CN104141171B - 一种GaN复合薄膜及在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，包括：在Si衬底(10)上形成缓冲层(11)；在缓冲层(11)上形成几个原子厚度的SixNy非晶层(12)；在未被SixNy非晶层覆盖的缓冲层(11)上形成GaN层(18)，使GaN在缓冲层(11)的小岛上成核生长，形成GaN复合薄膜；以及由此得到的一种在Si衬底上形成的GaN复合薄膜。本发明的在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法可以实现无裂纹、高质量的生长，从而得到高电阻、低位错的GaN复合薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料制造领域，更具体地，涉及一种GaN复合薄膜及在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法。
背景技术
在半导体科学和技术的发展过程中，一般将硅(Si)、锗(Ge)称为第一代半导体材料，将砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)及其固溶体称为第二代半导体材料。随着Si和GaAs半导体材料技术的成熟、半导体晶体管和集成电路的发明、半导体激光器的诞生，人类逐渐进入了信息时代。以氮化镓GaN为代表的III族氮化物材料包括了GaN、AlN、InN以及它们的三元和四元合金材料(AlGaN、InGaN和AlInGaN等)，称为第三代半导体材料。它们的禁带宽度(0.8～6.2eV)覆盖了从红外到深紫外这一重要波段，因此在发光二极管(LED)、激光器(LD)、探测器(PD)、太阳能电池等方面有着广泛的应用。另一方面，由于GaN基材料的禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和速率高、热稳定性好、抗腐蚀性强等优点，使其在微电子器件领域也有广泛的应用前景，适合于在高温、大功率及恶劣环境下工作。
与蓝宝石和SiC衬底相比，Si衬底有价格便宜、制造工艺简单、便于集成等优点。但是由于衬底与外延有很大的晶格失配及热失配，使得在Si衬底上生长GaN很困难。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，该方法能够提供较大的初始压应力和较小的初始位错密度，从而增大压应力转变为张应力的厚度，最终获得无裂纹、高质量的GaN复合外延薄膜材料。
作为本发明的一个方面，本发明提供了一种在Si衬底上形成的GaN复合薄膜，包括：
-在Si衬底10上形成的缓冲层11；
-在缓冲层11上形成的GaN外延层18。
其中，在所述缓冲层11和GaN外延层18之间还顺次形成有SixNy非晶层12、第一GaN层13、第一插入层14、第二GaN层15、第二插入层16和第三插入层17；以及
所述SixNy非晶层12的厚度为几个原子层的厚度，从而GaN能够在没有被SixNy非晶层12覆盖的缓冲层11的小岛上成核生长。
优选地，所述缓冲层11采用720℃到800℃之间沉积的AlN，优选为720℃沉积的AlN。
优选地，所述第一插入层14和第二插入层16采用720℃沉积的AlN，所述第三插入层17采用AlGaN。
优选地，所述的在Si衬底10上形成各层的方法包括HVPE、MOCVD、PECVD、LPCVD。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供一种在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，包括以下步骤：
在Si衬底10上形成缓冲层11；
在所述缓冲层11上形成GaN外延层18。
其中，在所述缓冲层11上形成GaN外延层18的步骤依次包括：
在所述缓冲层11上形成SixNy非晶层12；
在没有被SixNy非晶层12覆盖的缓冲层11的小岛上形成第一GaN层13；
在所述第一GaN层13上形成第一插入层14；
在所述第一插入层14上形成第二GaN层15；
在所述第二GaN层15上形成第二插入层16；
在所述第二插入层16上形成第三插入层17；
在所述第三插入层17上形成GaN外延层18。
其中，在Si衬底10上形成缓冲层11的步骤之前，还包括在Si衬底10上预先沉积几个原子层厚度的Al的步骤。
优选地，所述缓冲层11采用720℃沉积的AlN，所述插入层14和插入层16采用720℃沉积的AlN，所述插入层17采用AlGaN。
优选地，所述的在Si衬底10上形成各层的方法包括HVPE、MOCVD、PECVD、LPCVD。
通过上述技术方案可知，本发明的在Si衬底上外延生长GaN复合薄膜的方法可以实现无裂纹、高质量的生长，从而得到高电阻、低位错的GaN薄膜。
附图说明
图1是根据本发明的方法在Si衬底上形成GaN复合薄膜的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出的一种在Si衬底上外延生长GaN薄膜的方法的基本原理为：以传统二步生长法为基础，采用低温AlN作为缓冲层，缓解Si衬底和GaN巨大的晶格失配，同时低温AlN层作为GaN薄膜的成核层，由于Si衬底和AlN依然有很大的晶格失配，AlN三维生长后并未像在蓝宝石上一样转变为二维生长而是继续三维生长，使得岛密度过大，其上生长的GaN质量极差，故在其上生长一层SixNy非晶层，使得GaN只能在没有被覆盖的AlN上成核，提高GaN质量。此外，进一步地，还可以使用两层低温AlN插入层为外延层提供较大的初始压应力，用来中和由于热失配造成的冷却过程产生的张应力，并通过一层AlGaN插入层过滤位错，使得GaN外延层初始位错密度大大降低，从而增加压应力转变为张应力的厚度，最终得到一定厚度的无裂纹、高质量的GaN外延层。
具体地，本发明提出的一种Si衬底上的无裂纹、高质量GaN薄膜的制备过程如下：
在H2气氛下，在Si衬底10表面预先通入三甲基铝(TMAl)，从而通过例如氢化物气相外延法(HVPE)、金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)、等离子体增强化学气相沉淀法(PECVD)、低压力化学气相沉淀法(LPCVD)等方法沉积几个原子厚度的金属Al，抑制在Si衬底10上形成SixNy非晶层；
在Si衬底10上利用上述方法之一在720℃下生长100nm AlN缓冲层11，缓解Si衬底10和GaN外延层18巨大的晶格失配，同时AlN缓冲层11也是第一GaN层13的成核层；
通入硅烷，在缓冲层11上生长几个原子厚度的SixNy非晶层12，SixNy非晶层12没有完全覆盖AlN缓冲层11；
在SixNy非晶层上生长500nm的第一GaN层13，使GaN在没有被覆盖的AlN缓冲层的小岛上成核生长；
在第一GaN层13上生长20nm低温AlN的第一插入层14；
在第一插入层14上生长500nm第二GaN层15。由于第一插入层14完全弛豫，第二GaN层15受到了第一插入层14提供的压应力；
在第二GaN层15上再生长20nm低温AlN的第二插入层16。由于下面的第二GaN层15已经受到压应力，故此第二插入层16可以为GaN外延层18提供更大的初始压应力；
在第二插入层16上生长500nm AlGaN的第三插入层17。第三插入层17在压应力下，可以使位错倾斜反应，减少位错，同时界面可以过滤位错，使得GaN外延层18的初始位错密度大大降低；
在第三插入层17上生长GaN外延层18。由于GaN外延层18中的位错倾斜是压应力转变为张应力的主要原因，故在较小的初始位错密度及较大的压应力下，压应力不易转变为张应力，最终得到一定厚度的无裂纹、高质量的GaN外延层18。
下面参照图1，进一步描述根据本发明的方法在Si衬底上制得的无裂纹、高质量GaN复合薄膜，包括：
-缓冲层11，制作在Si衬底10上，厚度为100nm；
-SixNy非晶层12，制作在缓冲层11上，厚度为几个原子厚；
-第一GaN层13，制作在未被SixNy非晶层12覆盖的缓冲层11上，厚度为500nm；
-第一插入层14，制作在第一GaN层13上，厚度为20nm；
-第二GaN层15，制作在第一插入层14上，厚度为500nm；
-第二插入层16，制作在第二GaN层15上，厚度为20nm；
-第三插入层17，制作在第二插入层16上，厚度为500nm；
-GaN外延层18，制作在第三插入层17上。
其中，缓冲层11采用720℃到800℃沉积的低温AlN，优选为720℃沉积的低温AlN。其中，插入层14、16采用720℃沉积的低温AlN。
其中，插入层17采用AlGaN。
经过实际检验，本发明的在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法可以实现无裂纹、高质量的生长，消除Si衬底与GaN外延层之间很大的晶格失配及热失配，从而得到高电阻、低位错的GaN复合薄膜。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的只体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种在Si衬底上形成的GaN复合薄膜，包括：
-在Si衬底(10)上形成的缓冲层(11)；
-在缓冲层(11)上形成的GaN外延层(18)；
所述缓冲层(11)和GaN外延层(18)之间还顺次形成有SixNy非晶层(12)、第一GaN层(13)、第一插入层(14)、第二GaN层(15)、第二插入层(16)和第三插入层(17)；以及
所述SixNy非晶层(12)的厚度为几个原子层的厚度，从而GaN能够在没有被SixNy非晶层(12)覆盖的缓冲层(11)的小岛上成核生长；
所述第一插入层(14)和第二插入层(16)采用720℃沉积的AlN，所述第三插入层(17)采用AlGaN。
2.根据权利要求1所述的在Si衬底上形成的GaN复合薄膜，其中所述缓冲层(11)采用720℃到800℃之间沉积的AlN。
3.根据权利要求1所述的在Si衬底上形成的GaN复合薄膜，其中所述缓冲层(11)采用720℃沉积的AlN。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的在Si衬底上形成的GaN复合薄膜，其中所述的在Si衬底(10)上形成各层的方法包括HVPE、MOCVD、PECVD、LPCVD。
5.一种在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，包括以下步骤：
在Si衬底(10)上形成缓冲层(11)；
在所述缓冲层(11)上形成SixNy非晶层(12)；
在没有被SixNy非晶层(12)覆盖的缓冲层(11)的小岛上形成第一GaN层(13)；
在所述第一GaN层(13)上形成第一插入层(14)；
在所述第一插入层(14)上形成第二GaN层(15)；
在所述第二GaN层(15)上形成第二插入层(16)；
在所述第二插入层(16)上形成第三插入层(17)；
在所述第三插入层(17)上形成GaN外延层(18)；
其中，所述第一插入层(14)和第二插入层(16)采用720℃沉积的AlN，所述第三插入层(17)采用AlGaN。
6.根据权利要求5所述的在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，其中在Si衬底(10)上形成缓冲层(11)的步骤之前，还包括在Si衬底(10)上预先沉积几个原子层厚度的Al的步骤。
7.根据权利要求5所述的在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，其中所述缓冲层(11)采用720℃沉积的AlN。
8.根据权利要求5所述的在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，其中所述的在Si衬底(10)上形成各层的方法包括HVPE、MOCVD、PECVD、LPCVD。
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