專利名稱：一種在硅襯底上外延生長iii族氮化物半導(dǎo)體材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料和器件領(lǐng)域，具體涉及一種在硅襯底上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料的方法。
背景技術(shù)：
以GaN、AlN等為代表的III族氮化物半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良的光電特性和穩(wěn)定的物化特性，在制作發(fā)光二極管以及高頻大功率電子器件和大功率開關(guān)器件中具有廣泛的應(yīng)用。但是在其制備過程中缺乏可實(shí)用化的同質(zhì)襯底，目前III族氮化物半導(dǎo)體材料大多外延生長在其它襯底材料上，如藍(lán)寶石、SiC、硅襯底等。娃襯底面積大,價(jià)格便宜,是一種理想的襯底材料。但是，由于娃襯底的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在硅襯底上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料的初始階段時(shí)，硅襯底表面與所用氮源發(fā)生非故意反應(yīng)而形成無定形氮化硅，這都會(huì)使硅襯底原有的晶體結(jié)構(gòu)惡化，致使III族氮化物半導(dǎo)體材料的生長受到影響。其次，在外延生長的過程中，由于晶格失配的存在，所得的III族氮化物半導(dǎo)體材料中通常會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)。此外，在高溫外延生長結(jié)束后的降溫過程中，由于硅襯底和III族氮化物半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)差別較大，III族氮化物半導(dǎo)體外延層將承受很大的應(yīng)力，這會(huì)使外延層產(chǎn)生裂紋。除此以外，還存在外延層和襯底之間的互擴(kuò)散等問題。為了在硅襯底上獲得高質(zhì)量的III族氮化物半導(dǎo)體材料，近年來，研究人員采用分子束外延技術(shù)發(fā)展出了硅襯底故意氮化技術(shù)，即在外延開始階段，僅通入氮源對(duì)硅襯底進(jìn)行氮化，通過控 制工藝參數(shù)，在其上獲得了六方相晶態(tài)Si3N4薄層。以此Si3N4薄層作為過渡層，可避免無定形氮化硅的產(chǎn)生，這使得在其上生長的III族氮化物半導(dǎo)體材料的晶體質(zhì)量與發(fā)光性能都有所提高。盡管如此，Si3N4薄層的存在對(duì)后續(xù)生長的半導(dǎo)體材料質(zhì)量仍有較大影響，而且由于晶態(tài)Si3N4與III族氮化物半導(dǎo)體之間仍然存在較大的晶格失配，無法根本解決晶格失配的問題。此外，由于晶態(tài)Si3N4的厚度通常小于10nm，因此對(duì)熱失配應(yīng)力的影響也微乎其微。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有的在硅襯底上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體的技術(shù)缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種在硅襯底上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料的方法。本發(fā)明提供的在硅襯底上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料的方法，包括以下步驟:S1:在所述硅襯底表面形成0.1 50nm的晶態(tài)Si3N4層；S2:在500 1500°C的溫度下通入鋁源，將所述晶態(tài)Si3N4層轉(zhuǎn)化為AlN成核層；S3:在所述AlN成核層上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料。上述技術(shù)方案中，所述SI步驟為:將所述硅襯底置于外延反應(yīng)室中，升溫至700 1000°C去除其表面的自然氧化層，然后將溫度控制為300 1000°C，通入氮源使硅襯底表面形成晶態(tài)Si3N4層。上述技術(shù)方案中，所述氮源為氮?dú)狻睔?、氮?dú)獾入x子體或氨氣等離子體。優(yōu)選地，所述SI步驟中，將溫度控制在500 90(TC，通入氮源使硅襯底表面形成
晶態(tài)Si3N4層。上述技術(shù)方案中，步驟S2所述鋁源為金屬鋁蒸氣、二甲基鋁或三甲基鋁。優(yōu)選地，所述步驟S2中，在800 1500°C的溫度下通入鋁源。上述技術(shù)方案中，步驟S3所述外延方法為金屬有機(jī)物氣相外延法、分子束外延法、化學(xué)氣相沉積法、氫化物氣相外延法或原子層沉積法。上述技術(shù)方案中，所述III族氮化物半導(dǎo)體材料的厚度為Inm 100 μ m。所述III族氮化物半導(dǎo)體材料優(yōu)選為GaN或A1N。上述技術(shù)方案中，晶態(tài)Si3N4層的厚度對(duì)最終生長的III族氮化物半導(dǎo)體材料質(zhì)量具有重要影響，如其厚度太薄，不足以完全保護(hù)硅襯底表面，后續(xù)通入鋁源時(shí)會(huì)形成硅化鋁；如其厚度太厚，通入鋁源時(shí)難于使晶態(tài)Si3N4層全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳lN成核層，即還剩余一定量的Si3N4層。這兩種情況都會(huì)造成后續(xù)生長的III族氮化物半導(dǎo)體材料劣化。優(yōu)選地，所述晶態(tài)Si3N4層的厚度為0.5 20nm，更優(yōu)選I 10nm。上述技術(shù)方案中，所述硅襯底的橫向尺寸為I 20英寸，晶面為(001)、(111)或(110)晶面。外延生長的半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)如果大于襯底的晶格常數(shù)，為了按照襯底的晶格規(guī)律生長，外延材料的晶·格要受到壓縮，即受壓應(yīng)力。壓應(yīng)力下材料一般不會(huì)斷裂。相反，如果外延生長的半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)如果小于襯底的晶格常數(shù)，為了按照襯底的晶格規(guī)律生長，外延材料的晶格要受拉伸，即受張應(yīng)力。當(dāng)外延材料受的張應(yīng)力超過其可承受的彈性形變的上限，就會(huì)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生裂紋。在III族氮化物半導(dǎo)體材料體系中，AlN材料的晶格常數(shù)最小，在其上生長其它III族氮化物半導(dǎo)體均受到壓應(yīng)力，因此采用AlN成核層有助于抵消張應(yīng)力，從而消除裂紋問題。本發(fā)明提供的生長方法通過將硅襯底表面氮化形成晶態(tài)Si3N4層再鋁化形成AlN成核層，解決了硅襯底與III族氮化物半導(dǎo)體材料之間晶格失配的問題，在硅襯底上實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的III族氮化物半導(dǎo)體材料的外延生長。本發(fā)明提供的生長方法工藝簡便、操作簡單，在一個(gè)反應(yīng)室即可完成整個(gè)外延生長過程，具有大規(guī)模應(yīng)用的前景。


圖1是本發(fā)明所述外延生長方法的工藝流程圖；圖2是本發(fā)明所述外延生長流程中所得材料的剖面示意圖；圖3是實(shí)施例1所得AlN半導(dǎo)體材料的截面高分辨透射電鏡圖像。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。其中所使用的試劑如無特別說明則應(yīng)理解為常規(guī)市售試劑或根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制得；其中所使用的操作方法如無特別說明則應(yīng)理解為本領(lǐng)域常規(guī)操作。本發(fā)明實(shí)施方式提供的外延生長方法如下:
選取橫向尺寸為1-20英寸、晶面為(001)、(111)或(110)晶面的硅襯底，將其送入反應(yīng)室。先將襯底升溫至700-1000°C以去除硅襯底表面的自然氧化層，然后將襯底溫度控制在300-100(TC，之后向反應(yīng)室通入氮?dú)狻睔?、氮?dú)獾入x子體或氨氣等離子體等氮源，在娃襯底表面形成一層厚度為0.lnm-50nm的晶態(tài)Si3N4層。然后，將襯底溫度控制在500-1500°C，向反應(yīng)室中持續(xù)通入金屬鋁蒸氣、二甲基鋁或三甲基鋁等鋁源，直至將晶態(tài)Si3N4層全部轉(zhuǎn)化為厚度為0.lnm-50nm的AlN層(成核層)。在形成AlN成核層的硅襯底上，利用金屬有機(jī)物氣相外延法、分子束外延法、化學(xué)氣相沉積法、氫化物氣相外延法或原子層沉積法等外延方法，生長厚度為lnm-ΙΟΟμπι的GaN、AlN等III族氮化物半導(dǎo)體材料(外延層)。實(shí)施例1采用分子束外延法在硅襯底上生長AlN材料，其具體過程為:1、將硅襯底(如圖2 (a)所示)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗。2、將硅襯底送入分子束外延反應(yīng)室中，將襯底升溫至900 V去除襯底表面的自然
氧化層。3、將襯底溫度降至600°C，然后往反應(yīng)室中通入氮?dú)獾入x子體進(jìn)行氮化處理，在硅襯底表面形成厚度為2nm的β相晶態(tài)Si3N4層(如圖2 (b)所示)。4、將襯底溫度升至1200°C，往反應(yīng)室中通入金屬鋁蒸氣并持續(xù)600秒，將β相晶態(tài)Si3N4層全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳lN成核層(如圖2 (c)所示)。

5、然后將襯底溫度降至90(TC，通入金屬鋁蒸氣和氮?dú)獾入x子體，生長厚度為2μπι的AlN材料(如圖2 (d)所示)。6、將襯底溫度降至室溫，生長結(jié)束。上述所得半導(dǎo)體材料的截面高分辨透射電鏡圖像如圖3所示，其表明，利用本發(fā)明方法外延生長的硅襯底上AlN材料的界面陡峭，能達(dá)到原子級(jí)平整，且實(shí)現(xiàn)疇匹配。實(shí)施例2米用金屬有機(jī)物氣相外延法在娃襯底上生長AlN材料,其具體過程為:1、將硅襯底進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗。2、將硅襯底送入金屬有機(jī)物氣相外延反應(yīng)室中，將襯底升溫至1000°C去除襯底表面的自然氧化層。3、將襯底溫度降至900°C，然后往反應(yīng)室中通入氨氣氮化處理，在硅襯底表面形成厚度為5nm的β相晶態(tài)Si3N4層。4、將襯底溫度升至1150°C，往反應(yīng)室中通入三甲基鋁并持續(xù)1200秒，將β相晶態(tài)Si3N4層全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳lN成核層。5、然后將襯底溫度降至1100°C，通入三甲基鋁和氨氣，生長厚度為5μπι的AlN材料。6、將襯底溫度降至室溫，生長結(jié)束。上述所得半導(dǎo)體材料表面平整、無裂紋，截面高分辨透射電鏡圖像與實(shí)施例1類似。實(shí)施例3采用分子束外延法在硅襯底上生GaN材料，其具體過程為:
1、將硅襯底進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗。2、將硅襯底送入分子束外延反應(yīng)室中，將襯底升溫至900 V去除襯底表面的自然
氧化層。3、將襯底溫度降至600°C，然后往反應(yīng)室中通入氮?dú)獾入x子體進(jìn)行氮化處理，在硅襯底表面形成厚度為0.5nm的β相晶態(tài)Si3N4層。4、將襯底溫度升至1200°C，往反應(yīng)室中通入金屬鋁蒸氣并持續(xù)200秒，將β相晶態(tài)Si3N4層全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳lN成核層。5、然后將襯底溫度降至860°C，通入金屬鎵蒸氣和氮?dú)獾入x子體，生長厚度為3 μ m的GaN材料。6、將襯底溫度降至室溫，生長結(jié)束。上述所得半導(dǎo)體材料表面平整、無裂紋，截面高分辨透射電鏡圖像與實(shí)施例1類似。雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神·的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在硅襯底上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料的方法，其特征在于，包括以下步驟 51:在所述娃襯底表面形成O. I 50nm的晶態(tài)Si3N4層； 52:在500 1500°C的溫度下通入鋁源，將所述晶態(tài)Si3N4層轉(zhuǎn)化為AlN成核層； 53:在所述AlN成核層上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述SI步驟為將所述硅襯底置于外延反應(yīng)室中，升溫至700 1000°C去除其表面的自然氧化層，然后將溫度控制為300 IOOO0C，通入氮源使硅襯底表面形成晶態(tài)Si3N4層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述氮源為氮?dú)?、氨氣、氮?dú)獾入x子體或氨氣等離子體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述SI步驟中，將溫度控制在500 900°C，通入氮源使硅襯底表面形成晶態(tài)Si3N4層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟S2所述鋁源為金屬鋁蒸氣、二甲基鋁或三甲基鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中，在800 1500°C的溫度下通入鋁源。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟S3所述外延方法為金屬有機(jī)物氣相外延法、分子束外延法、化學(xué)氣相沉積法、氫化物氣相外延法或原子層沉積法。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述III族氮化物半導(dǎo)體材料的厚度為Inm 100 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述晶態(tài)Si3N4層的厚度為O.5 20nm，優(yōu)選I IOnm0
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于,所述娃襯底的橫向尺寸為I ·20英寸，晶面為(001)、(111)或(110)晶面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在硅襯底上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料的方法，首先在硅襯底表面形成晶態(tài)Si3N4層；然后通入鋁源將晶態(tài)Si3N4層轉(zhuǎn)化為AlN成核層；最后在AlN成核層上外延生長III族氮化物半導(dǎo)體材料。本發(fā)明提供的生長方法通過將硅襯底表面氮化形成晶態(tài)Si3N4層再鋁化形成AlN成核層，解決了硅襯底與III族氮化物半導(dǎo)體材料之間晶格失配的問題，在硅襯底上實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量III族氮化物半導(dǎo)體材料的外延生長。本發(fā)明提供的生長方法工藝簡便、操作簡單，在一個(gè)反應(yīng)室即可完成整個(gè)外延生長過程，具有大規(guī)模應(yīng)用的前景。
文檔編號(hào)C23C16/34GK103255389SQ20131014540
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者郝智彪, 胡健楠, 鈕浪, 汪萊, 羅毅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)