[發明專利]Si襯底GaN基薄膜的生長方法

無效

• 申請號: 201010558720.1
• 申請日: 2010-11-25
• 公開（公告）號: CN102061519A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 張佰君;羅睿宏;向鵬;劉揚
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C30B25/18
• 分類號: C30B25/18;C30B29/40
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 禹小明

技術領域

本發明涉及GaN基薄膜材料制作技術領域，特別是Si襯底GaN基薄膜的生長。

背景技術

GaN由于具有大禁帶寬度（3.4?eV）、高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為目前半導體技術的熱點。Ⅲ族氮化物GaN、AlN（禁帶寬度6.2?eV）、InN（禁帶寬度0.7eV）及其組成的合金In_xAl_yGa_1-x-yN禁帶寬度覆蓋了從紅外到可見光、紫外光的能量范圍，因此在光電子領域有著廣泛的應用，如大功率白光LED,紫外、藍光激光器，紫外波段的日盲探測器，高頻高功率器件等。

由于大尺寸GaN單晶生長十分困難，現在主要采用外延生長的辦法在藍寶石、SiC等襯底材料上生長GaN薄膜及器件。目前在這兩種襯底上已經生長出了較高質量的GaN材料和光電器件,實現了產品的商業化，但是這兩種襯底價格昂貴，尤其是SiC,?而且尺寸都比較小,增加了器件的制作成本。此外，藍寶石襯底還有硬度極高，導電差、導熱差等特點，對器件的制作和性能不利。Si作為目前最成熟的半導體材料具有價格便宜，尺寸大，晶體質量高、導熱能力好等優點，用Si做為外延襯底可大大降低芯片的制作成本，提高生產率。但Si和GaN之間存在較大的晶格失配（17%）和熱失配，會使GaN外延層中產生極大的張應力（~0.8GPa/um）與較高的位錯密度（~10¹⁰/cm²），而且應力的存在，會引起芯片的曲翹，龜裂，無法用于器件的制作。目前，主要采用AlN緩沖層并插入應力控制層的方法解決這些問題。應力控制層主要有AlN/GaN超晶格、AlGaN/GaN超晶格、在線插入Si_xN_y(in-situ?Si_xN_y)、富鎵的GaN層(Ga-rich?GaN)等。但采用上述方法還是不能生長質量比較好的GaN晶體，例如生長成的GaN基薄膜不平整等，不能更好的滿足使用要求。

發明內容

本發明的目的是在Si襯底上生長出高質量的GaN基薄膜。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種Si襯底GaN基薄膜的生長方法：依次進行下列步驟：

步驟1：在Si襯底上面形成中間結構層；

步驟2：調節金屬有機化學氣相沉積系統反應腔內壓強至50—150mbar，將襯底加熱至900－1200?℃，生長一高溫低壓GaN插入層；

步驟3：在該高溫低壓GaN插入層上生長GaN基薄膜。

所述中間結構層是AlN緩沖層、Al_xGa_1-xN層(x=0～1)、GaN層、Si_xN_y掩膜層、ZnO緩沖層、SiC、Si/SiO₂中任意一種或其組合形成的層狀結構。

所述的高溫低壓GaN插入層的厚度范圍為0.5—500nm。

所述的生長所使用的鎵源、鋁源、氮源分別為三甲基鎵、三甲基鋁、氨氣。

與現有技術相比，本發明相對于現有技術的有益效果是：

本發明在GaN基薄膜生長的過程中插入了一層厚度范圍為0.5—500nm的高溫低壓GaN插入層，該高溫低壓GaN插入層能夠加速GaN三維生長向二維生長的轉變，促進表面快速愈合,?從生長過程反射率變化圖的反射率曲線可以看出，由于插入了高溫低壓GaN層，上層的GaN晶體生長至約600nm厚左右就已經愈合，而沒有高溫低壓GaN插入層時GaN一直生長至800nm還沒有愈合，而且采用本發明所生長的GaN基薄膜樣品表面形貌非常平整。

附圖說明

圖1是本發明實施例1所述的Si襯底GaN基薄膜的結構示意圖；

圖2是本發明實施例2所述的Si襯底GaN基薄膜的結構示意圖；

圖3是本發明實施例3所述的Si襯底GaN基薄膜的結構示意圖；

圖4是本發明實施例4所述的Si襯底GaN基薄膜的結構示意圖；

圖5是本發明實施例5所述的Si襯底GaN基薄膜的結構示意圖；

圖6是本發明實施例1的生長過程反射率變化圖；

圖7a是本發明實施例1所生長的GaN基外延材料樣品在50倍光學顯微鏡下的表面形貌圖；

圖7b是現有技術沒有使用高溫低壓GaN插入層所生長的GaN基外延材料樣品在50倍光學顯微鏡下的表面形貌圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明進行詳細的說明。