CN101807523A - 在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步骤：步骤1：选择一大失配衬底；步骤2：在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；步骤3：在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；步骤4：在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；步骤5：在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指在大失配的衬底上，利用氮化物复合缓冲层结合超晶格的方法生长表面无裂纹的GaN薄膜材料。
背景技术
GaN材料作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、电子漂移速度大、热传导率高，耐高压、耐热分解、耐腐蚀和耐放射性辐照的特点，以及其独特的极化效应，特别适合于制作超高频、高温、高耐压、大功率器件，在无线通信、雷达探测系统、高温电子器件和照明领域具有广阔的应用前景。
但是由于GaN材料缺少同质衬底，目前普遍采用异质外延的方式进行生长，最常用的衬底为蓝宝石、碳化硅和硅。由于碳化硅成本高且尺寸小，难以大规模使用；蓝宝石衬底的热导率太低，外延材料制作高温大功率器件受到限制；而硅衬底价格低、制作工艺成熟、尺寸大、热导率高、易解理，并且可以实现硅基光电集成；因此采用硅衬底外延生长GaN材料有明显的优势。
然而由于硅和GaN两种材料的晶格常数与热膨胀系数差别很大，其晶格失配与热失配分别达到17％和56％，导致外延层中存在较大的张应力，从而在GaN薄膜中产生裂纹。同时大晶格失配造成在外延层中存在大量位错，降低了GaN薄膜的晶体质量。本文提出采用氮化物复合缓冲层结合超晶格的方法在硅衬底上生长GaN外延层，能有效降低表面裂纹密度，提高晶体质量。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种在大失配的衬底上外延生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，采用该方法可以显著提高GaN外延层的晶体质量，消除表面裂纹，得到器件级GaN薄膜材料。
本发明提供一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一大失配衬底；
步骤2：在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；
步骤3：在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；
步骤4：在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；
步骤5：在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。
其中所述的大失配衬底为硅衬底。
其中所述的在大失配衬底上生长氮化物复合缓冲层、GaN过渡层、超晶格和GaN外延层的方法是采用金属有机物化学气相外延的方法。
其中所述的氮化物复合缓冲层包括：一AlN层和在AlN层上生长的AlxInyGazN层。
其中所述的GaN过渡层的厚度为0.1-0.4μm，生长温度为800-1100℃。
其中所述的超晶格的材料为AlN/AlxGayN。
其中所述的GaN外延层的生长温度为800-1100℃。
其中所述的氮化物复合缓冲层中的AlN层的厚度为50-250nm，生长温度为900-1100℃。
其中所述的氮化物复合缓冲层中AlxInyGazN层的厚度为60-240nm，其中x+y+z＝1，0＜x＜1，0≤y＜1，0＜z＜1，生长温度为900-1100℃。
其中所述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分别为3-12nm和6-25nm，其中x+y＝1，0≤x＜1，0＜y≤1，超晶格的生长温度为900-1100℃。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合具体实施方式及附图对本发明做一详细的描述，其中：
图1为本发明在大失配衬底上外延生长GaN薄膜材料的流程示意图；
图2为本发明在硅衬底上外延生长GaN薄膜材料的方法示意图；
具体实施方式
为详细说明本发明的技术方案，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。
如图1、2所示，为本发明提供的一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一大失配衬底01，该大失配衬底01为硅衬底；
步骤2：在大失配衬底01上生长一层氮化物复合缓冲层02，该氮化物复合缓冲层02的晶格参数比GaN外延层的晶格参数小，因此可以提供压应力，缓解后续步骤生长的GaN外延层05在降温过程中由于硅衬底与GaN外延层热失配造成的张应力，并且阻止回熔刻蚀反应，其中所述的氮化物复合缓冲层02包括：一AlN层021和在AlN层上生长的AlxInyGazN层022，所述的氮化物复合缓冲层02中的AlN层021的厚度为50-250nm，生长温度为900-1100℃，所述的氮化物复合缓冲层02中AlxInyGazN层022的厚度为60-240nm，其中x+y+z＝1，0＜x＜1，0≤y＜1，0＜z＜1，生长温度为900-1100℃；
步骤3：在氮化物复合缓冲层02上生长一层GaN过渡层03，所述的GaN过渡层03的厚度为0.1-0.4μm，生长温度为800-1100℃；
步骤4：在GaN过渡层03上生长一组超晶格04，该超晶格04可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错，其中所述的超晶格04的材料为AlN/AlxGayN，其中所述的超晶格04中AlN和AlxGayN的厚度分别为3-12nm和6-25nm，其中x+y＝1，0≤x＜1，0＜y≤1，超晶格04的生长温度为900-1100℃；
步骤5：在超晶格04上面生长GaN外延层05，该GaN外延层05的生长温度为800-1100℃，完成GaN薄膜的制备。
所述的在大失配硅衬底01上生长氮化物复合缓冲层02、GaN过渡层03、超晶格04和GaN外延层05的方法是采用金属有机物化学气相外延的方法。
实施例
本发明提供一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一硅衬底01；
步骤2：在硅衬底01上生长一层氮化物复合缓冲层02，该氮化物复合缓冲层02可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应，该氮化物复合缓冲层02包括一AlN层021和在AlN层上生长的AlxInyGazN层022；
步骤3：在氮化物复合缓冲层02上生长一层0.2μm厚的GaN过渡层03，该GaN过渡层03的生长温度为950℃；
步骤4：在GaN过渡层03上生长一组超晶格04，超晶格04包括3-12nm厚的AlN和6-25nm厚的AlxGayN，该超晶格04可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；其中所述的，其中x+y＝1，0≤x＜1，0＜y≤1，超晶格的生长温度为1000℃。
步骤5：在超晶格04上面生长GaN外延层05，生长温度为950℃，完成GaN薄膜的制备。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一大失配衬底；
步骤2：在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；
步骤3：在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；
步骤4：在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；
步骤5：在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。
2.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的大失配衬底为硅衬底。
3.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的在大失配衬底上生长氮化物复合缓冲层、GaN过渡层、超晶格和GaN外延层的方法是采用金属有机物化学气相外延的方法。
4.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的氮化物复合缓冲层包括：一AlN层和在AlN层上生长的AlxInyGazN层。
5.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的GaN过渡层的厚度为0.1-0.4μm，生长温度为800-1100℃。
6.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的超晶格的材料为AlN/AlxGayN。
7.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的GaN外延层的生长温度为800-1100℃。
8.根据权利要求4所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的氮化物复合缓冲层中的AlN层的厚度为50-250nm，生长温度为900-1100℃。
9.根据权利要求4所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的氮化物复合缓冲层中AlxInyGazN层的厚度为60-240nm，其中x+y+z＝1，0＜x＜1，0≤y＜1，0＜z＜1，生长温度为900-1100℃。
10.根据权利要求6所述的大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分别为3-12nm和6-25nm，其中x+y＝1，0≤x＜1，0＜y≤1，超晶格的生长温度为900-1100℃。
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