜的外延生长方法，包括衬底处理、缓冲层生长和GaN薄膜生长，具体步骤如下：
1）把所述蓝宝石（001）衬底放入MOCVD设备反应室中，在H2氛围下升温至1150℃，对蓝宝石（001）衬底烘烤5分钟，清洁蓝宝石（001）衬底表面；
2）降温至550℃，反应室的压强为500torr，同时向反应室中通入TMGa和NH3，V/III比为500，H2作为载气，进行GaN缓冲层生长，厚度为25nm；
3）在NH3保护下，升温至1100℃，同时通入TMGa和TMIn，进行GaN薄膜外延生长，TMIn/TMGa摩尔量比为 0.09，V/III比为 1500，载气为氢气，反应室的压强为200torr，薄膜厚度为2.5μm；
5）降温至室温，将GaN薄膜从MOCVD设备中取出。
以上制作实例为本发明的一般实施方案，制作方法上实际可采用的制作方案是很多的，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与装饰，均属于本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，是在MOCVD设备中进行的，包括衬底处理、缓冲层生长、GaN薄膜生长，其中：通过三甲基镓或三乙基镓和氨气发生反应生长GaN薄膜；其特征在于：在GaN薄膜生长阶段通入作为石墨和喷头清洗剂的三甲基铟，GaN薄膜生长阶段的载气为H2或H2和N2的混合气体。
2.根据权利要求1所述的在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，其特征在于：衬底处理的时候，温度为1100℃-1300℃，衬底处理的载气为H2、N2的一种或两种的混合气体。
3.根据权利要求1所述的在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，其特征在于：生长缓冲层时通入NH3和 TMAl生长AlN缓冲层，或者通入NH3和TMGa生长GaN缓冲层，生长缓冲层的载气为H2、N2的一种或两种的混合气体，生长温度为500℃-1000℃。
4.根据权利要求1所述的在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，其特征在于：在GaN薄膜生长阶段，生长温度为1100℃-1200℃。
5.根据权利要求1所述的在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，其特征在于：在GaN薄膜生长阶段，系统载气为H2或者H2和N2的混合气体。
6.根据权利要求1所述的在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，其特征在于：在GaN薄膜生长阶段，TMIn与TMGa或者TEGa的摩尔比范围为0.005-0.1，V族源与III族源的摩尔比范围为1000-8000。
7.根据权利要求1所述的在线清洗石墨和喷头的GaN薄膜外延生长方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅或GaN中的一种。
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