CN1309013C - 硅衬底上生长低位错氮化镓的方法 - Google Patents

硅衬底上生长低位错氮化镓的方法 Download PDF

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Abstract

硅衬底上生长低位错氮化镓的方法属于半导体材料技术领域。由于蓝宝石具有绝缘性，所以以其为衬底生长氮化镓不能符合器件制作的要求，以碳化硅为衬底生长氮化镓成本又很高。以硅为衬底采用现有方法生长氮化镓其位错密度又很高，同样不能满足要求。而本发明能够降低这一位错密度1～2个数量级，其实现的途径主要是，在硅衬底上生长具有空洞的氮化硅掩蔽膜，再在空洞处生长氮化铝缓冲层，最后在这一缓冲层上生长氮化镓。可以在其上继续生长发光管、激光器、探测器等任意器件结构。

Description

硅衬底上生长低位错氮化镓的方法
                                技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，是一种在硅衬底上生长低位错氮化镓的方法。
                                背景技术
(氮化镓)基材料在发光二极管、蓝光及紫外半导体激光器、高温电子器件等方面具有广泛应用，但是，目前尚无和GaN材料匹配的的商用化衬底片。在常规技术中，虽然蓝宝石和碳化硅衬底是目前使用最多的衬底，但是，前者由于具有绝缘性不能满足器件制作要求，后者昂贵的价格导致了器件制作成本的增加。而Si(硅)衬底具有成本低、易解理、易得到大面积高质量商业化衬底以及硅基器件易于集成等优点。但是，据文献报导(Physical Review B，61，7618，2000)，由于GaN与Si衬底之间存在较大晶格失配导致很难生长高质量的外延层，一般位错密度在1010左右。
                                发明内容
使以Si为衬底的GaN材料在半导体材料领域实现实用化和商品化，在Si衬底生长GaN外延层，同时要降低位错密度，提高其结晶质量，是本发明的目的，为此，我们发明了本发明之硅衬底上生长低位错氮化镓的方法。
本发明是这样实现的，参见图1～图5，
1)在Si衬底1上低温生长一层GaN层2；
2)关闭氮源，升高Si衬底1温度，使低温生长的GaN层2分解，在Si衬底1上形成Ga(镓)滴，然后打开氮源，使有Ga滴的地方形成GaN层3，而没有Ga滴的Si衬底1表面发生氮化，形成Si3N4(氮化硅)层4；
3)继续提高Si衬底1温度，关闭氮源，使GaN层3发生分解，露出Si衬底1表面，这样就形成了带有空洞5的Si3N4层4这一掩蔽膜，在空洞5处直接露出Si衬底1表面；
4)采用选择外延的方法在空洞5处生长AlN(氮化铝)层6这一缓冲层；
5)采用横向外延的方法在AlN层6这一缓冲层上生长GaN层7，直到在Si3N4层4表面聚合长平。
根据上述方法不仅实现了在Si衬底上生长GaN外延层，而且将其位错密度降低了1～2个数量级，结晶质量达到要求，可以在其上继续生长发光管、激光器、探测器等任意器件结构，从而实现了以Si为衬底的GaN材料在半导体材料领域的实用化和商品化。
                                附图说明
图1是Si衬底上低温生长GaN剖面示意图。图2是显示升温之后形成Ga滴，经过氮化形成GaN和Si3N4剖面示意图。图3是显示图2冲的GaN高温分解后形成带有空洞的Si3N4隐蔽膜剖面示意图。图4是显示在图3空洞处采用选择外延的方法生长AlN剖面示意图。图5是显示在图4AlN上采用横向外延的方法生长GaN，在Si3N4隐蔽膜上聚合长平的结果剖面示意图。
                              具体实施方式
1)如图1所示，首先在Si衬底1(取向任意)上生长一个连续的GaN层2，厚度为10～50nm，生长温度为500～600℃。其中生长厚度的控制是关键环节，直接决定后面Ga滴形成的密度和大小；
2)关闭氮源，升高Si衬底1温度，从GaN层2生长温度开始升温至大约800℃左右，从激光监测曲线上可以看到出现尖锐的高反射率峰。这时可以认为低温生长的GaN层2分解，在Si衬底1上形成Ga滴，没有Ga滴的地方Si衬底1暴露，这时监测反射率急剧增加，随着时间的推移Ga滴变小最后消失。因此，控制监测曲线反射率峰的高低，可以控制Ga滴尺寸。在监测曲线反射率峰值合适的大小处打开氮源，使有Ga滴的地方形成分散的GaN层3，而没有Ga滴的地方Si衬底1表面发生氮化，形成分散的Si3N4层4，如图2所示，这一工序是在500～1000℃的温度范围内随着温度的逐步升高而完成的；
3)上一道工序完成后，控制Si衬底1的温度在大约800～1100℃范围内，关闭氮源，使GaN层3发生分解，这一过程在10～20分钟的时间范围内进行，分解时间和温度的确定可以保证Si3N4层4被继续保留，如图3所示，形成了带有空洞5的Si3N4层4掩蔽膜，在空洞5处直接露出Si衬底1表面；
4)如图4所示，采用选择外延的方法在空洞5处生长分散的AlN层6，这是一个缓冲层，生长温度控制在1000～1160℃的范围内。AlN层6的生长首先要有选择性，即只在Si衬底1表面成核生长，而在Si3N4层4上不成核，这一选择性借助于温度等因素的控制来实现，其次，AlN层6的厚度可控制在10～200nm范围内；
5)如图5所示，采用横向外延的方法在AlN层6上生长连续的GaN层7，直到在Si3N4层4表面聚合长平。由于GaN层7横向生长在Si3N4层4上并聚合，可以大大降低GaN层7的位错密度，提高其结晶质量。
下面举一具体例子进一步加以说明，
1)如图1所示，首先在Si衬底1上生长一个连续的GaN层2，厚度为20nm，生长温度为500℃；
2)关闭氮源，升高Si衬底1温度，从GaN层2生长温度开始升温至大约800℃左右，这时低温生长的GaN层2分解，在Si衬底1上形成Ga滴，没有Ga滴的地方Si衬底1暴露，然后打开氮源，使有Ga滴的地方形成分散的GaN层3，而没有Ga滴的地方Si衬底1表面发生氮化，形成分散的Si3N4层4，如图2所示；
3)上一道工序完成后，控制Si衬底1的温度在大约900℃左右，关闭氮源，使GaN层3发生分解，这一过程大约在15分钟内完成，如图3所示，形成了带有空洞5的Si3N4层4掩蔽膜，在空洞5处直接露出Si衬底1表面；
4)如图4所示，采用选择外延的方法在空洞5处生长分散的AlN层6，这是一个缓冲层，生长温度控制为1060℃。AlN层6开始选择性生长，即只在Si衬底1表面成核生长，而在Si3N4层4上不成核，所生长的AlN层6厚度为100nm；
5)如图5所示，采用横向外延的方法在AlN层6上生长连续的GaN层7，直到在Si3N4层4表面聚合长平。
如此在Si衬底上生长的GaN层其位错密度可降为108。

Claims (6)

1、一种生长低位错氮化镓的方法，采用外延工艺在硅衬底上进行，其特征在于，
1)在Si衬底(1)上低温生长一层GaN层(2)；
2)关闭氮源，升高Si衬底(1)温度，使低温生长的GaN层(2)分解，在Si衬底(1)上形成Ga滴，然后打开氮源，使有Ga滴的地方形成GaN层(3)，而没有Ga滴的Si衬底(1)表面发生氮化，形成Si3N4层(4)；
3)继续提高Si衬底(1)温度，关闭氮源，使GaN层(3)发生分解，露出Si对底(1)表面，这样就形成了带有空洞(5)的Si3N4掩蔽膜(4)，在空洞(5)处直接露出Si衬底(1)表面；
4)采用选择外延的方法在空洞(5)处生长AlN缓冲层(6)；
5)采用横向外延的方法在AlN缓冲层(6)上生长GaN层(7)，直到在Si3N4层(4)表面聚合并生长平整。
2、根据权利要求1所述的生长低位错氮化镓的方法，其特征在于，GaN层(2)为一连续层，厚度为10-50nm，生长温度为500-600℃。
3、根据权利要求1所述的生长低位错氮化镓的方法，其特征在于，GaN层(3)为一分散层，Si3N4层(4)也为一分散层，它们是在500～1000℃的温度范围内随着温度的逐步升高而生成的。
4、根据权利要求1所述的生长低位错氮化镓的方法，其特征在于，GaN层(3)的分解是在800～1100℃的温度范围内，在10～20分钟的时间过程中完成的。
5、根据权利要求1所述的生长低位错氮化镓的方法，其特征在于，AlN层(6)是一个分散层，生长温度控制在1000～1160℃的范围内，厚度控制在l0～200nm范围内。
6、根据权利要求1所述的生长低位错氮化镓的方法，其特征在于，GaN层(7)是一个连续层。
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