專(zhuān)利名稱(chēng)：在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指在大失配的襯底上，利用氮化物復(fù)合緩沖層 結(jié)合超晶格的方法生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜材料。
背景技術(shù)：
GaN材料作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，具有禁帶寬度大、電子漂移速度大、 熱傳導(dǎo)率高，耐高壓、耐熱分解、耐腐蝕和耐放射性輻照的特點(diǎn)，以及其獨(dú)特的極化效應(yīng)，特 別適合于制作超高頻、高溫、高耐壓、大功率器件，在無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)、高溫電子器 件和照明領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是由于GaN材料缺少同質(zhì)襯底，目前普遍采用異質(zhì)外延的方式進(jìn)行生長(zhǎng)，最常 用的襯底為藍(lán)寶石、碳化硅和硅。由于碳化硅成本高且尺寸小，難以大規(guī)模使用；藍(lán)寶石襯 底的熱導(dǎo)率太低，外延材料制作高溫大功率器件受到限制；而硅襯底價(jià)格低、制作工藝成 熟、尺寸大、熱導(dǎo)率高、易解理，并且可以實(shí)現(xiàn)硅基光電集成；因此采用硅襯底外延生長(zhǎng)GaN 材料有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而由于硅和GaN兩種材料的晶格常數(shù)與熱膨脹系數(shù)差別很大，其晶格失配與熱 失配分別達(dá)到17%和56%，導(dǎo)致外延層中存在較大的張應(yīng)力，從而在GaN薄膜中產(chǎn)生裂紋。 同時(shí)大晶格失配造成在外延層中存在大量位錯(cuò)，降低了 GaN薄膜的晶體質(zhì)量。本文提出采 用氮化物復(fù)合緩沖層結(jié)合超晶格的方法在硅襯底上生長(zhǎng)GaN外延層，能有效降低表面裂紋 密度，提高晶體質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種在大失配的襯底上外延生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN 薄膜的方法，采用該方法可以顯著提高GaN外延層的晶體質(zhì)量，消除表面裂紋，得到器件級(jí) GaN薄膜材料。本發(fā)明提供一種在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，包括如下步 驟步驟1 選擇一大失配襯底；步驟2 在大失配襯底上生長(zhǎng)一層氮化物復(fù)合緩沖層，該氮化物復(fù)合緩沖層可以 緩解晶格失配，并且阻止回熔刻蝕反應(yīng)；步驟3 在氮化物復(fù)合緩沖層上生長(zhǎng)一層GaN過(guò)渡層；步驟4 在GaN過(guò)渡層上生長(zhǎng)一組超晶格，該超晶格可以釋放部分張應(yīng)力，并能過(guò) 濾穿透位錯(cuò)；步驟5 在超晶格上面生長(zhǎng)GaN外延層，完成GaN薄膜的制備。其中所述的大失配襯底為硅襯底。其中所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)氮化物復(fù)合緩沖層、GaN過(guò)渡層、超晶格和GaN外 延層的方法是采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延的方法。
其中所述的氮化物復(fù)合緩沖層包括一 AlN層和在AlN層上生長(zhǎng)的AlxInyGazN層。其中所述的GaN過(guò)渡層的厚度為0. 1-0. 4 μ m，生長(zhǎng)溫度為800-1100°C。其中所述的超晶格的材料為AlN/AlxGayN。其中所述的GaN外延層的生長(zhǎng)溫度為800-1100°C。其中所述的氮化物復(fù)合緩沖層中的AlN層的厚度為50-250nm，生長(zhǎng)溫度為 900-1100°C。其中所述的氮化物復(fù)合緩沖層中AlxInyGazN層的厚度為60-240nm，其中x+y+z = 1,0 < X < 1,0 ^ y < 1,0 < Z < 1，生長(zhǎng)溫度為 900_1100°C。其中所述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分別為3-12nm和6-25nm，其中x+y = 1,0 ^ χ < 1,0 < y ^ 1，超晶格的生長(zhǎng)溫度為900-1100°C。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
及附圖對(duì)本發(fā)明做一詳細(xì)的描述，其中圖1為本發(fā)明在大失配襯底上外延生長(zhǎng)GaN薄膜材料的流程示意圖；圖2為本發(fā)明在硅襯底上外延生長(zhǎng)GaN薄膜材料的方法示意具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn) 一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1、2所示，為本發(fā)明提供的一種在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜 的方法，包括如下步驟步驟1 選擇一大失配襯底01，該大失配襯底01為硅襯底；步驟2 在大失配襯底01上生長(zhǎng)一層氮化物復(fù)合緩沖層02，該氮化物復(fù)合緩沖 層02的晶格參數(shù)比GaN外延層的晶格參數(shù)小，因此可以提供壓應(yīng)力，緩解后續(xù)步驟生長(zhǎng) 的GaN外延層05在降溫過(guò)程中由于硅襯底與GaN外延層熱失配造成的張應(yīng)力，并且阻止 回熔刻蝕反應(yīng)，其中所述的氮化物復(fù)合緩沖層02包括一 AlN層021和在AlN層上生長(zhǎng)的 AlxInyGazN層022，所述的氮化物復(fù)合緩沖層02中的AlN層021的厚度為50_250nm，生長(zhǎng) 溫度為900-1IOO0C，所述的氮化物復(fù)合緩沖層02中AlxInyGazN層022的厚度為60-240nm， 其中 x+y+z = 1,0 < χ < 1,0 ^ y < 1,0 < ζ < 1，生長(zhǎng)溫度為 900_1100°C ；步驟3 在氮化物復(fù)合緩沖層02上生長(zhǎng)一層GaN過(guò)渡層03，所述的GaN過(guò)渡層03 的厚度為0. 1-0. 4 μ m，生長(zhǎng)溫度為800-1IOO0C ；步驟4 在GaN過(guò)渡層03上生長(zhǎng)一組超晶格04，該超晶格04可以釋放部分張應(yīng) 力，并能過(guò)濾穿透位錯(cuò)，其中所述的超晶格04的材料為AIN/AlxGayN，其中所述的超晶格04 中 AlN 禾口 AlxGayN 的厚度分別為 3_12nm 禾口 6_25nm，其中 x+y = 1,0 ^ χ < 1,0 < y ^ 1, 超晶格04的生長(zhǎng)溫度為900-1100°C ；步驟5 在超晶格04上面生長(zhǎng)GaN外延層05，該GaN外延層05的生長(zhǎng)溫度為 800-1100°C，完成GaN薄膜的制備。
所述的在大失配硅襯底01上生長(zhǎng)氮化物復(fù)合緩沖層02、GaN過(guò)渡層03、超晶格04和GaN外延層05的方法是采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延的方法。實(shí)施例本發(fā)明提供一種在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，包括如下步 驟步驟1 選擇一硅襯底01 ；步驟2 在硅襯底01上生長(zhǎng)一層氮化物復(fù)合緩沖層02，該氮化物復(fù)合緩沖層02可 以緩解晶格失配，并且阻止回熔刻蝕反應(yīng)，該氮化物復(fù)合緩沖層02包括一 AlN層021和在 AlN層上生長(zhǎng)的AlxInyGazN層022 ；步驟3 在氮化物復(fù)合緩沖層02上生長(zhǎng)一層0. 2 μ m厚的GaN過(guò)渡層03，該GaN過(guò) 渡層03的生長(zhǎng)溫度為950°C ；步驟4 在GaN過(guò)渡層03上生長(zhǎng)一組超晶格04，超晶格04包括3_12nm厚的AlN和 6-25nm厚的AlxGayN,該超晶格04可以釋放部分張應(yīng)力，并能過(guò)濾穿透位錯(cuò)；其中所述的，其 中x+y = l，0≤x<l，0<y≤1，超晶格的生長(zhǎng)溫度為1000°C。步驟5 在超晶格04上面生長(zhǎng)GaN外延層05，生長(zhǎng)溫度為950°C，完成GaN薄膜的 制備。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，包括如下步驟步驟1選擇一大失配襯底；步驟2在大失配襯底上生長(zhǎng)一層氮化物復(fù)合緩沖層，該氮化物復(fù)合緩沖層可以緩解晶格失配，并且阻止回熔刻蝕反應(yīng)；步驟3在氮化物復(fù)合緩沖層上生長(zhǎng)一層GaN過(guò)渡層；步驟4在GaN過(guò)渡層上生長(zhǎng)一組超晶格，該超晶格可以釋放部分張應(yīng)力，并能過(guò)濾穿透位錯(cuò)；步驟5在超晶格上面生長(zhǎng)GaN外延層，完成GaN薄膜的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的大失配襯底為硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的在大失配襯底上生長(zhǎng)氮化物復(fù)合緩沖層、GaN過(guò)渡層、超晶格和GaN外延層的方法是采 用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延的方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物復(fù)合緩沖層包括一 AlN層和在AlN層上生長(zhǎng)的AlxInyGazN層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的GaN過(guò)渡層的厚度為0. 1-0. 4 μ m，生長(zhǎng)溫度為800-1100°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的超晶格的材料為AlN/AlxGayN。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的GaN外延層的生長(zhǎng)溫度為800-1100°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物復(fù)合緩沖層中的AlN層的厚度為50-250nm，生長(zhǎng)溫度為900-1100°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物復(fù)合緩沖層中AlxInyGazN層的厚度為60-240nm，其中x+y+z = 1,0 < χ < 1, 0 ≤ y < 1,0 < z< 1，生長(zhǎng)溫度為 900-1100°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，其中所 述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分別為3_12nm和6_25nm，其中x+y = 1，0≤χ < 1，0 < y ≤1，超晶格的生長(zhǎng)溫度為900-1100°C。
全文摘要
一種在大失配襯底上生長(zhǎng)表面無(wú)裂紋的GaN薄膜的方法，包括如下步驟步驟1選擇一大失配襯底；步驟2在大失配襯底上生長(zhǎng)一層氮化物復(fù)合緩沖層，該氮化物復(fù)合緩沖層可以緩解晶格失配，并且阻止回熔刻蝕反應(yīng)；步驟3在氮化物復(fù)合緩沖層上生長(zhǎng)一層GaN過(guò)渡層；步驟4在GaN過(guò)渡層上生長(zhǎng)一組超晶格，該超晶格可以釋放部分張應(yīng)力，并能過(guò)濾穿透位錯(cuò)；步驟5在超晶格上面生長(zhǎng)GaN外延層，完成GaN薄膜的制備。
文檔編號(hào)H01L21/205GK101807523SQ20101012837
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者劉宏新, 李建平, 潘旭, 王曉亮, 王翠梅, 肖紅領(lǐng), 魏萌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所