[發明專利]采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法

無效

• 申請號: 201310635523.9
• 申請日: 2013-12-03
• 公開（公告）號: CN103646858A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 劉波;馮志紅;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: 米文智

技術領域

本發明涉及以襯底為特征的外延層生長方法技術領域，尤其涉及一種采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN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，襯底材料有藍寶石、SiC和Si襯底等。與藍寶石和SiC相比，Si襯底具有價格低、質量高、熱導率高、電導率好、大直徑單晶生長技術成熟等優勢，并且Si襯底GaN基材料及器件的研制將進一步促進GaN基器件與傳統Si基器件工藝兼容，在Si襯底上外延GaN材料提供了一種新的技術平臺，將加速和擴大GaN在光電子和微電子方面的應用。

由于Si襯底和GaN的晶格失配（大約17%）和熱失配（大約54%）非常大，造成GaN外延層中的位錯密度很高，GaN在高溫生長后降溫的過程中產生較大的張應力而出現微裂紋，隨著外延尺寸的增大更為嚴重。緩沖層是決定Si襯底GaN材料質量的關鍵因素，隨著近年來各種生長技術的突破，Si襯底GaN材料發展迅速，但是緩沖層主要采用GaN或AlN緩沖層，一直未有突破，隨著Si襯底GaN材料外延尺寸的增大，緩沖層技術的研究迫在眉睫。

在傳統Si襯底上外延GaN材料中，有用低溫三族氮化物材料做緩沖層的，也有用高溫三族氮化物材料做緩沖層的，但是隨著Si襯底尺寸的增大，三族氮化物材料做緩沖層的臨界厚度越來越小，而隨著Si襯底尺寸的增大要求緩沖層厚度是越來越厚的，因此傳統緩沖層的GaN材料晶體質量很難提高，位錯密度會越來越大，甚至由于應力問題產生裂片。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，所述方法在Si襯底上外延生長GaN材料時，能改善GaN材料的應力狀態，降低位錯密度，提高晶體質量；同時增大GaN材料的生長窗口，使外延生長更容易，進而減低工藝難度，改善器件的性能。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，其特征在于包括以下步驟：

1）在Si襯底上生長SiGeC緩沖層；

2）在SiGeC緩沖層上生長GaN層。

優選的，在生長GaN層之前首先在SiGeC緩沖層上生長三族氮化物層，然后在三族氮化物層之上生長GaN層。

優選的，所述方法還包括步驟3）：在生長的GaN層上進行微電或光電器件結構的多層生長。

優選的，所述步驟1）為：在Si襯底上生長Si_1-x-yGe_xC_y緩沖層，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。

優選的，所述三族氮化物層為：AlN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN中的一種或幾種的混合物。

優選的，在生長過程中使用金屬有機化學氣相沉積和分子束外延生長系統。

采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明通過SiGeC緩沖層技術解決Si襯底特別是大尺寸（大于6英寸）Si襯底上外延GaN材料現有技術中存在的問題。SiGeC合金是一種三元合金，C原子比Si和Ge小得多（Ge的晶格常數比Si大4.2%，比C大52%），故形成SiGeC后，可實現與Si襯底的晶格匹配，Si_1-x-yGe_xC_y合金的晶格常數a與x、y有線性關系：a=a(Si)+[a(Ge)－a(Si)]x+[a(C)－a(Si)]y，據此，當x:y=8.2:1時，可很好補償晶格應變，實現無應力生長，當C繼續增加時可進一步降低晶格常數，最終實現SiC的狀態，進而生長GaN材料，并提高材料晶體質量。

因此，利用本發明所述的方法在Si襯底上外延生長GaN材料時，能改善Si襯底GaN材料的應力狀態，降低位錯密度，提高材料的質量；同時增大GaN材料的生長窗口，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GaN器件的水平和應用領域。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1是本發明實施例一的結構示意圖；

圖2是本發明實施例二的結構示意圖；