CN1327486C - 利用氢化物汽相外延方法在硅衬底上生长GaN薄膜 - Google Patents
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Abstract
利用氢化物气相外延法和低温缓冲层技术在Si衬底上生长高质量GaN薄膜，在HVPE生长系统或MOCVD系统中，先在较低的400-800℃温度条件下在Si衬底上，以氨气和HCl为气源，生长一层GaN，然后在高温下如1000-1100℃持续生长GaN。低温下生长的GaN层，阻止了氨气对Si衬底的氮化以及高温下Si和HCl的反应，从而使得后续生长的GaN具有较高的质量。
Description
技术领域
本发明涉及利用氢化物气相外延法在Si衬底上生长GaN薄膜的方法和技术，尤其是直接GaN薄膜的方法。
背景技术
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。
基于GaN的半导体材料在光电子领域如LED和LD等方面的应用具有重要的意义。目前，全世界高亮度LED市场总值约为12亿美元，预期到2005年，其市场规模会迅速增长到30亿美元.在各种高频高速微波毫米波半导体器件(如FET，MODFET，HEMT和PHEMT等的应用中也具有广阔的前景。
GaN单晶衬底的获得对于GaN器件的大规模商品化生产和提高GaN器件的寿命和性能具有非常重要的意义。由于GaN本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。由于缺乏体单晶，GaN薄膜的获得主要靠异质外延。最常用的衬底材料是蓝宝石(α-Al2O3)。巨大的晶格失配和热失配导致了GaN外延层中高密度的位错，典型的可达1010/cm2，严重影响了器件的性能和寿命。
目前，GaN衬底通常都是在异质衬底上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后获得的。其中在蓝宝石衬底上生长GaN最普遍，质量也最高。为了得到自支撑GaN衬底，必须除去蓝宝石衬底。由于蓝宝石极其稳定，难以采用化学腐蚀方法。一般的方法是机械磨削，但因蓝宝石很硬，不仅要消耗大量的金刚石磨料，成本很高而且速度极慢。因此衬底的选择也具有很重要的意义。
GaN薄膜的生长主要有金属有机物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等。与MOCVD、MBE相比，HVPE技术具有很多优点：生长速率很高，每小时可达几十甚至几百微米；高的横向-纵向生长率比；没有孔洞和黄带；可以生长大面积薄膜等。结合ELO技术，可以用于生长高质量的GaN薄膜。如本申请人CN02113084.1横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法。
利用氢化物气相外延在Si上生长GaN，需要解决衬底和源气体的反应问题，反应式如下：
Si+4HCl＝SiCl4+2H2
3Si+4NH3＝Si3N4+6H2
3SiCl4+4NH3＝Si3N4+12HCl
Si被氮化生成Si3N4粉末以及反应器中存在的HCl和硅会发生严重的反应生成SiCl4，破坏甚至阻碍了后续GaN的生长，降低了薄膜的晶体质量。
发明内容
本发明目的是：利用氢化物气相外延法和低温缓冲层技术在Si衬底上生长高质量GaN薄膜。
本发明的技术解决方案：
首先，在HVPE生长系统或MOCVD系统中，先在较低温度条件下如400-800℃，以氨气和HCl为气源，NH3流量为600sccm，氨气载气流量为600sccm，HCl流量为10sccm，HCl载气流生长一层GaN，然后在高温下如1000-1100℃持续生长GaN即可。
本发明的机理和技术特点是：
低温下生长的GaN层，阻止了氨气对Si衬底的氮化以及高温下Si和HCl的反应，从而使得后续生长的GaN具有较高的质量。
在本发明中采用氢化物气相外延方法在Si衬底上生长了高质量的GaN薄膜。采用Si衬底上生长GaN薄膜具有以下优点：1)目前大多数的半导体器件都是基于Si衬底，易于实现Si上GaN光电子和微电子器件与现有器件的集成，这是非常有吸引力的；2)由于Si基的短波长发光器件尚未获得突破，而基于GaN的短波长发光器件(LED、LD等)等已经成功，所以在Si上生长GaN器件可以实现光电磁等多中性能的集成，在未来量子计算机等领域具有很重要的应用；3)Si衬底易于腐蚀或剥离掉，可以很容易地获得GaN自支撑衬底，等等。如图1所示不同温度条件下400-800℃生长的GaN薄膜的具有相近的结构特征。
附图说明
图1不同缓冲层温度下(400-800℃)生长的GaN薄膜的XRD衍射图。
图2不同缓冲层温度下(400-800℃)生长的GaN薄膜的PL谱
图3不同衬底上(Si，蓝宝石)生长的GaN薄膜的Raman谱
具体实施方式
本发明采用的衬底表面金属In预沉积技术，包括下面几步：
1、Si(111)衬底的清洗和处理。
2、Si(111)衬底放入反应器中后，现在低温下生长GaN缓冲层。温度为从400-800℃，各温度条件下得到相近的结果，生长时间为40-90秒，如典型的60秒。气体流量分别：NH3流量为600sccm，氨气载气流量为600sccm，HCl流量为10sccm，HCl载气流量为20sccm，总氮气流量为3000sccm。将带有低温缓冲层的GaN/Si样品取出。
3、温度升高至1040-1080℃，将带有低温缓冲层的GaN/Si样品放入生长区，保持步骤2中各气体流量不变，继续生长至所需要的厚度(时间)即可。
4、一般均在1000-1050℃高温的条件下生长，本发明亦然，生长有相同的结果。
Claims (2)
1、利用氢化物气相外延法和低温缓冲层技术在Si衬底上生长高质量GaN薄膜，其特征是在HVPE生长系统中，先在400-800℃温度条件下，在Si衬底上以氨气和HCl为气源，生长时间为40-90秒，气体流量为：NH3流量为600sccm，氨气载气流量为600sccm，HCl流量为10sccm，HCl载气流量为20sccm，总氮气流量为3000sccm/生长一层GaN，然后在1000-1100℃高温下持续生长GaN。
2、由权利要求1所述的利用氢化物气相外延法和低温缓冲层技术在Si衬底上生长高质量GaN薄膜，其特征是在高温下1040-1080℃ 生长至成品。
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