[發(fā)明專利]一種SiC或Si襯底GaN基晶體的結(jié)構(gòu)及其生長方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910255723.5
• 申請日: 2009-12-28
• 公開（公告）號: CN101771121A
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳德華;朱學(xué)亮;曲爽;李毓鋒;李樹強(qiáng);徐現(xiàn)剛
• 申請（專利權(quán)）人: 山東華光光電子有限公司
• 主分類號: H01L33/12
• 分類號: H01L33/12;C30B25/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種提高SiC(碳化硅)襯底的GaN晶體生長質(zhì)量的方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

以GaN為代表的三族氮化物(AlN、GaN、InN、AlGaInN)由于具有優(yōu)良的光電特性，因而在藍(lán)光、綠光、紫外發(fā)光二極管(LED)及高頻、高溫大功率電子器件中得到廣泛應(yīng)用。由于缺乏晶格匹配的襯底，三族氮化物都是異質(zhì)外延在其他材料上，常用的襯底有藍(lán)寶石、SiC(碳化硅)、Si(硅)、砷化鎵、氧化鋅等，常用的外延方法有金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)等。

而SiC(碳化硅)是寬帶隙半導(dǎo)體材料，與Si相比，它在應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢。由于具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達(dá)600℃，而Si器件的最高工作溫度局限在175℃。SiC器件的高溫工作能力降低了對系統(tǒng)熱預(yù)算的要求。此外，SiC器件還具有較高的熱導(dǎo)率、高擊穿電場強(qiáng)度、高飽和漂移速率、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，其擊穿電場強(qiáng)度比同類Si器件要高。

SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍(lán)寶石，目前還沒有第三種襯底用于GaN?LED的商業(yè)化生產(chǎn)。SiC襯底有化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，由于SiC襯底優(yōu)異的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，可以較好地解決功率型GaN?LED器件的散熱問題，故在半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占重要地位。但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質(zhì)量難以達(dá)到藍(lán)寶石和Si那么好、機(jī)械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380納米以下的紫外LED。并且SiC襯底LED的正面出光效率非常低。

在基于SiC或Si為襯底生產(chǎn)LED的過程中，由于SiC本身與GaN之間的晶格適配相對較大，化學(xué)性質(zhì)相差太大，導(dǎo)致他們之間不浸潤，沒法直接生長，目前比較流行的就是在SiC和GaN之間插入一層晶格常數(shù)在他們之間的AlN作為緩沖層，再在上面生長GaN，會有效的減小晶格適配帶來的應(yīng)力，以防外延片生長過程中出現(xiàn)裂紋，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下至上包括SiC或Si襯底、AlN緩沖層、N型GaN層、MQW(多量子阱)和P型GaN層。

目前的AlN作為緩沖層生長通常使用的是在溫度900-1100度之間直接在SiC上生長一層約100nm厚的AlN，這種高溫AlN生長方法，比較難以獲得高質(zhì)量的晶體。因為AlN要求在1300度左右，才能得到最佳的晶體質(zhì)量，目前常用的生產(chǎn)設(shè)備都達(dá)不到這個高溫要求。

中國專利文獻(xiàn)CN101060076公開了《一種高晶體質(zhì)量的GaN絕緣或半絕緣外延層的制備方法》，該方法是以Al₂O₃、SiC或Si為襯底，在襯底經(jīng)高溫氮化后，依次于750～780℃下高溫生長AlN成核層，于720～730℃下低溫三維生長(垂直生長速度大于橫向生長速度)GaN成核層，生長出粗糙的表面，再于750～780℃下高溫二維生長(垂直生長速度小于橫向生長速度)GaN外延層，生長出平整的表面。繼續(xù)外延生長GaN的同時，實行原位金屬Fe、Cr或Mg摻雜，制備出高位錯密度、相對粗糙的GaN絕緣層。此后采用AlGaN/GaN超晶格或多周期間歇式原子層脈沖沉積法，生長GaN過渡層，最后在720～730℃、高III/V比條件下生長出高晶體質(zhì)量、表面光滑的GaN外延層。

上述專利文獻(xiàn)利用的是GaN的三維和二維生長，工藝實現(xiàn)相對復(fù)雜，在GaN三維、二維生長時還要實行原位金屬Fe、Cr或Mg摻雜，對電學(xué)性能要求較高。

中國專利文獻(xiàn)CN1738000公開了一種《GaN半導(dǎo)體材料的異質(zhì)外延方法》，該方法是在SiC襯底面和藍(lán)寶石襯底面上，利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD工藝，首先淀積過渡層和掩膜，并按照涉及圖案刻蝕掩膜，進(jìn)入并暴露出緩沖層AlN作為生長種子區(qū)域；然后將該種子區(qū)GaN的生長溫度置于1050～1100℃的范圍，壓力置于40tor左右，在種子區(qū)的緩沖層AlN上成核形種子，并以金字塔式外延生長，即在種子區(qū)以縱向垂直生長為主，橫向緩慢生長，當(dāng)垂直生長到適當(dāng)高度后，改變生長工藝參數(shù)，在線進(jìn)入SiN掩膜上部覆蓋的冠狀生長過程，即從長成的塔頂部開始，以橫向懸掛生長為主，縱向緩慢生長。該方法具有薄膜質(zhì)量高之優(yōu)點，可用于對低缺陷密度半導(dǎo)體薄膜材料的制備。

上述文獻(xiàn)使用MOCVD工藝，生長過程中多次改變生長條件，對于垂直生長高度等，沒有給出具體的實現(xiàn)方式，并且引入了圖案刻蝕掩膜，SiN掩膜，實現(xiàn)較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容