CN1395291A - 射频等离子体分子束外延生长氮化镓的双缓冲层工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频等离子体分子束外延生长GaN的双缓冲层工艺，属于晶体外延生长领域。其特征在于：(1)经Ga原子清洗及氮化处理的蓝宝石衬底温度降低至450℃～550℃范围；(2)开启Ga束源炉快门，进行较低温度的缓冲层结晶成核生长，时间2分钟，约10nm；(3)关闭Ga束源炉快门，衬底温度升高至900℃，进行高温热退火；热退火时间5分钟。然后将衬底温度降至650℃～800℃范围；(4)再次开启Ga束源炉快门，进行较高温度的缓冲层准二维生长，生长时间3分钟，约15nm；(5)关闭Ga束源炉快门，升高衬底温度以进行外延层GaN的生长。与传统单缓冲层相比，表面平整度明显提高；ω扫描的半峰值进一步降低，有利于外延层的二维成长；外延层的位错密度也明显下降。

Description

射频等离子体分子束外延生长氮化镓的双缓冲层工艺

技术领域

本发明涉及分子束外延生长氮化镓(GaN)过程中引入双缓冲层工艺生长GaN。属于晶体外延生长领域。

背景技术

以GaN为代表的III-V材料(GaN、AlN、InN及其三元化合物)，无论在光学特性还是在电学特性方面都很好地弥补了传统半导体材料本身固有的缺点，它是从20世纪90年代迅速发展起来的第三代半导体材料，已经成为新兴半导体产业的核心材料和基础器件，被誉为IT产业的发动机。

由于大面积的GaN体单晶很难获得，目前GaN单晶仍以异质外延生长为主。在异质外延生长过程中，普遍存在的一个问题是衬底材料与GaN之间存在较大的晶格失配和热胀系数失配，这对于生长高质量的GaN单晶是一大障碍。尽管可用作GaN生长的衬底很多，诸如MgAl₂O₄(111)、ZnO(0001)、LiAlO₂(100)、NdGaO₃(101)、6H-SiC(0001)以及蓝宝石(0001)等，但目前国际上采用最多的衬底仍然是蓝宝石和SiC。尽管SiC与GaN的晶格系数较蓝宝石与GaN更为匹配、更易解理而且是低阻材料，有利于器件制作，但是SiC材料价格太高，不适于大批量生长。GaN与蓝宝石之间虽有16％的晶格失配，但价格低廉，通过生长工艺的优化，同样可以得到器件质量的III-N材料。

当前，国际上普遍采用缓冲层工艺来缓解衬底与外延层之间的晶格失配和热失配。缓冲层(或称过渡层)的使用通常需满足两个条件：其一，缓冲层在衬底和GaN外延层的界面处有稳定的化学性质，且在高温下基本不变；其二，缓冲层的晶格常数和热胀系数应与衬底及GaN外延层基本匹配，能起到减小晶格失配和热失配的作用。据报道，在蓝宝石衬底上使用的缓冲层有：AlN、ZnO、低温生长的GaN等。Akasaki等人(J.Crystal Growth，98，209，1989)较早研究了使用AlN作缓冲层的作用机理，发现低温生长的AlN缓冲层结晶质量很差，几乎是非晶，退火后AlN结晶化，变成高度取向的多晶，并认为AlN缓冲层的作用主要在于结晶成核以降低衬底与外延层之间的界面自由能。随后Nakamura等人(J.Appl.Phys 71(11)，5543，1992)采用低温GaN作缓冲层，取得了与AlN大体一致的效果，但认为缓冲层的作用除了结晶成核外，还应该包括形成准二维生长的内容，从而利于外延层二维生长特性的提高。

同时，研究表明缓冲层对外延层质量影响最大的两个参数是缓冲层的生长温度和时间(厚度)。然而采用单缓冲层的生长工艺，受到低温成核以及单缓冲层结构的限制，虽然对外延层质量的提高有一定的改善作用，但仍然达不到原子级平整的外延层表面要求。

如何改变单缓冲层工艺，使其促进外延层二维生长的特性从而提高外延层的表面平整度，这是在蓝宝石衬底上生长出优质GaN层的前提，也就引出了本发明的目的。

发明内容

综上所述，在系统地研究了单缓冲层生长工艺与外延层晶体质量的关系的基础上，不难发现：当单缓冲层生长温度较低时，有利于结晶成核从而提高外延层(0001)方向的晶体质量，表现为X射线晶体衍射(XRD)测量的ω/2θ摇摆曲线有较小的半峰宽(ω/2θ扫描表征了垂直于外延面方向的晶格质量，即垂直于(0001)面)；当单缓冲层生长温度较高时，有利于促进准二维生长的形成，表现为XRD测量的ω摇摆曲线有较小的半峰宽(ω扫描表征了平行于外延面方向的晶格质量，即平行于(0001)面)。

为了同时获得缓冲层结晶成核以及形成准二维生长的较好效果，最有效的方法是改变当前普遍使用的单缓冲层的生长工艺，而提出双缓冲层工艺的新思路：即在较低温度下生长第一层低温缓冲层以获得较好的结晶成核基底，然后在较高的温度下生长第二层高温缓冲层以获得较好的准二维生长平面，以便为获得原子级平整的GaN外延层提供更好的生长基底。这就是本发明的目的所在。

本发明提供的射频等离子体分子束外延生长GaN的双缓冲层工艺，包括：

(1)将湿法清洗后的蓝宝石衬底送入MBE生长室样品架上，在900℃高温热退火之后进行Ga原子清洗蓝宝石衬底的预处理工艺(另案申请)，然后通入高纯N₂，并开启射频等离子体发生器，至500W，对衬底进行10分钟的氮化处理，然后将衬底温度降低至450℃～550℃范围；

(2)开启Ga束源炉快门，进行较低温度的缓冲层结晶成核生长，生长时间2分钟，约10nm；

(3)关闭Ga束源炉快门，衬底温度升高至900℃，进行高温热退火以利于低温生长的GaN晶核的繁衍与结晶化。热退火时间5分钟。然后将衬底温度降至650℃～800℃范围；

(4)再次开启Ga束源炉快门，进行较高温度的缓冲层准二维生长，生长时间3分钟，约15nm；

(5)关闭Ga束源炉快门，升高衬底温度以进行外延层GaN的生长。

图1给出了本发明的工艺流程图，同时给出传统单缓冲层的工艺流程以便比较，分为(A)(B)(C)三个图。其中图(A)给出生长过程中氮源的控制：在缓冲层生长前，高纯氮气(纯度＞99.9999％)和金属Ga源关闭，此时生长室处于超高真空状态，其压力为～5×10^-9Torr；在缓冲层生长过程中，通入氮气，并开启射频等离子体发生器(500W)，生长室压力处在～6×10^-5Torr范围；外延层生长时，氮气通量进一步加大，生长室压力为～8×10^-5Torr。图(B)给出生长过程中Ga源的控制：缓冲层生长之前，Ga源快门关闭；缓冲层生长时，Ga源温度为850℃，开启Ga源快门，对双缓冲层而言，在低温缓冲层进行了高温退火之后，第二次开启Ga源快门(参见图(C))；进行外延层生长时，Ga源温度为880℃并开启快门直至外延层生长结束。图(C)给出生长过程中衬底温度的控制：缓冲层生长之前，衬底温度从室温一直升到900℃，对蓝宝石衬底进行高温退火10分钟，然后降低衬底温度以便于缓冲层的生长，对双缓冲层而言，先降低至T₁(450℃～550℃)，然后开启Ga快门进行低温缓冲层生长，之后升高衬底温度(900℃)，对低温缓冲层进行高温结晶化退火处理，然后再降低衬底温度至T₂(650℃～800℃)进行较高温度的第二层缓冲层生长；最后升高衬底温度(880℃)进行外延层的生长。

作为本发明的优点，可以从以下三个方面体现出来：

(1)和单缓冲层相比，双缓冲层生长完成后的形成了较好的准二维生长，表现为表面平整度有了明显提高；

图2给出单(图A)、双(图B)缓冲层的原子力显微镜测得的表面形貌图。图A单缓冲层的表面均方根粗糙度为43.4，表现出比较明显的三维生长特征；图B双缓冲层的左半部分是第一步低温缓冲层的表面，可见结晶成核是以三维生长模式进行；右半部分是完成第二步高温缓冲层后的表面形貌，其表面均方根粗糙度为25.3，表现出了准二维生长的特性，这对后续外延层的二维生长将器重要地促进作用。

(2)和单缓冲层相比，采用双缓冲层工艺获得的外延层GaN，其ω扫描的半峰宽进一步降低，表明双缓冲层对外延层的二维生长有显著地促进作用；

图3给出使用单、双缓冲层生长的GaN外延层XRDω扫描的摇摆曲线图。从半峰宽的比较可以看出，采用双缓冲层生长的外延层GaN，其半峰宽只有单缓冲层生长的GaN的半峰宽的一半，表明外延层的二维生长特性有了非常明显的提高。

(3)采用双缓冲层生长的GaN外延层不但表面平整度有了进一步的提高，而且外延层的位错密度也明显下降，表明和单缓冲层相比，双缓冲层不但形成了更好的准二维生长从而提高了外延层的表面平整度，而且其结晶成核并缓解晶格失配以及热失配的作用也明显得到了加强，从而进一步降低了外延层GaN的位错密度。

图4给出使用单、双缓冲层生长得到的GaN外延层的原子力显微镜表面形貌图，其中图A为采用单缓冲层生长的GaN外延层，图B为采用双缓冲层生长的GaN外延层。可以看出双缓冲层工艺得到的外延层GaN表面的平整度进一步降低，并且图A、B的表面形貌存在较大的差异，表现为图A使用单缓冲层的外延层GaN表面存在明显的缺陷终端及裂痕，表明其位错密度应该比图B双缓冲层的外延层GaN高。图5进一步给出通过X射线衍射的二维三轴测量(TDTAM)图谱，其中图A为采用单缓冲层生长的GaN外延层的TDTAM图，图B为采用双缓冲层生长的GaN外延层的TDTAM图。根据Q.K.Yang等人(J.Crystal Growth，192，28，1998)所报道的计算方法，由图5估算的位错密度分别为：1.3×10¹⁰cm^-2(图A单缓冲层)，6.0×10⁹cm^-2(图B双缓冲层)。确认了双缓冲层的使用进一步降低了外延层GaN的位错密度。

附图说明

图1是缓冲层生长工艺流程示意图。其中(a)为单缓冲层工艺流程，(b)为双缓冲层工艺流程。图中：

(A)为生长过程中射频等离子体氮源的控制流程；

(B)为生长过程中的Ga源控制流程；

(C)为生长过程中衬底温度的控制流程。

图2是缓冲层的原子力显微镜表面形貌图。图中：

(A)为单缓冲层的表面形貌，在630℃衬底温度下生长5分钟，表面均方根粗糙度rms＝43.4；

(B)为双缓冲层的表面形貌，左半部分是第一步低温缓冲层，在500℃衬底温度下生长2分钟，右半部分是第二步高温缓冲层，在700℃衬底温度下生长3分钟，其表面均方根粗糙度rms＝25.3。

图3是外延层GaN的XRDω扫描摇摆曲线，其中曲线A为采用单缓冲层生长获得的GaN外延层，其半峰宽为2310arcsec(弧秒)；曲线B为采用双缓冲层生长获得的GaN外延层，其半峰宽为1094aresec(弧秒)。

图4是外延层GaN的原子力显微镜表面形貌图。图中：

(A)为采用单缓冲层生长的外延层GaN，rms＝2.1；

(B)为采用双缓冲层生长的外延层GaN，rms＝1.86。

图5是外延层GaN的TDTAM图谱。图中：

(A)为采用单缓冲层生长的GaN外延层，由此估算的位错密度为1.3×10¹⁰cm^-2；

(B)为采用双缓冲层生长的GaN外延层，由此估算的位错密度为6.0

具体实施方式

实施例1

在经Ga原子清洗以及氮化处理的蓝宝石衬底温度降到500℃，开启Ga束源炉门，Ga束源温度为850℃，进行低温下的缓冲层生长，时间2分钟，然后关闭Ga源，升温到900℃，对低温生成的缓冲层进行高温结晶退火处理，然后降温到700℃，打开Ga源快门，进行较高温度的缓冲层生长，时间3分钟。最后再升到880℃进行GaN的外延层生长，所得GaN外延层的表面平整度进一步提高，并且位错密度也显著降低。

实施例2、3、4

较高温度的缓冲层生长温度分别为600、650、750℃，其余同实施例1，原子力显微镜(AFM)测定的表面粗糙度和X衍射测量的ω扫描摇摆曲线值列于表1。

表1    不同温度条件生成双缓冲层的AFM和XRD结果

实施例	双缓冲层温度(℃)		AFM(2×2μm2)		XRD的ω-扫描
							低温	高温	RMS()	AVE()	FWHM(弧秒)	强度(a.u.)
	1	500	700	2.01	1.52	1212							3524
2							500	600	12.3	8.71	1490	2818
	3	500	600	6.82	4.97	1305							3111
4							500	750	20.7	16.1	1502	2300

Claims (6)

1.一种射频等离子体分子束外延生长GaN的双缓冲层工艺，包括蓝宝石衬底放在分子束外延生长室样品架上，在900℃高温热退火之后，进行Ga原子清洗的预处理以及氮化处理，其特征在于：

(1)预处理后衬底温度降低至450-550℃；

(2)开启Ga束炉快门，进行较低温度的缓冲层结晶成核生长；

(3)关闭Ga炉快门，将衬底温度升高至900℃，进行高温结晶化退火处理，然后将衬底温度降至650℃～800℃；

(4)再次开启Ga束源快门，进行较高温度的缓冲层准二维生长；

(5)关闭Ga束源炉快门，升高衬底温度880℃进行外延生长。

2.按权利要求1所述的射频等离子体分子束外延生长GaN的双缓冲层工艺，其特征在于在缓冲层生长前，生长室处于高真空状态，压力为～5×10^-9Torr；在缓冲层生长过程中，生长室压力处在～6×10^-5Torr范围；外延层生长时，生长室压力为～8×10^-5Torr范围。

3.按权利要求1所述的射频等离子体分子束外延生长GaN的双缓冲层工艺，其特征在于所述缓冲层生长时的Ga源温度为850℃。

4.按权利要求1所述的射频等离子体分子束外延生长GaN的双缓冲层工艺，其特征在于较低温度缓冲层生长后，在900℃温度条件下，退火时间为5分钟。

5.按权利要求1所述的射频等离子体分子束外延生长GaN的双缓冲层工艺，其特征在于较低温度缓冲层结晶成核生长，时间为2分钟，厚度10nm；较高温度生长缓冲层生长时间3分钟，厚度15nm。

6.按权利要求1所述的射频等离子体分子束外延生长GaN的双缓冲层工艺，其特征在于较低温度缓冲层结晶成核生长衬底温度为500℃，较高温度缓冲层二维生长的衬底温度为700℃。

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