CN1560900A - 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

Info

Publication number
CN1560900A
CN1560900A CNA2004100061798A CN200410006179A CN1560900A CN 1560900 A CN1560900 A CN 1560900A CN A2004100061798 A CNA2004100061798 A CN A2004100061798A CN 200410006179 A CN200410006179 A CN 200410006179A CN 1560900 A CN1560900 A CN 1560900A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
substrate
temperature
gallium nitride
gan layer
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
CNA2004100061798A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1309013C (zh
Inventor
张宝顺
王晓华
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.)
Changchun University of Science and Technology
Original Assignee
Changchun University of Science and Technology
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 Changchun University of Science and Technology filed Critical Changchun University of Science and Technology
Priority to CNB2004100061798A priority Critical patent/CN1309013C/zh
Publication of CN1560900A publication Critical patent/CN1560900A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1309013C publication Critical patent/CN1309013C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

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中的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(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。
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，厚度可控制在10～200nm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。
CNB2004100061798A 2004-03-05 2004-03-05 硅衬底上生长低位错氮化镓的方法 Expired - Fee Related CN1309013C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2004100061798A CN1309013C (zh) 2004-03-05 2004-03-05 硅衬底上生长低位错氮化镓的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB2004100061798A CN1309013C (zh) 2004-03-05 2004-03-05 硅衬底上生长低位错氮化镓的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1560900A true CN1560900A (zh) 2005-01-05
CN1309013C CN1309013C (zh) 2007-04-04

Family

ID=34439730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2004100061798A Expired - Fee Related CN1309013C (zh) 2004-03-05 2004-03-05 硅衬底上生长低位错氮化镓的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1309013C (zh)

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100372138C (zh) * 2005-07-13 2008-02-27 晶能光电（江西）有限公司 在硅衬底上制备铟镓铝氮材料的方法
CN100451181C (zh) * 2006-10-16 2009-01-14 中国电子科技集团公司第五十五研究所 利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法
CN101702418B (zh) * 2009-10-23 2011-02-16 山东华光光电子有限公司 降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法
CN102409406A (zh) * 2011-10-28 2012-04-11 中国科学院半导体研究所 低位错氮化镓的生长方法
CN101853906B (zh) * 2008-08-11 2012-05-30 台湾积体电路制造股份有限公司 电路结构
CN103456852A (zh) * 2012-05-30 2013-12-18 比亚迪股份有限公司 一种led外延片及制备方法
CN104178807A (zh) * 2014-08-06 2014-12-03 上海世山科技有限公司 一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法
CN106384709A (zh) * 2016-09-22 2017-02-08 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司 一种GaN薄膜材料及其制备方法
CN106684213A (zh) * 2015-11-06 2017-05-17 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 GaN基半导体器件及其制作方法
CN107548517A (zh) * 2015-05-15 2018-01-05 欧司朗光电半导体有限公司 用于制造氮化物化合物半导体器件的方法
CN107611014A (zh) * 2017-09-01 2018-01-19 苏州云舒新材料科技有限公司 一种GaN热电薄膜材料的制备方法
CN111048403A (zh) * 2019-12-19 2020-04-21 马鞍山杰生半导体有限公司 一种氮化铝膜及其制备方法和应用
CN112531016A (zh) * 2020-12-02 2021-03-19 北京大学东莞光电研究院 无界面漏电抑制频射损耗衬底、器件及制备方法
CN113284994A (zh) * 2021-03-30 2021-08-20 华灿光电（浙江）有限公司 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101820041A (zh) * 2010-04-01 2010-09-01 晶能光电（江西）有限公司 降低硅衬底led外延应力的方法以及结构

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6177688B1 (en) * 1998-11-24 2001-01-23 North Carolina State University Pendeoepitaxial gallium nitride semiconductor layers on silcon carbide substrates
CN1174470C (zh) * 2002-05-31 2004-11-03 南京大学 横向外延生长高质量氮化镓薄膜的方法
JP2004047764A (ja) * 2002-07-12 2004-02-12 Hitachi Cable Ltd 窒化物半導体の製造方法および半導体ウェハならびに半導体デバイス

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100372138C (zh) * 2005-07-13 2008-02-27 晶能光电（江西）有限公司 在硅衬底上制备铟镓铝氮材料的方法
CN100451181C (zh) * 2006-10-16 2009-01-14 中国电子科技集团公司第五十五研究所 利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法
CN101853906B (zh) * 2008-08-11 2012-05-30 台湾积体电路制造股份有限公司 电路结构
CN101702418B (zh) * 2009-10-23 2011-02-16 山东华光光电子有限公司 降低位错缺陷的GaN基LED芯片外延生长方法
CN102409406A (zh) * 2011-10-28 2012-04-11 中国科学院半导体研究所 低位错氮化镓的生长方法
CN103456852A (zh) * 2012-05-30 2013-12-18 比亚迪股份有限公司 一种led外延片及制备方法
CN103456852B (zh) * 2012-05-30 2016-09-07 比亚迪股份有限公司 一种led外延片及制备方法
CN104178807A (zh) * 2014-08-06 2014-12-03 上海世山科技有限公司 一种利用热分解特性获得自支撑氮化镓基板的方法
CN107548517A (zh) * 2015-05-15 2018-01-05 欧司朗光电半导体有限公司 用于制造氮化物化合物半导体器件的方法
CN107548517B (zh) * 2015-05-15 2020-10-30 欧司朗光电半导体有限公司 用于制造氮化物化合物半导体器件的方法
CN106684213B (zh) * 2015-11-06 2019-01-15 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 GaN基半导体器件及其制作方法
CN106684213A (zh) * 2015-11-06 2017-05-17 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 GaN基半导体器件及其制作方法
CN106384709A (zh) * 2016-09-22 2017-02-08 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司 一种GaN薄膜材料及其制备方法
CN107611014A (zh) * 2017-09-01 2018-01-19 苏州云舒新材料科技有限公司 一种GaN热电薄膜材料的制备方法
CN111048403A (zh) * 2019-12-19 2020-04-21 马鞍山杰生半导体有限公司 一种氮化铝膜及其制备方法和应用
CN112531016A (zh) * 2020-12-02 2021-03-19 北京大学东莞光电研究院 无界面漏电抑制频射损耗衬底、器件及制备方法
CN113284994A (zh) * 2021-03-30 2021-08-20 华灿光电（浙江）有限公司 深紫外发光二极管的外延片及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN1309013C (zh) 2007-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1309013C (zh) 硅衬底上生长低位错氮化镓的方法
US7071087B2 (en) Technique to grow high quality ZnSe epitaxy layer on Si substrate
US20090001416A1 (en) Growth of indium gallium nitride (InGaN) on porous gallium nitride (GaN) template by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD)
Pal et al. Silicon—a new substrate for GaN growth
GB2485418A (en) GaN on Si device substrate with GaN layer including sub-10nm SiNx interlayers that promote crystal growth with reduced threading dislocations
US20040201030A1 (en) GaN growth on Si using ZnO buffer layer
US20110079766A1 (en) Process for fabricating iii-nitride based nanopyramid leds directly on a metalized silicon substrate
US20060175681A1 (en) Method to grow III-nitride materials using no buffer layer
CN1242091C (zh) Mocvd生长氮化物发光二极管结构外延片的方法
KR20100024944A (ko) ＧａＮ계 질화물 반도체 자립 기판의 제작방법
CN111188090A (zh) 一种高质量氮化铝薄膜的同质外延生长方法
Ghosh et al. Reduced-stress GaN epitaxial layers grown on Si (1 1 1) by using a porous GaN interlayer converted from GaAs
CN100344006C (zh) 一种m面InGaN/GaN量子阱LED器件结构的生长方法
DE10151092B4 (de) Verfahren zur Herstellung von planaren und rißfreien Gruppe-III-Nitrid-basierten Lichtemitterstrukturen auf Silizium Substrat
CN116364825A (zh) 复合缓冲层及其制备方法、外延片及发光二极管
CN113782651B (zh) 一种图形化深紫外led外延结构及其制备方法
EP2362412B1 (en) Method of growing nitride semiconductor
CN100451181C (zh) 利用原位掩膜进行外延生长氮化物单晶薄膜的方法
KR20060108059A (ko) 질화물 반도체 발광소자용 버퍼층을 형성하는 방법 및그것에 의해 형성된 버퍼층
CN1697134A (zh) 一种利用SiN膜原位制备图形衬底的方法
CN210897327U (zh) 硅基应力协变衬底及垂直结构氮化镓led
CN213150800U (zh) 一种具有纳米夹层的氮化铝成核层结构
CN1763268A (zh) 一种a面和m面GaN薄膜材料的控制生长方法
CN114121622A (zh) 衬底的预处理方法及半导体外延层的生长方法
CN1840747A (zh) 利用氧化锌缓冲层生长单晶氧化锌薄膜的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20070404