[發明專利]GaAs襯底采用AlGaInN緩沖層生長三族氮化物的方法

在審

• 申請號: 201310151866.8
• 申請日: 2013-04-27
• 公開（公告）號: CN103258722A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 劉波;馮志紅;張雄文;敦少博;尹甲運;邢東;蔡樹軍
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十三研究所
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;C30B29/40;C30B25/02
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 李榮文

技術領域

本發明屬于專用于制造半導體器件的方法。

背景技術

以GaN為代表的第三代半導體材料正在興起，以其禁帶寬度大、低介電常數、電子飽和漂移速度高、化學穩定性好、耐高溫、耐腐蝕、抗輻射能力強等特性受到廣泛重視。在電子器件方面，GaN材料可用于高頻、高溫和大功率器件，在光電器件方面，GaN基材料可以用于發光二極管、激光器、探測器，實現紅外到紫外的全面覆蓋。但是，由于GaN單晶還處于實驗階段，GaN材料的異質外延生長是不可避免的，相對于傳統的藍寶石、SiC和Si襯底來說，GaAs是又一個比較有希望的襯底材料：1）GaAs價格低廉，容易獲得高質量襯底而且容易解離；2）制作在GaAs襯底上的GaN器件可以與GaAs器件工藝兼容和集成，這對GaN器件的發展有特殊重要的意義；3）在GaAs襯底上可以生長立方相和六方相兩種結構的GaN材料，其中立方GaN具有遷移率更高，易于P型摻雜，易于制作垂直結構，帶隙略小有利于形成綠光區InGaN合金等優點。

由于在GaAs襯底上外延GaN材料也是異質外延技術，主要有晶體質量和表面形貌這兩個方面的難題。緩沖層是決定GaN材料質量的關鍵因素，藍寶石、Si、SiC等襯底外延GaN材料已經比較成熟，主要采用GaN或AlN緩沖層，而對GaAs襯底上生長GaN材料的緩沖層研究一直未有突破，因此研究進展非常緩慢。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種提高GaAs襯底上GaN材料及相關器件性能的GaAs襯底采用AlGaInN緩沖層生長三族氮化物的方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種GaAs襯底采用AlGaInN緩沖層生長三族氮化物的方法，包括如下工藝步驟：

（1）在GaAs襯底上直接生長AlGaInN緩沖層或者先生長GaAs形核層后再生長AlGaInN緩沖層；

（2）在AlGaInN緩沖層上生長三族氮化物層；

（3）進行微電或光電器件結構的多層生長。

所述GaAs形核層的生長方式為：先生長低溫GaAs層再生長高溫GaAs層或者直接生長低溫GaAs層或者直接生長高溫GaAs層。

所述三族氮化物層的生長方式為低溫生長或高溫生長。

所述三族氮化物為GaN、AlN、InN中的一種。

生長氣氛為以三甲基鋁作為Al源、三甲基銦作為In源、以氨氣作為N源，以氮氣、氫氣或者氮氫混合氣為載體。

緩沖層是決定后續生長的三族氮化物外延材料質量的最關鍵因素，本發明通過AlGaInN緩沖層技術解決GaAs襯底上外延三族氮化物材料現有技術中存在的難題。AlGaInN的晶格常數從InN到GaN再到AlN連續可調，與GaAs襯底和三族氮化物材料都可以實現晶格匹配，通過變化AlGaInN的組分，消除了由于晶格失配導致的晶體質量下降。三族氮化物具有兩種晶體結構，六方相是三族氮化物的穩定狀態，已經應用到各個領域，但其晶格不對稱導致的極化效應一定程度上限制了其更廣泛的應用；而立方相其晶格高度對稱減小了聲子散射提高了遷移率，同時更易于摻雜，但立方相是三族氮化物的亞穩態，很難實現。采用不同晶向的GaAs襯底恰好可以實現六方相和立方相兩種不同結構的三族氮化物材料生長，實現對三族氮化物兩種不同結構的研究。

利用本發明方法制作的GaAs襯底三族氮化物外延材料位錯密度大大降低，提高了外延材料的晶體質量，同時增大生長窗口，使材料生長更容易，進而減低工藝難度，改善器件的性能，大大提高我國三族氮化物器件的水平和應用領域；由于GaAs襯底價格低廉，工藝成熟，本發明也提高了GaAs襯底GaN基外延材料的實用性。

附圖說明

圖1所示為利用本發明生長的實施例1的層結構示意圖；

圖2為實施例2的層結構示意圖；

圖3為實施例3的層結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明進行詳細的介紹。

本發明生長采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、分子束外延（MBE）或者氫化物氣相外延（HVPE）生長系統在GaAs襯底采用AlGaInN緩沖層生長三族氮化物（如GaN、AlN、InN等）。

實施例1

圖1所示為本實施例的層結構。

本實施例所用的工藝步驟具體為：

（1）采用MOCVD工藝在GaAs襯底上直接生長AlGaInN緩沖層；

（2）在AlGaInN緩沖層上生長GaN；

（3）進行微電或光電器件結構的多層生長。