專利名稱：一種Ⅲ族氮化物材料的生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)，尤其涉及in族氮化物材料的生長(zhǎng)方法。
背景技術(shù)：
以氮化鎵(GaN)材料為代表的III族氮化物材料由于在光電子和微電子 等領(lǐng)域有重大的應(yīng)用前景，因此其材料生長(zhǎng)和相關(guān)器件研制近年來受到了廣 泛的關(guān)注，并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。在光電子方面，由于ni族氮化物材料多數(shù) 是直接帶隙半導(dǎo)體，可用于制作發(fā)光二極管、激光器、探測(cè)器等，在全色顯 示、白光照明、高密度存儲(chǔ)、紫外探測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用。另一方面，由 于III族氮化物材料有禁帶寬度大、擊穿電壓高、電子飽和速率高、熱穩(wěn)定性 好、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制作高電子遷移率晶體管、雙極型晶體 管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等微電子器件，適合在高溫、大功率及惡劣環(huán)境下工作。
目前器件量級(jí)的III族氮化物通常都是生長(zhǎng)在藍(lán)寶石或SiC襯底上，但是 藍(lán)寶石是絕緣的，硬度高且導(dǎo)電導(dǎo)熱性差，使其器件使用功率受限，而SiC 的高成本使得器件生產(chǎn)成本大幅上升。相對(duì)藍(lán)寶石和SiC而言，Si材料具有 低成本，大面積，高質(zhì)量，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，且硅工藝技術(shù)成熟，Si 襯底上生長(zhǎng)GaN薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成，因此Si襯底上生長(zhǎng) III族氮化物薄膜的研究受到廣泛的關(guān)注。隨著Si基III族氮化物材料生長(zhǎng)技 術(shù)的逐漸進(jìn)步，各種器件應(yīng)用也取得較大進(jìn)展。
以GaN生長(zhǎng)為例，日本名古屋工業(yè)大學(xué)的B. Zhang等采用AIN/GaN超 晶格來釋放應(yīng)變，生長(zhǎng)了厚度為1微米的無裂紋LED器件結(jié)構(gòu)，電熒光測(cè)試 表明，其發(fā)光波長(zhǎng)為453納米，正向開啟電壓為3.7V， 20mA時(shí)的工作電壓 為4.2V， 20mA工作電流下的發(fā)光強(qiáng)度在35(iW左右。德國(guó)馬德堡大學(xué)的A. Dadgar等利用A1N插入層以及原位SixNy掩模技術(shù)，可以生長(zhǎng)出厚度為2.8微米的無裂紋GaN器件結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果表明，其正向開啟電壓在2.5-2.8V之 間，最小的串聯(lián)電阻為55Q，發(fā)光波長(zhǎng)為455納米，20mA工作電流下的發(fā) 光強(qiáng)度為152(iW。 2003年他們將20mA工作電流下的發(fā)光強(qiáng)度提高到 420pW，次年他們又將20mA工作電流下的發(fā)光強(qiáng)度提高到890^iW，發(fā)光波 長(zhǎng)為477納米，封裝后的管芯在120mA的連續(xù)工作電流下輸出功率達(dá)到了 3mW。
國(guó)內(nèi)南昌大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等單位該項(xiàng)工作開展較早，并 取得了比較理想的結(jié)果2004年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所采用MOCVD工 藝在單晶硅上成功生長(zhǎng)出了具有較高晶體質(zhì)量的GaN外延材料；2005年， 南昌大學(xué)成功研制出硅基GaN藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)，這些都推動(dòng)了我國(guó)半導(dǎo)體照 明事業(yè)的快速發(fā)展。與藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的LED器件相比，雖然Si襯底上 生長(zhǎng)的GaN基LED結(jié)構(gòu)發(fā)光強(qiáng)度較弱，但是可以通過化學(xué)腐蝕的方法去除 Si襯底，減小襯底對(duì)光的吸收，從而大幅度地增加發(fā)光強(qiáng)度?？梢灶A(yù)見，在 不久的將來，Si襯底上生長(zhǎng)的GaN基LED器件將會(huì)顯露出強(qiáng)勁的生命力。
Si基III族氮化物材料在場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)方面也取得了很大的進(jìn)
展。同時(shí)，m族氮化物材料在傳感器方面的應(yīng)用研究也已經(jīng)展開，尤其是將
AlGaN/GaNFETs的壓電和極化效應(yīng)與成熟的Si基微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 工藝相結(jié)合，能夠?yàn)镚aN材料在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用提供更為靈活的設(shè)計(jì)和 工藝方案。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的B.S.Kang等在Si襯底上生長(zhǎng)了 AlGaN/GaN FETs結(jié)構(gòu)，通過背面刻蝕襯底Si釋放GaN薄膜，制成了電容式壓力傳感器， 靈敏度達(dá)到了 0.86pF/bar。德國(guó)University of Ulm的T. Zimmermann等人同樣 利用干法刻蝕，在Si襯底上制作出了 AlGaN/GaN懸臂梁結(jié)構(gòu)，并制得了懸 臂梁式壓力傳感器，測(cè)量因子達(dá)到90。隨著Si基GaN外延技術(shù)的發(fā)展，Si 基GaN外延薄膜的晶體質(zhì)量也將不斷提高，這都將極大地促進(jìn)Si基MEMS 器件與GaN材料的結(jié)合，并最終實(shí)現(xiàn)GaN基傳感器在高溫和惡劣環(huán)境下的 應(yīng)用。
然而，以Si為襯底的III族氮化物材料生長(zhǎng)還存在一些問題如III族氮 化物外延層與Si襯底之間巨大的晶格失配使得III族氮化物外延層中產(chǎn)生大 量的位錯(cuò)和內(nèi)應(yīng)力；另一方面III族氮化物與Si的熱膨脹系數(shù)存在很大的差
4異(GaN與Si的晶格失配達(dá)57%)，這導(dǎo)致從生長(zhǎng)溫度降至室溫時(shí)在III族
氮化物外延膜中產(chǎn)生大的張應(yīng)力，從而引起m族氮化物外延片的龜裂。如在
Si襯底上外延生長(zhǎng)GaN薄膜，需要生長(zhǎng)多層中間緩沖層，工藝復(fù)雜且難度大。 本發(fā)明考慮到一端固支的懸臂梁結(jié)構(gòu)可以釋放III族氮化物外延層與襯底之 間巨大的晶格失配引起的應(yīng)力，因而有望獲得無龜裂和晶體質(zhì)量良好的III 族氮化物外延片，從而提供了一種將III族氮化物材料與硅基或其他基的微機(jī) 械結(jié)構(gòu)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)新型MEMS的新思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法， 可以降低III族氮化物生長(zhǎng)的殘余張應(yīng)力，防止發(fā)生龜裂，提高晶體質(zhì)量。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種m族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，以 懸臂梁作為in族氮化物生長(zhǎng)的襯底，包括如下步驟選擇一懸臂梁，所述懸
臂梁具有一固定端和一自由端；在懸臂梁的上表面生長(zhǎng)一緩沖層，最后在緩
沖層的表面生長(zhǎng)in族氮化物外延層。
作為可選的技術(shù)方案，所述懸臂梁的材料優(yōu)先為硅。其他如藍(lán)寶石、碳
化硅或GaAs。
作為可選的技術(shù)方案，所述III族氮化物為GaN、 InN、 AlGaN和A1N 中任一種。優(yōu)先考慮的是GaN， GaN外延層厚度為0.5-2|_im。
作為可選的技術(shù)方案，所述懸臂梁的厚度小于10pm，長(zhǎng)度小于300pm， 寬度小于lOOjim。
作為可選的技術(shù)方案，所述緩沖層選自于A1N以及AlGaN中的一種或 者它們的組合，該組合為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。優(yōu)先的緩沖層材料為A1N，厚度為 20-100nm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用懸臂梁作為生長(zhǎng)III族氮化物的襯底，由于懸臂
梁僅一端固定，可以降低m族氮化物層中的應(yīng)力，提高晶體質(zhì)量。


圖i為本發(fā)明提供的ni族氮化物材料的生長(zhǎng)方法的具體實(shí)施方式
的實(shí)施 步驟。圖2為本發(fā)明所選擇的僅一端固定的懸臂梁示意圖。
圖3為圖2所示的懸臂梁的掃描電鏡圖。
圖4為在圖2所示的懸臂梁上生長(zhǎng)的緩沖層。
圖5為在圖4生長(zhǎng)有緩沖層的懸臂梁上生長(zhǎng)III族氮化物層。
圖6為懸臂梁表面生長(zhǎng)了 GaN后的掃描電鏡圖。
圖中100懸臂梁、101懸臂梁的自由端、102懸臂梁固定端、110硅 襯底、120緩沖層、130in族氮化物層。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法的具體實(shí)施 方式做詳細(xì)說明。
附圖1為具體實(shí)施方式
的實(shí)施步驟示意圖，包括步驟1，選擇一懸臂 梁，所述懸臂梁具有一固定端和一自由端；步驟2，在懸臂梁的表面生長(zhǎng)緩 沖層；步驟3，在緩沖層的表面生長(zhǎng)III族氮化物層。
附圖2所示，參考步驟1，選擇一懸臂梁100，所述懸臂梁100具有一固 定端102和一自由端101。
本具體實(shí)施方式
中，所述懸臂梁100的材料為硅，原因在于硅材料的加 工工藝成熟，容易加工成如圖2所示的形狀。所述懸臂梁100的材料也可以 是藍(lán)寶石、碳化硅或者GaAs等其他材料。
所述懸臂梁100的厚度小于10pm，長(zhǎng)度小于300(im，寬度小于100(im。 懸臂梁的三維尺寸越小，越有利于在后續(xù)生長(zhǎng)III族氮化物的步驟中獲得低應(yīng) 力的III族氮化物晶體。上述是一種優(yōu)選的懸臂梁100的三維尺寸。
所述懸臂梁IOO具有一固定端102和一自由端101。所述固定端102固 定于基座110。所述基座110為晶圓級(jí)硅襯底，例如可以是直徑25mm以上 的體硅襯底，或者邊長(zhǎng)大于lcm的方形硅襯底層等。對(duì)于懸臂梁100的尺寸 而言，晶圓級(jí)別的基座110可以看作是絕對(duì)的固定結(jié)構(gòu)，在生長(zhǎng)III族氮化物 的過程中是不會(huì)發(fā)生形變的。
附圖3所示為本具體實(shí)施方式
中所述懸臂梁的掃描電鏡圖，可以清晰的 看到所述懸臂梁一段是固定的，而另一端是自由的。
附圖4所示，參考步驟2，在懸臂梁100的上表面生長(zhǎng)緩沖層120。
本具體實(shí)施方式
中，所述緩沖層120的材料為A1N。所述A1N緩沖層采 用MOCVD的方法生長(zhǎng)。生長(zhǎng)溫度1090°C，源瓶壓力786mbar，源溫為10°C，金屬有機(jī)源(MO)流量7ml/min，氨氣流量0.31/min，氫氣流量2.11/min， 反應(yīng)室壓力50mbar。 A1N緩沖層厚度范圍為20-100nm。由于MOCVD的
方法是使混有反應(yīng)物質(zhì)的氣體流過需要生長(zhǎng)的表面，使反應(yīng)物質(zhì)在所述表面 發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到外延生長(zhǎng)的目的，因此在采用這種方法生長(zhǎng)A1N的情況下， 僅在一個(gè)表面具有A1N緩沖層。
所述緩沖層120的材料也可以是AlGaN或者由A1N和AlGaN組成的多 層復(fù)合結(jié)構(gòu)(Multi-layer)的材料。
生長(zhǎng)緩沖層的目的在于緩解襯底和外延層之間的晶格失配和熱失配，可 以進(jìn)一步降低外延層的應(yīng)力，具有額外的技術(shù)效果，因此是一種可選的技術(shù) 方案。
附圖5所示，參考步驟3，于緩沖層120的表面生長(zhǎng)III族氮化物層130。 本具體實(shí)施方式
中，所述III族氮化物為GaN。 GaN外延層厚度范圍 0.5-2pm。所述III族氮化物外延層130采用MOCVD (金屬有機(jī)物化學(xué)氣相 沉積)方法生長(zhǎng)。生長(zhǎng)溫度1070°C，源瓶壓力806mbar，溫度0.5°C，金屬 有機(jī)源(MO)流量5ml/min，氨氣流量2.01/min，氫氣流量1.21/min，反應(yīng)室 壓力為100mbar。
由于所述懸臂梁100僅具有一個(gè)自由端，且三維尺寸較小。因此在生長(zhǎng) GaN層之后，可以降低GaN層中的應(yīng)力。
附圖6所示為本具體實(shí)施方式
中所述懸臂梁表面生長(zhǎng)了 GaN之后的掃描 電鏡圖，可以看出懸臂梁表面的GaN層是無裂紋的。測(cè)試表明，懸臂梁區(qū)域 的GaN層張應(yīng)力最大值為0.423GPa，較不采用懸臂梁的情況下，應(yīng)力降低 了 50%左右。
上述GaN層可以用于生長(zhǎng)LED、激光器、HEMT等微電子或者光電子 器件。
本具體實(shí)施方式
中所述的工藝同樣適用于InN、 AlGaN、 A1N等其他III 族氮化物半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)。只是緩沖層生長(zhǎng)和III族氮化物外延層的生長(zhǎng)參 數(shù)和厚度略有改變，而且所選用的懸臂梁不只局限于硅，其他如藍(lán)寶石、碳 化硅或GaAs懸臂梁均適用于III族氮化物材料的生長(zhǎng)。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾， 這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于采用懸臂梁作為III族氮化物層生長(zhǎng)的襯底，包括以下步驟1)選擇一懸臂梁，所述的懸臂梁具有一固定端和一自由端；2)在步驟1選擇的懸臂梁的上表面生長(zhǎng)緩沖層；3)在步驟2的緩沖層的表面生長(zhǎng)III族氮化物外延層；所述的懸臂梁的材料為硅、藍(lán)寶石、碳化硅或GaAs；所述的緩沖層的材料為AlN、AlGaN或電AlN和AlGaN組成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料；所述的III族氮化物外延層為GaN、InN、AlGaN或AlN。
2、 按權(quán)利要求i所述的m族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述的懸臂梁的厚度小于10pm、長(zhǎng)度小于300jam、寬度小于100pm。
3、 按權(quán)利要求1所述的III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述的懸臂梁材料為硅。
4、 按權(quán)利要求3所述的III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于(1) 所述的懸臂梁硅一端固定于基座上，所述的基座為晶圓級(jí)硅襯底；(2) 所述的晶圓級(jí)硅襯底為直徑25mm以上的體硅襯底，或邊長(zhǎng)大于 lcm的方形硅襯底。
5、 按權(quán)利要求i所述的m族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述的緩沖層材料為A1N。
6、 按權(quán)利要求1或5所述的III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于 所述的緩沖層AIN采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積的方法生長(zhǎng)。
7、 按權(quán)利要求1或5所述的III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于 AIN緩沖層的厚度為20-100nm。
8、 按權(quán)利要求l所述的III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述 的III族氮化物層為GaN層。
9、 按權(quán)利要求1或8所述的III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于 所述的GaN外延層是采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法。
10、 按權(quán)利要求1或8所述的III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于 GaN外延層厚度為0.5-2(xm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種III族氮化物材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于包括如下步驟選擇一懸臂梁，所述懸臂梁具有一固定端和一自由端；在懸臂梁的上表面生長(zhǎng)緩沖層，在緩沖層的表面生長(zhǎng)III族氮化物層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用懸臂梁作為生長(zhǎng)III族氮化物的襯底，由于懸臂梁僅一端固定，可以降低III族氮化物層中的應(yīng)力，提高晶體質(zhì)量。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101428752SQ20081020286
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者孫佳胤, 武愛民, 曦 王, 靜 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所