[發明專利]一種具有AlN壓力調制緩沖層的Si基GaN薄膜及制備方法

在審

• 申請號: 201710455644.3
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107492480A
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 于乃森;陳向豐;齊巖;趙海燕;董大朋
• 申請（專利權）人: 大連民族大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 大連一通專利代理事務所(普通合伙)21233
• 代理人: 郭麗華

技術領域

本發明涉及一種半導體及制備方法，特別是GaN薄膜外延片及其制備方法。

背景技術

氮化鎵基材料，包括InGaN、GaN、AlGaN合金，為直接帶隙半導體，且帶隙從1.8—6.2eV連續可調，是生產高亮度藍、綠光和白光LED的首選材料，廣泛應用于全彩大屏幕顯示、背光源、信號燈、照明等領域。

目前GaN材料主要在藍寶石、SiC及Si襯底上外延生長。其中Si襯底被看作是降低LED外延片成本的理想選擇，因為其大尺寸襯底技術發展得最為成熟。但是與藍寶石襯底相比，Si襯底GaN外延存在很多技術困難：比如GaN在高溫條件下易與Si襯底發生劇烈的反應，從而腐蝕襯底和外延層；其次，由于GaN和Si襯底之間存在較大的晶格失配和熱失配，會在外延層中造成大量的缺陷和位錯，引起外延層質量低以及具有裂紋等一系列的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種不腐蝕襯底和外延層并能提高外延層晶體質量的具有AlN壓力調制緩沖層的Si基GaN薄膜及制備方法。本發明主要是通過引入AlN(氮化鋁)應力生長調制結構緩沖層，實現GaN(氮化鎵)層的三維和二維模式交替生長。

一、本發明薄膜自下而上依次為Si襯底、AlN應力調制緩沖層、SiN_x掩膜層及GaN外延層。其中AlN應力調制緩沖層是由兩層200毫巴壓力生長的AlN緩沖層夾著一層100毫巴條件生長的AlN緩沖層，該AlN緩沖層的總厚度為200-500納米且100毫巴條件生長的AlN緩沖層厚度為150-200納米。

二、上述薄膜的制備方法主要是采用金屬有機化學氣相沉積法在MOCVD系統生長，具體操作如下：

1、首先將Si襯底放入反應室中并升溫到950℃，在H₂氣氛下，加熱10min以去除襯底表面的氧化膜。

2、在步驟1經處理的Si襯底上生長AlN壓力調制緩沖層，其中三甲基鋁的流量為40毫升/分鐘,氨氣的流量為3500毫升/分鐘，生長溫度為1110-1160℃。首先控制反應室壓力為200毫巴，生長AlN緩沖層，當其生長厚度在50-100nm，隨后調節反應室壓力至100毫巴，生長AlN緩沖層，當其生長厚度在100-200nm,恢復生長壓力至200毫巴，生長50-100nm的AlN緩沖層。所述的薄膜厚度通過控制沉積時間(總生長時間9-15分鐘)以及配合系統原位監測系統實現。

3、在步驟2獲得的AlN壓力調制結構緩沖層上生長SiN_x掩膜層，所用源料為氨氣和硅烷，生長條件為：NH₃流量為3500毫升/分鐘,硅烷流量為70毫升/分鐘,生長溫度為1100-1160℃、壓力為200毫巴。

4、在步驟3獲得的SiN_x掩膜層上生長GaN外延薄膜層，首先在1110-1160℃，NH₃流量為1500毫升/分鐘及三甲基鎵流量為40毫升/分鐘條件下進行生長，然后再1110-1160℃下，NH₃流量為3500毫升/分鐘及三甲基鎵流量為40毫升/分鐘下進行生長，GaN生長厚度為1-2μm。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1、本發明通過引入AlN緩沖層應力調制緩沖層結構，實現GaN層的三維和二維模式交替生長，同時該層的引入，大大促進了GaN的三維島狀生長模式。有效地提高了外延生長GaN薄膜的晶體質量。

2、該層的引入可以有效馳豫由于Si襯底和GaN外延層由于晶格失配合熱失配引起的較大張應力，可以大大提高GaN薄膜的晶體質量以及光學特性。

3、發明只需要在金屬有機化學氣相沉積系統生長中控制AlN緩沖層生長壓力，便可交替生長具有較好的結晶和光學質量的薄膜，工藝簡單，重復性好。本發明的方法為目前Si襯底生長高質量GaN薄膜提供了一種簡單有效的方法。

附圖說明：

圖1為本發明實施例1樣品結構框圖；

圖2為本發明實施例1生長的GaN及對比常規方法生長的薄膜原位監測光學反射譜圖；

圖3為本發明實施例1生長的GaN及對比常規方法生長的薄膜光致發光圖。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。

下述實施例中所述試驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。

實施例1