專利名稱：Si襯底GaN基薄膜的生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaN基薄膜材料制作技術(shù)領(lǐng)域，特別是Si襯底GaN基薄膜的生長。
背景技術(shù)：
GaN由于具有大禁帶寬度(3. 4 eV)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿 電壓等特點(diǎn)，成為目前半導(dǎo)體技術(shù)的熱點(diǎn)。III族氮化物GaN、AlN (禁帶寬度6. 2 eV)、InN (禁帶寬度0. 7eV)及其組成的合金hxAly(iai_x_yN禁帶寬度覆蓋了從紅外到可見光、紫外光 的能量范圍，因此在光電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如大功率白光LED，紫外、藍(lán)光激光器，紫 外波段的日盲探測器，高頻高功率器件等。由于大尺寸GaN單晶生長十分困難，現(xiàn)在主要采用外延生長的辦法在藍(lán)寶石、SiC 等襯底材料上生長GaN薄膜及器件。目前在這兩種襯底上已經(jīng)生長出了較高質(zhì)量的GaN材 料和光電器件，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的商業(yè)化，但是這兩種襯底價(jià)格昂貴，尤其是SiC，而且尺寸都 比較小，增加了器件的制作成本。此外，藍(lán)寶石襯底還有硬度極高，導(dǎo)電差、導(dǎo)熱差等特點(diǎn)， 對器件的制作和性能不利。Si作為目前最成熟的半導(dǎo)體材料具有價(jià)格便宜，尺寸大，晶體質(zhì) 量高、導(dǎo)熱能力好等優(yōu)點(diǎn)，用Si做為外延襯底可大大降低芯片的制作成本，提高生產(chǎn)率。但 Si和GaN之間存在較大的晶格失配(17%)和熱失配，會(huì)使GaN外延層中產(chǎn)生極大的張應(yīng)力 廣0. 8GPa/um)與較高的位錯(cuò)密度廣lO^Vcm2)，而且應(yīng)力的存在，會(huì)引起芯片的曲翹，龜裂， 無法用于器件的制作。目前，主要采用AlN緩沖層并插入應(yīng)力控制層的方法解決這些問題。 應(yīng)力控制層主要有AIN/GaN超晶格、AlGaN/GaN超晶格、在線插入SixNy(in-situ SixNy)、富 鎵的GaN層(fei-rich GaN)等。但采用上述方法還是不能生長質(zhì)量比較好的GaN晶體，例 如生長成的GaN基薄膜不平整等，不能更好的滿足使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在Si襯底上生長出高質(zhì)量的GaN基薄膜。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種Si襯底GaN基薄膜的生長方法依次進(jìn)行下列步驟 步驟1 在Si襯底上面形成中間結(jié)構(gòu)層；
步驟2 調(diào)節(jié)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)反應(yīng)腔內(nèi)壓強(qiáng)至50— 150mbar，將襯底加熱至 900 - 1200 0C，生長一高溫低壓GaN插入層；
步驟3 在該高溫低壓GaN插入層上生長GaN基薄膜。所述中間結(jié)構(gòu)層是AlN緩沖層、AlxGiVxN層(x=0 1)、GaN層、SixNy掩膜層、ZnO 緩沖層、SiC、Si/Si02中任意一種或其組合形成的層狀結(jié)構(gòu)。所述的高溫低壓GaN插入層的厚度范圍為0. 5— 500nm。所述的生長所使用的鎵源、鋁源、氮源分別為三甲基鎵、三甲基鋁、氨氣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是
本發(fā)明在GaN基薄膜生長的過程中插入了一層厚度范圍為0. 5—500nm的高溫低壓GaN插入層，該高溫低壓GaN插入層能夠加速GaN三維生長向二維生長的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)表面快速愈 合，從生長過程反射率變化圖的反射率曲線可以看出，由于插入了高溫低壓GaN層，上層 的GaN晶體生長至約600nm厚左右就已經(jīng)愈合，而沒有高溫低壓GaN插入層時(shí)GaN —直生 長至SOOnm還沒有愈合，而且采用本發(fā)明所生長的GaN基薄膜樣品表面形貌非常平整。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所述的Si襯底GaN基薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2所述的Si襯底GaN基薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例3所述的Si襯底GaN基薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例4所述的Si襯底GaN基薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例5所述的Si襯底GaN基薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例1的生長過程反射率變化圖7a是本發(fā)明實(shí)施例1所生長的GaN基外延材料樣品在50倍光學(xué)顯微鏡下的表面形 貌圖7b是現(xiàn)有技術(shù)沒有使用高溫低壓GaN插入層所生長的GaN基外延材料樣品在50倍 光學(xué)顯微鏡下的表面形貌圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。實(shí)施例1
本實(shí)施例是一種Si襯底GaN基薄膜的生長方法，包括下列步驟 步驟1 將Si襯底1放入金屬有機(jī)化學(xué)沉積系統(tǒng)的反應(yīng)腔內(nèi)，利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相 沉積法在Si襯底1上表面沉積AlN緩沖層Ila ；
步驟2 將襯底的溫度加熱至900 - 1200 0C，反應(yīng)腔內(nèi)的氣壓調(diào)至50 — 150mbar，在AlN 緩沖層Ila上面生長一層厚度范圍為0. 5—500nm的高溫低壓GaN插入層2 ；
步驟3 在所述高溫低壓GaN插入層2上表面生長GaN基薄膜3，生長溫度為1100°C左 右，壓強(qiáng)為300mbar左右。以上方法生長GaN基薄膜過程中生長所使用的鎵源、鋁源、氮源分別為三甲基鎵、
三甲基鋁、氨氣。圖6是本實(shí)施列試驗(yàn)中系統(tǒng)檢測到的反射率變化圖，圖中實(shí)線是本發(fā)明實(shí)施例的 生長過程反射率變化情況，虛線是沒有使用高溫低壓GaN插入層生長過程反射率變化情 況。系統(tǒng)的入射激光波長為950nm，從反射率曲線可以看出，由于插入了高溫低壓GaN層，上 層的GaN晶體生長至約600nm厚左右就已經(jīng)愈合，而沒有高溫低壓GaN插入層時(shí)GaN —直 生長至800nm還沒有愈合。圖7a是本實(shí)施例生長后的GaN基外延材料樣品在50倍光學(xué)顯微鏡下的表面形貌 圖，7b是現(xiàn)有技術(shù)沒有使用高溫低壓GaN插入層的情況。從圖7a與圖7b兩幅圖的對比可 以看出，采用本發(fā)明所生長的GaN基外延材料樣品表面形貌非常平整，而沒有采用本發(fā)明 的樣品表面表現(xiàn)出還處于從三維生長向二維生長的轉(zhuǎn)化中，樣品的表面很不平整。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，其區(qū)別在于，如圖2所示，在AlN緩沖層Ila上表面還生成 了一 GaN層11b，再在GaN層上表面lib在線插入SixNy掩膜層11c。實(shí)施例3
本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，其區(qū)別在于，如圖3所示，在AlN緩沖層Ila上表面還生成 了一 SixNy 掩膜層 lid。實(shí)施例4
本實(shí)施例與實(shí)施例1類似，其區(qū)別在于，如圖4所示，在AlN緩沖層Ila上表面還生成 7 AlxGivxN 層(x=0 1)1 Ie。實(shí)施例5
如圖5所示，首先在利用ZnO金屬有機(jī)氣相沉積系統(tǒng)在Si襯底1上沉積一層SiO緩沖 層Hf，形成復(fù)合襯底。然后將帶有ZnO緩沖層的復(fù)合襯底放入GaN金屬有機(jī)氣相沉積系統(tǒng) 反應(yīng)腔中，重復(fù)實(shí)施例1中的步驟2，步驟3，形成高溫低壓GaN插入層2、GaN基薄膜3。
權(quán)利要求
1.一種Si襯底GaN基薄膜的生長方法，其特征在于依次進(jìn)行下列步驟 步驟1 在Si襯底(1)上面形成中間結(jié)構(gòu)層(11);步驟2 調(diào)節(jié)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)反應(yīng)腔內(nèi)壓強(qiáng)至50— 150mbar，將襯底加熱至 900 - 1200°C，生長一高溫低壓GaN插入層(2)；步驟3 在該高溫低壓GaN插入層(2 )上生長GaN基薄膜(3 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si襯底GaN基薄膜的生長方法，其特征在于，所述的中間結(jié) 構(gòu)層(11)是 AlN 緩沖層(11a)、Alx^vxN 層(lie，其中 x=0 1)、GaN 層(lib)、SixNy 掩膜 層(1 Id)、ZnO緩沖層(llf)、SiC、Si/Si02中任意一種或其組合形成的層狀結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si襯底GaN基薄膜的生長方法，其特征在于，所述的高溫低 壓GaN插入層(2)的厚度范圍為0. 5— 500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si襯底GaN基薄膜的生長方法，其特征在于，生長所使用的 鎵源、鋁源、氮源分別為三甲基鎵、三甲基鋁、氨氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Si襯底GaN基薄膜的生長方法，在AlN緩沖層等中間結(jié)構(gòu)生長完成后，調(diào)節(jié)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)反應(yīng)腔壓強(qiáng)至50—150mbar，將襯底加熱至900－1200℃，生長一高溫低壓GaN插入層，再在該插入層上生長GaN基薄膜。該高溫低壓GaN插入層加速了GaN三維生長向二維生長的轉(zhuǎn)變，能促進(jìn)表面快速愈合,有效地提高GaN基薄膜的晶體質(zhì)量。
文檔編號(hào)C30B25/18GK102061519SQ201010558720
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者劉揚(yáng), 向鵬, 張佰君, 羅睿宏 申請人:中山大學(xué)