[發明專利]一種外延生長用藍寶石襯底的鎵原子清洗的方法

無效

• 申請號: 02112310.1
• 申請日: 2002-06-28
• 公開（公告）號: CN1395290A
• 公開（公告）日: 2003-02-05
• 發明（設計）人: 李愛珍;齊鳴;趙智彪;李偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種外延生長用藍寶石襯底的鎵原子清洗的方法，更確切地說涉及使用Ga原子對藍寶石襯底進行清洗的預處理，以獲取單原子層級平整度的藍寶石襯底表面，從而提高在此基礎上生長的GaN外延層表面的平整度。屬于晶體外延生長領域。

背景技術

以GaN為代表的第三代半導體材料無論在光學特性還是在電學特性方面都很好的彌補了傳統半導體材料本身固有的缺點，因而在近幾年發展異常迅速。

異質外延是目前獲得GaN材料的主要生長技術，包括金屬有機物氣相淀積(MOCVD或MOVPE)、分子束外延(MBE)以及鹵化物氣相外延(HVPE)等。藍寶石(Sapphire，α-Al₂O₃)是目前國際上異質外延生長GaN最廣泛使用的襯底，其表面平整度的好壞直接影響外延層GaN的晶體質量。尤其是近兩年發展起來的基于AlGaN/GaN異質結二維電子氣(2DEG)的材料及器件的研究，對材料生長的表面平整度要求更為苛刻，以至于達到亞納米量級(材料表面的粗糙度在幾個埃以內)。這樣，藍寶石襯底的預處理工藝就顯得更為重要。

化學清洗是對藍寶石最普通、最廣泛使用也是必不可少的預處理步驟。在藍寶石(0001)作為襯底送入MBE系統之前，需進行有機溶劑，如異丙醇、丙酮、酒精的清洗和腐蝕液腐蝕。前者的目的是去除襯底表面沾污和油漬，后者是進一步清除拋光帶來的機械損傷，提高襯底表面的平整度。常用的腐蝕液是H₂SO₄∶H₃PO₄＝3∶1的溶液。將藍寶石襯底用有機溶劑超聲清洗并用去離子水反復沖洗30次，然后用高純N₂吹干后，在100℃腐蝕溶液中腐蝕10分鐘，腐蝕后用去離子水反復沖洗，并用N₂吹干。

在化學清洗基礎上，藍寶石襯底的在線高溫處理也逐漸顯現出其重要性和必要性。而在此基礎上發展起來的對藍寶石襯底表面進行高溫氮化的工藝，更是目前各種外延技術生長GaN過程中廣泛應用的預處理工藝。

HVPE是近年來迅速發展的外延厚膜GaN的生長技術。在HVPE生長工藝中，一個幾乎已被公認的襯底處理工藝是：在生長前使用GaCl₃對藍寶石襯底進行表面處理，稱為“化學束流清洗”(K.Naniwae，S.Itoh，H.Amano，K.Itoh，et?al，“Growth?of?single?crystal?GaN?substrate?using?hydride?vapor?phaseepitaxy”，J.cryst.Growth，Vol.99，381(1990)、Akira?Usui，Haruo?Sunakawa，Akira?Sakai，and?A.Atsushi?Yamaguchi，“Thick?GaN?epitaxial?growth?with?LowDisl?ation?density?by?Hydride?Vapor?Phase?Epitaxy”，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.36，L899(1997))，從而明顯地提高了藍寶石表明的平整度。

另一方面，MOCVD的緩沖層生長研究中，S.Fung等人比較了Ga原子在白寶石界面的擴散深度和Al原子在GaN層的擴散深度(S.Fung，Xuxiaoliang，Zhao?Youwen，Sun?Wenhong，et?al.，“Gallium/aluminum?interdiffusionbetween?n-GaN?and?sapphire”，J.Appl.Phys.，Vol.84，2355(1998))。根據S.Fung等人的實驗測量和模擬結果，Ga對α-Al₂O₃的擴散系數為D_Ga＝2.3×10^-13cm²s^-1，Al對GaN的擴散系數為D_Al≈4.8×10^-15cm²s^-1。這說明，在高溫生長過程中，擴散和生長是同時進行的。