CN1209793C - 氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法，先在衬底蓝宝石(0001)或硅(111)或碳化硅(0001)晶面上采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延生长一层本征氮化硅，随后其上沉积一层氮化硅或二氧化硅或氮氧化硅作为掩模区，利用光刻和湿法刻蚀或干法刻蚀技术在掩模区上刻出图形，掩模区的图形设计成相邻窗口边沿氮化镓的(10-10)晶向，夹角为60度或120度的三角形或平行四边形或菱形或六角形或以上图形的组合图形结构，最后再采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延进行氮化镓及其化合物的二次外延生长，即横向外延。

Description

氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法。
背景技术
III-V族氮化镓(GaN)及其化合物半导体，作为第三代半导体材料的典型代表，因其独特的物理、化学和机械性能，在光电子和微电子领域有着巨大的应用前景。但由于GaN体单晶制备的困难和缺少与之相匹配的异质衬底材料，目前GaN主要都是在大失配衬底(三氧化二铝(Al2O3)，失配为16％；硅(Si)，失配为17％；碳化硅(SiC)，失配为3.4％)上进行外延生长，外延GaN层中的失配位错和穿透位错等缺陷密度高达1010～1011cm-2。这些缺陷引起器件性能低劣，缩短器件寿命，严重制约了GaN基材料的应用。1994年Kato首次将横向外延生长技术(Lateral Epitaxial Overgrowth，简称LEO)引入到GaN的外延生长中，获得成功，使横向生长部分的GaN中位错密度降到106cm-2以下。但由于在横向生长过程中，从相邻窗口生长出的GaN之间存在取向差，从而在两者合并时会形成倾斜晶界，还会导致表面起伏粗糙，这给随后的器件制作带来了很大的困难。
本发明以前的GaN及其化合物半导体横向外延生长的方法是：先在衬底蓝宝石(Sapphire)(0001)或硅(Si)(111)或碳化硅(SiC)(0001)晶面上外延一层本征GaN薄膜，其上沉积一层氮化硅(SiNx)或二氧化硅(SiO2)作为掩模区，采用光刻和湿法刻蚀工艺沿GaN[10-10]或[11-20]晶向在掩模区上刻出一定数量的长条形窗口，最后再在上面进行二次外延生长GaN。由于形核功的差异，二次外延时GaN只在窗口区形核长大，而在掩模区不形核。当从窗口区生长的GaN厚度超过掩模区厚度时，GaN在继续垂直生长的同时，会在掩模区上进行横向生长(即垂直掩模条方向生长)。GaN在横向生长的过程中，其内部的穿透位错会发生90度转向，由原来的垂直方向排列转为在掩模区上的横向排列，这样掩模区上的GaN内部穿透位错密度就会大幅度降低，可获得高质量的GaN外延膜。但是穿透位错的90度转向以及横向生长的GaN与掩模区之间所产生的接触应力，将会导致横向生长的GaN产生晶面倾斜，即横向生长区的GaN(0001)晶面与窗口区生长的GaN(0001)晶面之间在垂直掩模条的方向上产生晶面取向差。取向差的存在会给随后相邻GaN条的合并造成很大困难，会在合并处产生倾斜晶界，并使得样品表面发生起伏。为了解决这个问题，一般采用降低横向生长速度，让样品长的很厚时才合并，这样就大大延长了外延生长时间，增加了生长的成本，另外GaN长的过厚由于内部应力的增加还会造成GaN层的开裂，直接影响随后的器件制作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法，其可克服横向生长过程中产生的横向生长GaN与窗口区GaN之间的取向差，并将常规横向外延时相邻GaN条的面合并方式改为成点合并方式，大大降低了横向生长GaN最后的合并问题，可以使横向生长的GaN快速合并，缩短了横向外延的时间，同时也可提高了样品表面的平整度。
本发明一种氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)先在衬底蓝宝石或硅或碳化硅晶面上采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延外延方法外延生长一层本征氮化镓；
(2)随后在其上沉积一层氮化硅或二氧化硅或氮氧化硅作为掩模区，利用光刻和湿法刻蚀或干法刻蚀技术在掩模区上刻出图形，掩模区的图形设计成相邻窗口边沿氮化镓的[10-10]晶向，夹角为60度或120度的三角形或平行四边形或菱形或六边形或以上图形的组合图形结构；
(3)最后再采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延外延的方法进行氮化镓及其化合物的二次外延生长，即横向外延。
其中所述的在衬底蓝宝石或硅或碳化硅晶面上采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延外延生长的一层本征氮化镓，其厚度在0.5～3μm之间。
其中采用等离子加强化学气相沉积或电子束蒸发沉积一层氮化硅或二氧化硅或氮氧化硅作为掩模区，掩模区的厚度在0.004～2μm之间。
其中窗口区宽度小于20μm，最小为0.5μm，三角形或平行四边形或菱形或六边形或以上图形的组合图形掩模区的边长小于200μm，最小为2μm。
其中在带有三角形或平行四边形或菱形或六角形或以上图形的组合图形掩模区的氮化镓上，采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延外延进行氮化镓及其化合物的二次外延生长，即横向外延。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合实施例对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的平行四边形或菱形掩模板结构的示意图；
图2是本发明的三角形掩模板结构的示意图；
图3是本发明的六角形掩模板结构示意图；
图4是本发明的GaN横向生长过程的示意图；
图5是采用常规长条形掩模区(a)和采用本发明的菱形掩模区(b)最后所得到的横向外延GaN表面的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
本发明的关键在于解决GaN横向外延生长中掩模区图形的设计问题。由于六方GaN属于纤锌矿结构，具有六次对称性，因此GaN的<10-10>晶向有六个，它们相邻之间成60度夹角。对于GaN的横向外延生长过程，理论和实验都证实当掩模条沿GaN的[10-10]晶向时(此时横向生长沿GaN的[11-20]晶向进行)，可以获得最大的横向生长速度，而当掩模条沿GaN[11-20]晶向时(此时横向生长沿GaN的[10-10]晶向进行)横向生长速度最慢，即在相同的外延生长条件下沿GaN的[11-20]晶向生长比沿[10-10]晶向生长快得多。本发明为了解决长条形掩模区带来的晶面倾斜和表面不平整等问题，同时又要获得足够大的横向生长速度，提出了把掩模区的图形设计成相邻窗口边沿GaN的[10-10]晶向，夹角为60度或120度的三角形或平行四边形或菱形或六边形或其延伸图形结构的解决方案。掩模区的结构示意图请参阅图1、图2和图3所示。按照本发明所采用的掩模区2结构，在GaN横向外延生长过程中，从窗口区1生长出来的二次外延GaN在掩模区2上横向扩展时，因相邻窗口区1边缘都是相连的，所以它们会协同在掩模区2上进行扩展；又因为每个窗口1边缘都是沿GaN的[10-10]晶向，所以横向生长速度也都相同，这样二次外延GaN就会从相邻的窗口1边缘协同向掩模区2的中心扩展，最后合并在一点。
具体实施例(参阅图4)：
1、首先在蓝宝石(0001)衬底40上采用MOCVD沉积一层本征GaN 41，本征GaN层的厚度为2μm。
2、采用PECVD在GaN表面沉积一层SiNx4 2作为掩模区，掩模区的厚度厚度为0.03μm。
3、采用光刻和湿法刻蚀工艺在SiNx4 2掩模区上刻出图形，掩模区图形设计成相邻窗口边沿GaN的[10-10]晶向，夹角为60度或120度的菱形结构，其中窗口区宽度为4μm，菱形掩模区的边长为12μm。
4、在带有菱形掩模区的GaN41上再采用MOCVD进行GaN及其化合物半导体43的二次外延生长。
由图5可见，采用常规长条形掩模区所得到的横向外延GaN表面非常不平整，只有继续延长外延时间才可能消除表面的起伏，而采用本发明的菱形掩模区结构所获得的横向外延GaN表面非常平整。另外双晶X射线衍射还发现，对于采用长条形掩模区所得到的横向外延GaN样品内部存在晶面倾斜，而在本发明的菱形掩模区所得到的横向外延GaN样品中测量不到晶面倾斜。这说明采用本发明的掩模区结构可以大幅度提高横向外延GaN表面的平整度，降低晶面倾斜的产生。
本发明利用了六方GaN的结构特点，把掩模区设计成相邻窗口边沿GaN的[10-10]晶向，夹角为60度或120度的三角形或平行四边形或菱形或六边形或其延伸图形结构，解决了以前单长条形掩模区结构导致的晶面倾斜和表面不平整的问题，使横向外延生长的GaN能快速合并，同时获得高质量的平整表面，优化了外延生长过程，降低了生长成本。

Claims (5)

1、一种氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)先在衬底蓝宝石或硅或碳化硅晶面上采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延外延方法外延生长一层本征氮化镓；
(2)随后在其上沉积一层氮化硅或二氧化硅或氮氧化硅作为掩模区，利用光刻和湿法刻蚀或干法刻蚀技术在掩模区上刻出图形，掩模区的图形设计成相邻窗口边沿氮化镓的[10-10]晶向，夹角为60度或120度的三角形或平行四边形或菱形或六边形或以上图形的组合图形结构；
(3)最后再采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延外延的方法进行氮化镓及其化合物的二次外延生长，即横向外延。
2、根据权利要求1所述的氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法，其特征在于，其中所述的在衬底蓝宝石或硅或碳化硅晶面上采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延外延生长的一层本征氮化镓，其厚度在0.5～3μm之间。
3、根据权利要求1所述的氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法，其特征在于，其中采用等离子加强化学气相沉积或电子束蒸发沉积一层氮化硅或二氧化硅或氮氧化硅作为掩模区，掩模区的厚度在0.004～2μm之间。
4、根据权利要求1所述的氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法，其特征在于，其中窗口区宽度小于20μm，最小为0.5μm，三角形或平行四边形或菱形或六边形或以上图形的组合图形掩模区的边长小于200μm，最小为2μm。
5、根据权利要求1所述的氮化镓及其化合物半导体的横向外延生长方法，其特征在于，其中在带有三角形或平行四边形或菱形或六角形或以上图形的组合图形掩模区的氮化镓上，采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延或氢化物气相外延外延进行氮化镓及其化合物的二次外延生长，即横向外延。
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