CN117059478A - GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法 - Google Patents

GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117059478A
CN117059478A CN202311321918.1A CN202311321918A CN117059478A CN 117059478 A CN117059478 A CN 117059478A CN 202311321918 A CN202311321918 A CN 202311321918A CN 117059478 A CN117059478 A CN 117059478A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gan substrate
gan
source
layer
growth
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.)
Granted
Application number
CN202311321918.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117059478B (zh
Inventor
孙浩凯
张育民
王建峰
徐科
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN202311321918.1A priority Critical patent/CN117059478B/zh
Publication of CN117059478A publication Critical patent/CN117059478A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117059478B publication Critical patent/CN117059478B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02387—Group 13/15 materials
    • H01L21/02389—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/301—AIII BV compounds, where A is Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C23C16/303—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/0257—Doping during depositing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02631—Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02634—Homoepitaxy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明公开一种GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法，GaN基板的制备方法包括：提供一非掺杂GaN衬底，GaN衬底有相背设置的第一表面和第二表面，第一表面为N面，第二表面为Ga面；在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长Mg掺杂GaN层，Mg掺杂GaN层有与第二表面相邻的第三表面和与第三表面相背的第四表面，第三表面为Ga面，第四表面为N面。本发明实现对GaN基板的保护。

Description

GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法。
背景技术
高质量的GaN单晶是制备光电、射频和大功率器件的理想衬底。东京农工大学的Koukitu等人发明了一种新型的GaN单晶制备技术，称为三卤化物气相外延（THVPE），这种方法使用GaCl3作为Ga源，NH3作为N源在衬底表面反应沉积GaN晶体。GaN的THVPE沉积反应在大于1300℃的高温下有较大的生长驱动力，能同时实现高速率、高质量的GaN单晶生长。当进行GaN的THVPE同质外延生长时，GaCl3在GaN不同晶面上的吸附和沉积具有选择性：GaCl3可以在N面上吸附并沉积，而不能在Ga面上实现有效吸附。所以一般在N面GaN衬底上THVPE同质生长GaN单晶。由于THVPE的生长温度较高（1200℃~1450℃），且沉积区有残余的腐蚀性气体Cl2，使得生长过程中GaN衬底背面（Ga面）发生剧烈的热分解，导致目前难以进行长期且稳定的GaN单晶的THVPE生长，因此需要对衬底进行保护。现有技术中通过在GaN衬底背面MOCVD外延AlN复合膜来实现在THVPE生长环境中对衬底的保护。这里的AlN复合膜的结构为AlN/低温AlN（LT-AlN）/GaN，通过LT-AlN缓冲层缓解GaN衬底和AlN保护层间的晶格失配和热失配，弛豫层间应力，从而抑制高温生长环境下AlN层的开裂现象。然而将外延后的基板放入THVPE高温生长环境中，AlN层仍然容易发生开裂，难以实现对GaN衬底的Ga面的保护效果。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种GaN基板的制备方法，所述方法包括：
S1、提供一非掺杂GaN衬底，所述GaN衬底具有相背设置的第一表面和第二表面，所述第一表面为N面，所述第二表面为Ga面；
S2、在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长Mg掺杂GaN层，所述Mg掺杂GaN层具有与第二表面相邻的第三表面和与第三表面相背的第四表面，所述第三表面为Ga面，所述第四表面为N面，所述第四表面与第一表面相背设置。
一个或多个实施例中，所述Mg掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度大于或等于1×1020 cm-3。
一个或多个实施例中，所述Mg掺杂GaN层通过MBE、MOCVD、HVPE中任意一种工艺制备而得。
一个或多个实施例中，所述Mg掺杂GaN层通过MBE工艺制备而得，所述MBE工艺具体为：
在MBE腔室中通入N源、Ga源和Mg源，Mg源流量和Ga源流量之比为（0.04~0.41）:1，在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长厚度为1nm~20nm的Mg掺杂GaN层。
一个或多个实施例中，所述Mg源的流量和Ga源的流量的比值为（0.35~0.41）:1。
一个或多个实施例中，所述Mg源的流量为0.04 ML/s~0.41 ML/s，所述Ga源的流量为1 ML/s。
一个或多个实施例中，所述步骤S2之前还包括：
在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长厚度为0.5μm~10μm的第一非掺杂GaN层。
一个或多个实施例中，所述步骤S2之后还包括：
在Mg掺杂GaN层的第四表面上外延生长厚度为2μm~10μm的第二非掺杂GaN层。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种GaN基板，所述GaN基板通过前述的制备方法制备而得，所述GaN基板具有相背设置的第一表面和第五表面，所述第一表面和第五表面均为N面。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种GaN基板的外延生长方法，所述方法包括：
S1、提供权利要求6所述的GaN基板；
S2、将GaN基板置于THVPE生长装置的腔室中，通过THVPE工艺在GaN基板的第一表面和第五表面上分别外延生长第一GaN外延层和第二GaN外延层。
一个或多个实施例中，所述THVPE生长装置包括：
中空的壳体，所述壳体包括若干进气口和排气口，所述进气口和排气口之间设有供气体流动的气体流道；
基座，固定安装于所述壳体的内壁上；
样品夹具，固定安装于所述基座上，用于夹持所述GaN基板，所述GaN基板的第一表面和第五表面均暴露于气体流道中，所述样品夹具设有夹持槽，所述夹持槽所在平面垂直于所述壳体轴向；
感应加热装置，套设于所述壳体上。
一个或多个实施例中，所述基座沿垂直于所述壳体轴向固定安装于所述壳体的内壁上，所述基座的底部与所述内壁具有间隙，所述样品夹具包括相对设置的第一环板和第二环板，所述第一环板和/或第二环板滑动安装于所述基座上，所述第一环板和第二环板围合形成夹持槽。
一个或多个实施例中，所述THVPE生长装置还包括沿壳体轴向设置的支撑杆，所述基座固定安装于所述支撑杆上，所述样品夹具包括固定安装于所述基座上且沿壳体轴向延伸设置的若干夹爪，所述夹持槽包括若干夹持部，所述夹持部设于夹爪上，所述夹持部与所述基座之间具有间隙。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种GaN基板的制备方法，通过GaN衬底的第二表面上生长极性反转的Mg掺杂GaN层，以形成两相反面均为N面的GaN基板，可在GaN基板的两个相反面均进行THVPE同质生长GaN单晶，可避免高温下Cl2的化学腐蚀以及高温环境导致的热分解；且随着生长过程的进行，GaN衬底两个相反面外延生长的GaN单晶的厚度增大，对GaN基板的保护效果也逐渐增强，实现了对GaN基板的有效保护；
本发明提供一种GaN基板，可在THVPE生长环境下，对GaN基板进行保护，避免表面开裂、破损或腐蚀；
本发明提供一种GaN基板的外延生长方法，提供将GaN基板放置于THVPE生长装置中，使得GaN基板的第一表面和第五表面均暴露于生长气氛中，在THVPE的高温生长环境中，GaN基板的两相反面都能发生GaN单晶的生长，从而实现对GaN基板的保护；
本发明可用第一GaN外延层或第二GaN外延层代替AIN层作为保护膜材料，从根本上解决了GaN和保护膜间的晶格失配和热失配的问题；即便保护膜和GaN衬底间有一层极薄的Mg掺杂GaN层，它对晶格失配和热失配的影响非常小，可以忽略不计，从而确保在THVPE的任意生长温度下，保护膜不会出现开裂或破损；
本发明提供一种THVPE生长装置，基座底部与内壁之间具有间隙，使更多的生长气氛流到GaN基板背离进气口的表面上，提高GaN基板背离进气口的表面上的GaN单晶生长速率，实现对GaN衬底的有效保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中GaN基板的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二中GaN基板的结构示意图；
图3为本发明实施例三中GaN基板的外延生长方法的流程示意图；
图4为本发明实施例三中THVPE生长装置的主视结构示意图；
图5为本发明实施例三中THVPE生长装置的侧视结构示意图；
图6为本发明实施例三中基座、样品夹具、及GaN基板的主视结构示意图；
图7为本发明实施例四中THVPE生长装置的主视结构示意图；
图8为本发明实施例四中THVPE生长装置的侧视结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本案，其仅为了区别以相同技术用语描述的组件或操作。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了在THVPE（tri-halide vapor phase epitaxy，三卤化物气相外延）生长环境中对GaN衬底的Ga面形成保护，避免Ga面发生剧烈的热分解，现有技术中通过在GaN衬底背面MOCVD外延AlN复合膜来实现在THVPE生长环境中对衬底的保护。然而，GaN的晶格常数（a=0.3189 nm）大于AlN（a=0.3112 nm），且GaN的热膨胀系数（5.59×10-6 K-1）大于AlN（3.17×10-6 K-1），所以AlN在高温下受张应力，且在THVPE高温生长环境（1200℃~1450℃）下AlN保护层所承受的热应力要远大于MOCVD生长环境（800℃~1200℃）下的热应力，导致THVPE生长环境下AlN层更容易开裂。尽管AlN和GaN之间的晶格失配和热失配相对较小，AlN保护层还是难以承受高温下的张应力，易发生开裂。
为了解决上述问题，本发明创造性地提出了一种GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法，解决因GaN衬底和保护膜间的晶格失配和热失配而使保护膜所受热应力过大，导致保护膜开裂的问题，从而提升在THVPE高温生长环境中对GaN衬底的保护效果，实现长期且稳定的GaN的THVPE生长。
参照图1所示，本发明提供一种GaN基板的制备方法，该方法包括：
S1、提供一非掺杂GaN衬底，GaN衬底具有相背设置的第一表面和第二表面，第一表面为N面，第二表面为Ga面；
S2、在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长Mg掺杂GaN层，Mg掺杂GaN层具有与第二表面相邻的第三表面和与第三表面相背的第四表面，第三表面为Ga面，第四表面为N面，第四表面与第一表面相背设置。
其中，Mg掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度大于或等于1×1020 cm-3。
Mg掺杂GaN层通过MBE （molecular beam epitaxy, 分子束外延）、MOCVD（metal-organic chemical vapor deposition，金属有机化学气相沉积）、HVPE（hydride vaporphase epitaxy，氢化物气相外延）中任意一种工艺制备而得。
优选地，当Mg掺杂GaN层通过MBE工艺制备而得。为了在达到所需的Mg重掺浓度，主要的方法是增大Mg的相对流量。MBE工艺具体为：在MBE腔室中通入N源、Ga源和Mg源，Mg源流量和Ga源流量之比为（0.04~0.41）:1，在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长厚度为1nm~20nm的Mg掺杂GaN层。
为了实现极性的快速反转（即使反转畴尽可能薄），减弱可能出现的内应力，Mg源的流量和Ga源的流量的比值为（0.35~0.41）:1。
进一步的，S2之前还包括：在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长厚度为0.5μm~10μm的第一非掺杂GaN层。
进一步的，S2之后还包括：在Mg掺杂GaN层的第四表面上外延生长厚度为2μm~10μm的第二非掺杂GaN层。
下面通过具体实施例介绍本发明的GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法：
实施例一：
1、提供一非掺杂GaN衬底，该非掺杂GaN衬底可通过HVPE法、氨热法、助溶剂法中任意一种工艺制备而得，将该非掺杂GaN衬底放置于MBE腔室中，该非掺杂GaN衬底的第一表面向下，第二表面向上设置。
2、持续通入N源和Ga源，腔室温度升温至800℃时，在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长厚度为1 μm的第一非掺杂GaN层，该第一非掺杂GaN层向上的表面为Ga面，为后续步骤的Mg掺杂GaN层的生长提供稳定、清洁的表面。
其中，金属源（Ga源及Mg源）为高纯度单质源，N源为氨气或等离子氮，优选为氨气，氨气的流量为50 sccm。
3、持续通入N源、Ga源和Mg源，控制Mg源的流量和Ga源的流量的比值范围为（0.04~0.41）:1，在第一非掺杂GaN层上外延生长厚度为1nm~20nm的Mg掺杂GaN层，该Mg掺杂GaN层呈极薄的锯齿状。GaN掺杂Mg后会快速发生由Ga极性转变为N极性的极性反转，因此该Mg掺杂GaN层具有与第二表面相邻的第三表面和与第三表面相背的第四表面，第三表面为Ga面，第四表面为N面，第四表面与第一表面相背设置，第三表面与第二表面相贴合，Mg掺杂GaN层的极性反转是完全的，反转后形成Mg掺杂GaN层的第三表面不会混入N面GaN，第四表面不会混入Ga面GaN。
本实施例中的Mg源的流量为0.04 ML/s~0.41 ML/s，Ga源的流量为1 ML/s。
需要说明的是，流量的描述方法为：用沉积到衬底表面的原子数量来描述金属源的流量，单位是ML（monolayer）/s或atoms/（cm2·s），其中的单位转换关系为1 ML=1.14×1015 atoms/cm2。
当然，在其他实施例中也可以为Mg源的流量为0.08 ML/s~0.82 ML/s，Ga源的流量为2 ML/s。
需要注意的是，生长Mg掺杂GaN层时，因为GaN发生Ga面转变为N面时需要一定的Mg覆盖浓度才能实现，同时Mg源的加热温度和Mg源的流量是一一对应的关系，因此Mg的加热温度很关键。当Mg源的流量为0.04 ML/s~0.41 ML/s时，Mg的加热温度为240℃~300℃。
当Mg的加热温度小于或等于230℃时，Mg流量很小，不会发生极性反转；而当Mg的加热温度在240℃~300℃区间内，对应的Mg流量为0.04ML/s~0.41ML/s，此时GaN会发生极性反转。在240℃~300℃区间内，随着温度的降低，Mg的加热温度为300℃时所呈现的清晰的晶面消失，Mg掺杂GaN层的厚度增大（Mg的加热温度为240℃时，Mg掺杂GaN层的厚度可扩展到100 nm）。从后续GaN基板的保护效果考虑，GaN基板中的Mg掺杂GaN层较薄的情况下，可减小高温环境下GaN基板的内部热应力。而更高的Mg的加热温度大于300℃时，会使掺杂效率降低，表面形貌变差，所以这里优选Mg的加热温度为300℃，以实现Mg掺杂GaN层极性的快速反转，同时保持较高的晶体质量。
优选的，为了实现极性的快速反转，减弱可能出现的内应力，本实施例中的Mg流量为0.35 ML/s~0.41 ML/s（对应的Mg源温度为280℃~300℃），而Ga源的流量保持大致不变为1 ML/s。
4、最后，持续通入N源和Ga源，并关闭Mg源，在Mg掺杂GaN层的第四表面上外延生长厚度为2μm~10μm的第二非掺杂GaN层。生长第二非掺杂GaN层的目的不仅是为了保存已经实现的极性反转，还能为通过GaN基板的制备方法制得的GaN基板放入THVPE腔室后，在生长前的高温环境下为Mg掺杂GaN层提供一定的隔热保护。研究表明1300℃下位错密度较低（≤106 cm-2）的高质量的Mg掺杂GaN层不会发生明显的Mg扩散。
实施例二：
参照图2所示，本发明提供一种GaN基板，该GaN基板通过实施例一中的制备方法制备而得，GaN基板具有相背设置的第一表面和第五表面，第一表面和第五表面均为N面。可在THVPE生长环境下，对GaN基板进行保护，避免表面开裂、破损或腐蚀。其中，GaN基板的第一表面即为非掺杂GaN衬底的第一表面；GaN基板的第五表面可以为Mg掺杂GaN层的第四表面，GaN基板的第五表面也可以为第二非掺杂GaN层背离Mg掺杂GaN层的表面，这是本领域技术人员能够理解并接受的。
实施例三：
参照图3所示，本发明提供一种GaN基板的外延生长方法，该方法包括：
S101、提供GaN基板；
S102、将GaN基板置于THVPE生长装置的腔室中，通过THVPE工艺在GaN基板的第一表面和第五表面上分别外延生长第一GaN外延层和第二GaN外延层。
其中，步骤S101中的GaN基板为实施例二中所述的GaN基板。
可以理解的是，该GaN基板的相背设置的第一表面和第五表面均为N面，因此在THVPE同质外延生长时，GaCl3可以在N面上吸附并沉积，可在GaN基板的相背设置的第一表面和第五表面上均进行THVPE同质生长GaN单晶。据此设计，可避免GaN基板的第一表面和第五表面在高温环境（1200℃~1450℃）的热分解和被腐蚀性气体Cl2化学分解。
具体地，参照图4所示，本实施例中的THVPE生长装置包括：中空的壳体1，壳体1包括若干进气口和排气口11，进气口和排气口11之间设有供气体流动的气体流道；基座2，固定安装于壳体1的内壁上；样品夹具3，固定安装于基座2上，用于夹持GaN基板4，GaN基板4的第一表面和第五表面均暴露于气体流道中，样品夹具3设有夹持槽，夹持槽所在平面垂直于壳体1轴向；感应加热装置5，套设于壳体1上。其中，感应加热装置5包括多个套设于壳体1上的环形线圈。其中，靠近进气口的第一GaN外延层为外延生长的GaN同质外延层，靠近排气口11的第二GaN外延层可作为保护GaN基板的保护膜。
需要解释的是，为了进行THVPE生长GaN，还需向壳体1内导入THVPE生长所需要的Ga源和N源，在THVPE生长装置使用的Ga源为GaCl3，N源为NH3，本实施例中的进气口至少有3个，通过第一个进气口通入载气（如附图4所示，CG为载气）和GaCl3，载气为纯N2，通过第二个进气口通入载气（如附图4所示，CG为载气）和 NH3，载气为纯N2，载气用于导流，便于加快GaCl3和NH3在壳体1中流动。为了进一步的加快GaCl3和NH3在壳体1中流动，在第三个进气口中通入吹扫气体（如附图4所示，PG为吹扫气体），优选地，吹扫气体为纯N2。
据此设计，可将GaN基板4的第一表面和第五表面均暴露在气氛中，GaN基板4两侧的N面在THVPE生长气氛中都能生长GaN外延层，其中朝向进气口的表面上外延生长是实际生产的THVPE GaN同质外延层，靠近排气孔的表面上外延生长GaN外延层，起到了保护GaN衬底的作用。
其中，参照图5、图6所示，本实施例中的样品夹具3包括相对设置的第一环板31和第二环板32，第一环板31和第二环板32滑动安装于基座2上，第一环板31和第二环板32围合形成夹持槽。本实施例中的第一环板31和第二环板32的中部均中空设置，因此，当夹持GaN基板4时，可将GaN基板4的部分第一表面和部分第五表面暴露于生长气氛中，优选地，夹持GaN基板4的过程中，将非掺杂GaN衬底正对进气口设置，将外延生长的第二非掺杂GaN层背对进气口设置。由于第一环板31和第二环板32滑动安装于基座2上，因此第一环板31和第二环板32之间的间距可以调节，因此可以在第一环板31和第二环板32之间夹持不同厚度的GaN基板4。
为了实现第一环板31和第二环板32滑动安装于基座2上的技术效果，可在第一环板31上设有滑块，基座2上设置滑槽，滑块与滑槽相互配合，以实现环板朝向进风口或远离进风口的运动。
当然，本发明不局限于此，当只有第一环板31或第二环板32滑动安装于基座2上，亦可实现相同的技术效果，且没有脱离本发明的设计思想和宗旨，因此本领域的技术人员应当理解，这些技术方案均应在本发明的保护范围内。
进一步的，若想夹持不同大小的GaN基板4，可以选择不同尺寸的第一环板31和第二环板32。
参照图5所示，本实施例中的基座2沿垂直于壳体1轴向固定安装于壳体1的内壁上，基座2的底部与内壁具有间隙。基座2连接壳体1内壁和样品夹具3，在确保对样品夹具3提供牢固支撑的前提下，将基座2设置为底部与内壁之间具有间隙的形状，如桥梁状，可使得基座2下方有部分气流通过，以便于GaN基板4两侧的N面可在THVPE生长气氛中都能生长GaN。经实验表明，生长气氛主要流动到非掺杂GaN衬底的表面进行吸附，只有少量气源会流动到第二非掺杂GaN层的表面，因此，基座2的底部与内壁之间具有间隙，有利于更多的生长气氛流动到GaN远离进气口的表面进行吸附沉积，使高温生长环境下，GaN基板4远离进气口的表面GaN沉积速率大于分解速率，从而实现对GaN衬底的有效保护。
优选地，本实施例中的第一环板31为第一石墨环板，第二环板32为第二石墨环板。由于第一石墨环板和第二石墨环板可被感应加热且将热量传到至GaN基板4，可更好地在GaN基板4上外延生长GaN外延层。
当然，本发明不局限于此，只有第一环板31为第一石墨环板或第二环板32为第二石墨环板，均可实现本发明的目的，且没有脱离本发明的设计思想和宗旨，因此本领域的技术人员应当理解，这些技术方案均应在本发明的保护范围内。
进一步地，本实施例中的第一环板31和第二环板32上均包覆有PBN膜。由于PBN膜有较好的耐热和耐腐蚀的特性，因此可以对样品夹具3进行保护，避免第一环板31和第二环板32被腐蚀性气体腐蚀。
当然，本发明不局限于此，只有第一环板31上包覆有PBN膜或第二环板32上包覆有PBN膜，均可一定程度地对样品夹具3进行耐腐蚀保护，而实现本发明的目的，且没有脱离本发明的设计思想和宗旨，因此本领域的技术人员应当理解，这些技术方案均应在本发明的保护范围内。
实施例四：
与实施例三的不同之处在于：参照图7、图8所示，THVPE生长装置还包括沿壳体1轴向设置的支撑杆6，基座2固定安装于支撑杆6上，样品夹具3包括固定安装于基座2上且沿壳体1轴向延伸设置的若干夹爪33，夹持槽包括若干夹持部，夹持部设于夹爪33上，夹持部与基座2之间具有间隙。
本实施例中的夹持部的宽度可调节，因此可夹持不同厚度的GaN基板4。多个夹持部所在平面与基座2之间具有间隙，可将GaN基板4夹持于夹持槽中且GaN基板4远离进气口的表面与基板的表面之间具有间隙，以便于在GaN基板4远离进气口的表面上进行GaN的外延生长，与此同时，由于GaN基板4朝向进气口的表面直接接触进入壳体1的生长气氛，因此GaN基板4的两个相反面可同时生长GaN。需要注意的是，在GaN基板4远离进气口的表面的外延生长层的表面与基座2相贴合时，外延生长层与基座2相贴合的表面就不再和生长气氛相接触，受到基座2上传导的高温影响，外延生长层与基座2相贴合的表面的部分又会受热分解，分解后，外延生长层的表面又暴露于生长气氛中，如此往复循环，在GaN基板4远离进气口的表面维持了外延生长GaN并分解GaN的动态平衡。
优选的，为了尽快达到这种动态平衡，从而使GaN基板4达到相对稳定的受热状态，本实施例中的GaN基板4远离进气口的表面与基板的表面之间的间隙需尽可能小。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种GaN基板的制备方法，通过GaN衬底的第二表面上生长极性反转的Mg掺杂GaN层，以形成两相反面均为N面的GaN基板，可在GaN基板的两个相反面均进行THVPE同质生长GaN单晶，可避免高温下Cl2的化学腐蚀以及高温环境导致的热分解；且随着生长过程的进行，GaN衬底两个相反面外延生长的GaN单晶的厚度增大，对GaN基板的保护效果也逐渐增强，实现了对GaN基板的有效保护；
本发明提供一种GaN基板，可在THVPE生长环境下，对GaN基板进行保护，避免表面开裂、破损或腐蚀；
本发明提供一种GaN基板的外延生长方法，提供将GaN基板放置于THVPE生长装置中，使得GaN基板的第一表面和第五表面均暴露于生长气氛中，在THVPE的高温生长环境中，GaN基板的两相反面都能发生GaN单晶的生长，从而实现对GaN基板的保护；
本发明可用第一GaN外延层或第二GaN外延层代替AIN层作为保护膜材料，从根本上解决了GaN和保护膜间的晶格失配和热失配的问题；即便保护膜和GaN衬底间有一层极薄的Mg掺杂GaN层，它对晶格失配和热失配的影响非常小，可以忽略不计，从而确保在THVPE的任意生长温度下，保护膜不会出现开裂或破损；
本发明提供一种THVPE生长装置，基座底部与内壁之间具有间隙，使更多的生长气氛流到GaN基板背离进气口的表面上，提高GaN基板背离进气口的表面上的GaN单晶生长速率，实现对GaN衬底的有效保护。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化包括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施例。

Claims (13)

1.一种GaN基板的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、提供一非掺杂GaN衬底，所述GaN衬底具有相背设置的第一表面和第二表面，所述第一表面为N面，所述第二表面为Ga面；
S2、在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长Mg掺杂GaN层，所述Mg掺杂GaN层具有与第二表面相邻的第三表面和与第三表面相背的第四表面，所述第三表面为Ga面，所述第四表面为N面。
2.根据权利要求1所述的GaN基板的制备方法，其特征在于，所述Mg掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度大于或等于1×1020 cm-3。
3.根据权利要求1所述的GaN基板的制备方法，其特征在于，所述Mg掺杂GaN层通过MBE、MOCVD、HVPE中任意一种工艺制备而得。
4.根据权利要求1所述的GaN基板的制备方法，其特征在于，所述Mg掺杂GaN层通过MBE工艺制备而得，所述MBE工艺具体为：
在MBE腔室中通入N源、Ga源和Mg源，Mg源流量和Ga源流量之比为（0.04~0.41）:1，在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长厚度为1nm~20nm的Mg掺杂GaN层。
5.根据权利要求4所述的GaN基板的制备方法，其特征在于，所述Mg源的流量和Ga源的流量的比值为（0.35~0.41）:1。
6.根据权利要求4所述的GaN基板的制备方法，其特征在于，所述Mg源的流量为0.04ML/s~0.41 ML/s，所述Ga源的流量为1 ML/s。
7.根据权利要求1所述的GaN基板的制备方法，其特征在于，所述步骤S2之前还包括：
在非掺杂GaN衬底的第二表面上外延生长厚度为0.5μm~10μm的第一非掺杂GaN层。
8.根据权利要求1所述的GaN基板的制备方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括：
在Mg掺杂GaN层的第四表面上外延生长厚度为2μm~10μm的第二非掺杂GaN层。
9.一种GaN基板，其特征在于，所述GaN基板通过权利要求1～8中任一项所述的制备方法制备而得，所述GaN基板具有相背设置的第一表面和第五表面，所述第一表面和第五表面均为N面。
10.一种GaN基板的外延生长方法，其特征在于，所述方法包括：
提供权利要求9所述的GaN基板；
将GaN基板置于THVPE生长装置的腔室中，通过THVPE工艺在GaN基板的第一表面和第五表面上分别外延生长第一GaN外延层和第二GaN外延层。
11.根据权利要求10所述的GaN基板的外延生长方法，其特征在于，所述THVPE生长装置包括：
中空的壳体，所述壳体包括若干进气口和排气口，所述进气口和排气口之间设有供气体流动的气体流道；
基座，固定安装于所述壳体的内壁上；
样品夹具，固定安装于所述基座上，用于夹持所述GaN基板，所述GaN基板的第一表面和第五表面均暴露于气体流道中，所述样品夹具设有夹持槽，所述夹持槽所在平面垂直于所述壳体轴向；
感应加热装置，套设于所述壳体上。
12.根据权利要求11所述的GaN基板的外延生长方法，其特征在于，所述基座沿垂直于所述壳体轴向固定安装于所述壳体的内壁上，所述基座的底部与所述内壁具有间隙，所述样品夹具包括相对设置的第一环板和第二环板，所述第一环板和/或第二环板滑动安装于所述基座上，所述第一环板和第二环板围合形成夹持槽。
13.根据权利要求11所述的GaN基板的外延生长方法，其特征在于，所述THVPE生长装置还包括沿壳体轴向设置的支撑杆，所述基座固定安装于所述支撑杆上，所述样品夹具包括固定安装于所述基座上且沿壳体轴向延伸设置的若干夹爪，所述夹持槽包括若干夹持部，所述夹持部设于夹爪上，所述夹持部与所述基座之间具有间隙。
CN202311321918.1A 2023-10-13 2023-10-13 GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法 Active CN117059478B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311321918.1A CN117059478B (zh) 2023-10-13 2023-10-13 GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311321918.1A CN117059478B (zh) 2023-10-13 2023-10-13 GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117059478A true CN117059478A (zh) 2023-11-14
CN117059478B CN117059478B (zh) 2024-01-23

Family

ID=88666758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311321918.1A Active CN117059478B (zh) 2023-10-13 2023-10-13 GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117059478B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003101149A (ja) * 2001-09-19 2003-04-04 Toshiba Corp 半導体素子及びその製造方法
CN103367577A (zh) * 2013-07-25 2013-10-23 马鞍山圆融光电科技有限公司 一种高亮度GaN基发光二极管外延片及其制备方法
CN105755535A (zh) * 2016-04-12 2016-07-13 中国电子科技集团公司第五十五研究所 基于氮化镓核探测器结构的双面氮化镓薄膜外延生长方法
JP2017212407A (ja) * 2016-05-27 2017-11-30 株式会社豊田中央研究所 半導体基板と、その調整方法と、半導体装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003101149A (ja) * 2001-09-19 2003-04-04 Toshiba Corp 半導体素子及びその製造方法
CN103367577A (zh) * 2013-07-25 2013-10-23 马鞍山圆融光电科技有限公司 一种高亮度GaN基发光二极管外延片及其制备方法
CN105755535A (zh) * 2016-04-12 2016-07-13 中国电子科技集团公司第五十五研究所 基于氮化镓核探测器结构的双面氮化镓薄膜外延生长方法
JP2017212407A (ja) * 2016-05-27 2017-11-30 株式会社豊田中央研究所 半導体基板と、その調整方法と、半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN117059478B (zh) 2024-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6086673A (en) Process for producing high-quality III-V nitride substrates
TW593800B (en) Oxygen doping method to gallium nitride single crystal substrate and oxygen-doped N-type gallium nitride freestanding single crystal substrate
JP3239622B2 (ja) 半導体薄膜の形成方法
KR100674829B1 (ko) 질화물계 반도체 장치 및 그 제조 방법
JP2006514780A (ja) ハイドライド気相成長法による平坦な無極性ａ面窒化ガリウムの成長
JP2010030877A (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体基板およびその製造方法
US6648966B2 (en) Wafer produced thereby, and associated methods and devices using the wafer
JP2009543946A (ja) ワイドバンドギャップ半導体材料
KR102177385B1 (ko) GaN 웨이퍼 제조용 HVPE 장치 및 그에 의한 GaN 웨이퍼 제조 방법
JP3353527B2 (ja) 窒化ガリウム系半導体の製造方法
US6339014B1 (en) Method for growing nitride compound semiconductor
KR100450781B1 (ko) Gan단결정제조방법
US7238232B1 (en) Growth of textured gallium nitride thin films on polycrystalline substrates
US7670856B2 (en) Nitride semiconductor substrate and method of making same
CN117059478B (zh) GaN基板的制备方法、GaN基板及其外延生长方法
TWI254465B (en) Method of manufacturing III-V group compound semiconductor
JPS63283014A (ja) 炭化珪素半導体素子
JP7120598B2 (ja) 窒化アルミニウム単結晶膜及び半導体素子の製造方法
JP2002299277A (ja) 薄膜構造体の製造方法
CN111128689B (zh) 极性控制方法、氮化物薄膜制备方法和氮化物薄膜
KR102399813B1 (ko) 탄화규소 에피 웨이퍼 및 그 제조방법
KR100949212B1 (ko) 질화물 기판 제조 방법
JPH01313927A (ja) 化合物半導体結晶成長方法
JPS63182299A (ja) ３−５族化合物半導体の気相成長方法
JP5071703B2 (ja) 半導体製造装置

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant