CN116288722A - 一种金刚石衬底GaN外延方法 - Google Patents
一种金刚石衬底GaN外延方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116288722A CN116288722A CN202310080393.0A CN202310080393A CN116288722A CN 116288722 A CN116288722 A CN 116288722A CN 202310080393 A CN202310080393 A CN 202310080393A CN 116288722 A CN116288722 A CN 116288722A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diamond
- aln
- diamond substrate
- gan
- buffer layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 104
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 104
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 72
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 claims abstract description 12
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 16
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 13
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000001534 heteroepitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 2
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
- C30B23/02—Epitaxial-layer growth
- C30B23/025—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B33/02—Heat treatment
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种金刚石衬底GaN外延方法。本发明通过在金刚石衬底上溅射生长AlN缓冲层，并形成AlN/金刚石模板，将AlN/金刚石模板进行退火处理，在退火后的AlN缓冲层上生长GaN外延层，其中，对AlN/金刚石模板退火得到单晶AlN材料，消除衬底晶向的影响，同时消除衬底带来的晶格失配和热失配，简化了金刚石上GaN的外延生长过程，降低了金刚石衬底上外延GaN的生长难度。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种金刚石衬底GaN外延方法。
背景技术
III族氮化物材料具有高禁带宽度、高电子饱和速度、良好的抗辐射能力和高温性能等特点，因而特别适合应用于光电子器件、电力电子器件、微波功率器件等。金刚石是目前自然界具有最高热导率的衬底材料(Si、SiC和金刚石的导热率分别为150，390和1200-2000W/mK)，有望在一个“高热”器件中实现近乎完美的热耗散，因此得到广泛关注和研究。作为衬底材料，金刚石可以以数百纳米的尺寸沉积在GaN信道内，使晶体管设备在工作时能够有效散热，可在相同尺寸下制造具有更大功率密度的GaN基功率器件。
然而由于GaN与金刚石存在很大的晶格失配和热失配，外延生长的温度通常在1000℃以上，在生长时需要对缓冲层进行非常仔细的优化，同时，由于大尺寸高质量金刚石单晶衬底的制备非常困难，目前人工制备的金刚石衬底大多是多晶材料，氮化物直接在其上生长时容易受衬底晶向的影响，因此在金刚石衬底上进行GaN异质外延的难度非常大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种金刚石衬底GaN外延方法，以解决现有技术中金刚石衬底上GaN外延的难度大的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述方法包括：提供金刚石衬底；
在金刚石衬底上溅射生长AlN缓冲层，形成AlN/金刚石模板；
将所述AlN/金刚石模板进行退火处理；
在退火后的AlN缓冲层上生长GaN外延层。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述金刚石衬底为单晶金刚石衬底或多晶金刚石衬底。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述金刚石衬底的厚度为50μm-1mm。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述AlN缓冲层的材料为多晶AlN材料。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述AlN缓冲层的厚度为100nm。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述AlN缓冲层经过退火处理，多晶AlN材料退火重构变为单晶AlN材料。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述将所述AlN/金刚石模板进行退火处理包括：在温度为1100℃-1700℃、压力为50mbar-1000mbar的条件下，对AlN/金刚石模板进行退火处理，退火时间为10分钟。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述在退火后的AlN缓冲层上生长GaN外延层包括：将退火后的AlN/金刚石模板放入MOCVD设备的生长反应室中，在所述生长反应室的温度为500℃-1500℃、压力为50mbar-1000mbar的条件下，通入载气、镓源和氨气，在所述AlN缓冲层上生长GaN外延层。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述通入载气、镓源和氨气，在所述AlN缓冲层上生长GaN外延层包括：通入载气的流量为72slm，通入氨气的流量为18slm，通入镓源的流量为0.2slm；通入载气、氨气和镓源的时间为30分钟。
基于第一方面，在一些实施方式中，所述GaN外延层的厚度为100nm-3μm。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：本发明通过在金刚石衬底上溅射生长AlN缓冲层，并形成AlN/金刚石模板，将AlN/金刚石模板进行退火处理，在退火后的AlN缓冲层上生长GaN外延层，其中，对AlN/金刚石模板退火得到单晶AlN材料，消除衬底晶向的影响，同时消除衬底带来的晶格失配和热失配，简化了金刚石上GaN的外延生长过程，降低了金刚石衬底上外延GaN的生长难度。
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是本发明实施例提供的一种金刚石衬底GaN外延方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的一种金刚石衬底GaN外延结构示意图；
图3是本发明实施例提供的金刚石衬底GaN外延结构变化过程示意图；
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。
在本专利的整个描述中，为了便于或简化本发明描述，描述中的“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系的术语应该理解为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的部位或配件实际必须具有的特定方位、特定的方位构造和操作顺序，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示其相对重要性、不能理解为明示或隐含所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是指三个或三个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这数值组合的缩略表示。另外，当表述某个参数为≥2的整数，则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
III族氮化物材料具有高禁带宽度、高电子饱和速度、良好的抗辐射能力和高温性能等特点，因而特别适合应用于光电子器件、电力电子器件、微波功率器件等。金刚石是目前自然界具有最高热导率的衬底材料(Si、SiC和金刚石的导热率分别为150，390和1200-2000W/mK)，有望在一个“高热”器件中实现近乎完美的热耗散，因此得到广泛关注和研究。作为衬底材料，金刚石可以以数百纳米的尺寸沉积在GaN信道内，使晶体管设备在工作时能够有效散热，可在相同尺寸下制造具有更大功率密度的GaN基功率器件。
然而由于GaN与金刚石存在很大的晶格失配和热失配，外延生长的温度通常在1000℃以上，在生长时需要对缓冲层进行非常仔细的优化，同时，由于大尺寸高质量金刚石单晶衬底的制备非常困难，目前人工制备的金刚石衬底大多是多晶材料，氮化物直接在其上生长时容易受衬底晶向的影响，因此在金刚石衬底上进行GaN异质外延的难度非常大。
有鉴于此，本发明提供了一种金刚石衬底GaN外延方法，以解决现有技术中金刚石衬底上GaN外延的难度大的问题。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种金刚石衬底GaN外延方法的实现流程图，详述如下：
在步骤101中，提供金刚石衬底。
可选的，金刚石衬底可以为单晶金刚石衬底，或多晶金刚石衬底。
可选的，金刚石衬底的厚度可以为50μm-1mm。
在本发明实施例中，采用的金刚石衬底可以为4寸大小的多晶金刚石衬底。
金刚石是自然界中热导率最高的物质，其热导率值是铜的五倍，目前人造金刚石导热率能达到2000W/mk以上，并且金刚石的线热膨胀系数可低至1.2ppm/K，金刚石由简单的碳原子组成，构成正四面体，是一种能有效传热的理想分子结构。
金刚石在横向和垂直方向上导热迅速，不仅具有绝佳的导热能力，也具有绝佳的匀热能力，使得芯片产生的热量分布均匀，并能及时导出。同时还具有优异的力学、声学、光学、电学和化学性质，使其在高功率光电器件散热问题上具有明显优势。因此当GaN基器件采用金刚石作为衬底材料时，由于金刚石绝佳的导热能力，可以快速的将器件源区产生的热量导出，给器件降温，器件的温度能够降低100℃，甚至更高，同时器件的功率密度可以提高三倍以上。
在步骤102中，在金刚石衬底上溅射生长AlN缓冲层，形成AlN/金刚石模板。
可选的，生成的AlN缓冲层的材料为多晶AlN材料。
可选的，AlN缓冲层的厚度可以为100nm。
可选的，溅射AlN缓冲层的方法包括但不限于磁控溅射、CVD(Chemical VaporEvaporation化学气象沉积技术)溅射、PVD(Physical Vapor Deposition物理气象沉淀技术)溅射、直流溅射、活性溅射、射频溅射、偏压溅射、高温溅射、真空溅射。
溅射一般是在充有惰性气体的真空系统中，通过高压电场的作用，使得氩气电离，产生氩离子流，轰击靶阴极，被溅出的靶材料原子或分子沉淀积累在半导体芯片或玻璃、陶瓷上而形成薄膜。
在本发明实施例中，溅射AlN缓冲层可以采用磁控溅射，溅射过程中气压可以控制在3-6mTorr，射频电源的功率可以为150-250W，靶材可以为纯铝。
在本发明实施例中，一种采用CVD金刚石的热导率可以高达2000W/mK，可以迅速地将器件产生的热量导出，及时的给器件降温，保持器件稳定的工作，延长器件寿命，极大地改善溅射氮化铝的晶体质量，改善了氮化铝的质量。
在步骤103中，将所述AlN/金刚石模板进行退火处理。
可选的，AlN缓冲层经过退火处理，多晶AlN材料退火重构变为单晶AlN材料。
在高温下退火让多晶AlN材料进行重构，获得高质量的单晶AlN薄膜。经过退火处理得到的单晶AlN薄膜结构，自发极化强度得以显著降低，从而避免了电子和空穴在空间中的分布不均匀引起的器件效率恶化的问题。
可选的，AlN/金刚石模板进行退火处理包括：可以在温度为1100℃-1700℃、压力为50mbar-1000mbar的条件下，对AlN/金刚石模板进行退火处理，退火时间可以为10分钟。
可选的，可以在温度为1400℃、压力为600mbar的条件下，对AlN/金刚石模板进行退火处理，退火时间为10分钟。
退火处理，主要是指将材料曝露于高温一段很长时间后，然后再慢慢冷却的热处理制程。主要目的是释放应力、增加材料延展性和韧性、产生特殊显微结构等。
退火用的设备可以为高温真空管式炉(GSL-1400X)，其配套设备有温控器、电阻炉、真空宓封装置以及真空压力表等。真空管式退火炉主要由四部分构成：真空系统、加热系统、控温系统以及气路系统。真空系统是由石英管、机械真空泵以及密封系统组成，其中石英管与气体控制系统相连接，加热温度是由热电偶和控温器控制。
在步骤104中，在退火后的AlN缓冲层上生长GaN外延层。
可选的，将退火后的AlN/金刚石模板放入MOCVD设备的生长反应室中，可以在所述生长反应室的温度为500℃-1500℃、压力为50mbar-1000mbar的条件下，通入载气、镓源和氨气，在所述AlN缓冲层上生长GaN外延层。
可选的，可以在生长反应室的温度为1060℃、压力为200mbar的条件下，通入载气、镓源和氨气。
可选的，通入载气的流量可以为72slm，通入氨气的流量可以为18slm，通入可以镓源的流量为0.2slm；通入载气、氨气和镓源的时间可以为30分钟。
可选的，GaN外延层的厚度可以为100nm-3μm。
可选的，该GaN外延层的厚度可以为200nm；由于GaN随着生长厚度的增加，晶体质量不断升高，但镓源消耗较多、成本高。综合考虑，当GaN外延层的厚度为200nm时，不仅GaN晶体质量较优，而且节省了镓源，节约了生产成本。
示例性的，MOCVD设备的生长反应室一般是由石英管和石墨基座组成，具有手动和微机操控调整温度、压力及气体流量的功能，在控制系统面板上设有阀门开关、各个管路气体流量、温度的设定、压力的设定及数字显示。
在气相色谱法中，流动相为气体，称其为载气。载气的作用是以一定的流速载带气体样品或经气化后的样品气体一起进入色谱柱进行分离，再将被分离后的各组分载入检测器进行检测，最后流出色谱系统放空或收集，载气只是起载带而基本不参于分离作用。
在本发明实施例中，载气可以为氢、氦、氮、氩、二氧化碳等中的一种或多种，通入的镓源的材料优选为三甲基镓。其中，通入的镓源可以为有机镓源的任意一种或两种以上的组合，但不限于此，有机镓源包括但不限于三甲基镓、三乙基镓。
在上面所述任一步骤中，当生成层的厚度达到厚度范围值的最大值，但通入气体的时间还未结束时，停止通入气体，并进行下一步骤；当通入气体的时间结束后，生成层的厚度并未达到厚度范围值的最小值时，则继续通入气体，一直到生成层的厚度达到厚度范围值的最小值，再停止通入气体。
参见图2，本发明实施例中还提供了一种基于上述金刚石衬底GaN外延方法生成的金刚石衬底GaN外延结构10，该金刚石衬底GaN外延结构包括金刚石衬底101、AlN缓冲层102和GaN外延层103。AlN缓冲层102形成于金刚石衬底101上；GaN外延层103形成于AlN缓冲层102上。
综上所述，步骤101-104中，金刚石衬底GaN外延结构变化过程示意图如图3所示。
由上可知，本发明通过在金刚石衬底上溅射生长AlN缓冲层，并形成AlN/金刚石模板，将AlN/金刚石模板进行退火处理，在退火后的AlN缓冲层上生长GaN外延层，其中，对AlN/金刚石模板退火得到单晶AlN材料，消除衬底晶向的影响，同时消除衬底带来的晶格失配和热失配，简化了金刚石上GaN的外延生长过程，降低了金刚石衬底上外延GaN的生长难度。
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。
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)
1.一种金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述方法包括：
提供金刚石衬底；
在金刚石衬底上溅射生长AlN缓冲层，形成AlN/金刚石模板；
将所述AlN/金刚石模板进行退火处理；
在退火后的AlN缓冲层上生长GaN外延层。
2.如权利要求1所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述金刚石衬底为单晶金刚石衬底或多晶金刚石衬底。
3.如权利要求2所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述金刚石衬底的厚度为50μm-1mm。
4.如权利要求1所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述AlN缓冲层的材料为多晶AlN材料。
5.如权利要求1所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为100nm。
6.如权利要求4所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述AlN缓冲层经过退火处理，多晶AlN材料退火重构变为单晶AlN材料。
7.如权利要求1所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述将所述AlN/金刚石模板进行退火处理包括：
在温度为1100℃-1700℃、压力为50mbar-1000mbar的条件下，对AlN/金刚石模板进行退火处理，退火时间为10分钟。
8.如权利要求1所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述在退火后的AlN缓冲层上生长GaN外延层包括：
将退火后的AlN/金刚石模板放入MOCVD设备的生长反应室中，在所述生长反应室的温度为500℃-1500℃、压力为50mbar-1000mbar的条件下，通入载气、镓源和氨气，在所述AlN缓冲层上生长GaN外延层。
9.如权利要求8所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述通入载气、镓源和氨气，在所述AlN缓冲层上生长GaN外延层包括：
通入载气的流量为72slm，通入氨气的流量为18slm，通入镓源的流量为0.2slm；通入载气、氨气和镓源的时间为30分钟。
10.如权利要求1至9任一项所述的金刚石衬底GaN外延方法，其特征在于，所述GaN外延层的厚度为100nm-3μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310080393.0A CN116288722A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 一种金刚石衬底GaN外延方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310080393.0A CN116288722A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 一种金刚石衬底GaN外延方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116288722A true CN116288722A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86833264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310080393.0A Pending CN116288722A (zh) | 2023-02-06 | 2023-02-06 | 一种金刚石衬底GaN外延方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116288722A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117080183A (zh) * | 2023-06-30 | 2023-11-17 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种金刚石-单晶AlN-GaNAlGaN复合晶圆及其制备方法和应用 |
-
2023
- 2023-02-06 CN CN202310080393.0A patent/CN116288722A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117080183A (zh) * | 2023-06-30 | 2023-11-17 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种金刚石-单晶AlN-GaNAlGaN复合晶圆及其制备方法和应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4184789B2 (ja) | Ｍ’ｎベース物質の生成装置及び生成方法 | |
| CN105655238A (zh) | 基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法 | |
| JP4818754B2 (ja) | 炭化珪素単結晶インゴットの製造方法 | |
| US11031240B2 (en) | Method for growing gallium nitride based on graphene and magnetron sputtered aluminum nitride | |
| US20060075958A1 (en) | Low basal plane dislocation bulk grown SiC wafers | |
| CN105734530B (zh) | 在石墨烯上基于磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法 | |
| CN108878266B (zh) | 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法 | |
| CN116288722A (zh) | 一种金刚石衬底GaN外延方法 | |
| CN111334856B (zh) | 用等离子体辅助分子束外延以准范德华外延生长高质量ZnO单晶薄膜的方法 | |
| JP2008110907A (ja) | 炭化珪素単結晶インゴットの製造方法及び炭化珪素単結晶インゴット | |
| CN108428618A (zh) | 基于石墨烯插入层结构的氮化镓生长方法 | |
| CN114899099A (zh) | 一种金刚石衬底上生长氮化镓高电子迁移率晶体管的外延方法 | |
| CN112687525B (zh) | 一种提高超薄氮化镓场效应管晶体质量的外延方法 | |
| CN213905295U (zh) | 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜 | |
| CN116613056B (zh) | 一种降低碳化硅外延薄膜表面缺陷的方法 | |
| CN110896024B (zh) | 碳化硅外延氧化镓薄膜方法及碳化硅外延氧化镓薄膜结构 | |
| CN110828291A (zh) | 基于单晶金刚石衬底的GaN/AlGaN异质结材料及其制备方法 | |
| CN110791805A (zh) | 一种衬底、外延片及其生长方法 | |
| CN110993505B (zh) | 基于碳化硅衬底的半导体结构制备方法及半导体结构 | |
| JP2009102187A (ja) | 炭化珪素単結晶育成用坩堝、及びこれを用いた炭化珪素単結晶の製造方法、並びに炭化珪素単結晶インゴット | |
| US6291318B1 (en) | Growth of GaN on sapphire with MSE grown buffer layer | |
| CN112687527A (zh) | 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜及其外延生长方法 | |
| CN101958236B (zh) | 一种半导体衬底及其制备方法 | |
| CN116525568A (zh) | β-氧化镓/c-砷化硼异质结构及制备方法 | |
| CN114438595B (zh) | 一种利于提高散热性的氮化镓外延生长方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |