Si襯底上GaN薄膜的生長方法及復(fù)合GaN薄膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種Si襯底上GaN薄膜的生長方法及復(fù)合GaN薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN材料由于具有大的禁帶寬度、高的熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大的臨界擊穿電壓等特點(diǎn)而得以在光電子器件和高溫大功率電子器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，其研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。
[0003]目前GaN主要在藍(lán)寶石、SiC和Si襯底上進(jìn)行外延生長。在藍(lán)寶石和SiC襯底上已經(jīng)生長出了質(zhì)量相對較高的GaN材料并實(shí)現(xiàn)了光電子器件和高頻高功率器件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的商業(yè)化。但是目前存在的問題是藍(lán)寶石和SiC襯底尤其是SiC襯底價(jià)格昂貴，并且難以實(shí)現(xiàn)大尺寸的外延生長，使得器件制作成本增加。對于藍(lán)寶石襯底，其材料導(dǎo)電導(dǎo)熱性能差，對器件性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。Si作為目前最成熟的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格便宜，可以大尺寸生產(chǎn)，晶體質(zhì)量高，導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，在外延生長中作為襯底使用可以大幅降低生產(chǎn)成本，改善器件性能，并且有利于和目前已有的Si基半導(dǎo)體工藝集成。但是在Si襯底上外延生長GaN，二者之間存在著較大的晶格失配(17% )和熱失配(56% )，在外延生長過程中GaN外延層中會(huì)產(chǎn)生很大的張應(yīng)力，引起GaN薄膜的龜裂，以及外延片的翹曲等現(xiàn)象，導(dǎo)致材料無法用于器件制作。目前，Si基GaN生長主要采用AlN緩沖層結(jié)合應(yīng)力調(diào)控插入層來解決GaN開裂問題。其中應(yīng)力調(diào)控插入層主要包括Al組分漸變的AlGaN插入層、低溫AlN插入層、AlN/GaN超晶格插入層、富Ga的GaN層或者幾種插入層結(jié)構(gòu)結(jié)合使用等。但是采用上述方法實(shí)現(xiàn)GaN薄膜的外延生長，生長工藝相對復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種Si襯底上GaN薄膜的生長方法及由此得到的復(fù)合GaN薄膜，從而在Si襯底上生長出高質(zhì)量、無裂紋的GaN薄膜。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種Si襯底上的復(fù)合GaN薄膜，其結(jié)構(gòu)自下而上依次包括Si襯底、AlN緩沖層、GaN緩沖層、第一 GaN層、AlN插入層和第二 GaN層，其特征在于，所述GaN緩沖層包括2_3個(gè)交錯(cuò)堆疊的三維GaN子層和二維GaN子層。
[0006]作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種Si襯底上GaN薄膜的生長方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1:在Si襯底上生長一層AlN層；
[0008]步驟2:在所述AlN層上生長GaN緩沖層，其中所述GaN緩沖層包括2_3個(gè)交錯(cuò)堆疊的三維GaN子層和二維GaN子層；
[0009]步驟3:在所述GaN緩沖層上生長第一 GaN層，在所述第一 GaN層上生長20_40nm厚的AlN或SiNx插入層，在所述AlN插入層上繼續(xù)生長超過Iym厚的第二 GaN層。
[0010]作為本發(fā)明的再一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種根據(jù)如上任意一項(xiàng)所述的Si襯底上GaN薄膜的生長方法制備得到的復(fù)合GaN薄膜。
[0011]本發(fā)明的方法通過GaN緩沖層的三維和二維生長模式的交替生長，利用GaN的三維生長模式有效的弛豫掉由于Si襯底和GaN外延層之間的晶格失配和熱失配引起較大的張應(yīng)力，能夠生長出較厚的GaN外延層而不出現(xiàn)裂紋，且生長出來的GaN薄膜表面光滑平整；本發(fā)明利用GaN緩沖層的三維和二維生長模式來弛豫應(yīng)力，用MOCVD系統(tǒng)進(jìn)行生長，生長方法與現(xiàn)有的應(yīng)力調(diào)節(jié)方法相差較大，且結(jié)合后續(xù)結(jié)構(gòu)中低溫AlN插入層過濾位錯(cuò)，能夠生長出厚度超過I ym而不開裂，晶體質(zhì)量較高的表面光亮平整的GaN外延層；本發(fā)明利用GaN緩沖層作為應(yīng)力調(diào)控層，不需要額外引入其他材料，且通過控制生長溫度和生長V/III比就可實(shí)現(xiàn)GaN的三維和二維生長，工藝實(shí)現(xiàn)相對容易；利用本發(fā)明的方法為目前Si襯底上生長GaN較厚外延層提供了一種簡單有效的實(shí)現(xiàn)方法。此外，用以上方法生長的GaN外延層在厚度接近2 μπι時(shí)仍然沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。GaN表面光亮平整，晶體生長質(zhì)量較高。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明方法得到的Si基上復(fù)合GaN薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0014]本發(fā)明公開了一種Si襯底上生長的復(fù)合GaN薄膜，其結(jié)構(gòu)自下而上包括Si襯底、AlN緩沖層、GaN緩沖層、第一 GaN層、AlN插入層、第二 GaN層。其中，GaN緩沖層具有2_3個(gè)三維和二維GaN生長模式循環(huán)，三維GaN的厚度為50_150nm，二維GaN的厚度100_200nm。
[0015]上述Si襯底上GaN薄膜的生長方法，采用MOCVD (金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)方法實(shí)現(xiàn)，具體包括以下步驟:
[0016]步驟1:在Si襯底上生長一層高溫AlN ；
[0017]步驟2:在高溫AlN上生長GaN緩沖層，具體生長過程為:首先在1020°C _1050°C、順3流量為30-40L/min的條件下進(jìn)行GaN的三維生長，得到粗糙的表面；接著在10400C -1080°C、NH3流量為20_35L/min的條件下進(jìn)行GaN的二維生長，得到平整的表面。
[0018]步驟3:按常規(guī)方法在該GaN緩沖層上生長第一 GaN層；在該第一 GaN層上生長20-40nm厚的低溫AlN或SiNx插入層，在該低溫AlN或SiNx插入層上繼續(xù)生長超過I μπι厚的第二 GaN層。
[0019]其中，生長該高溫AlN的溫度為1050 °C -1100 °C，該高溫AlN的厚度為100nm-150nm ;生長該GaN緩沖層的溫度為1020°C -1080°C ;該GaN緩沖層三維生長的厚度為50-150nm，該GaN緩沖層二維生長的厚度為100_200nm ;三維生長和二維生長的循環(huán)次數(shù)為2-3次。
[0020]其中，生長第一和第二 GaN層的溫度為1030 °C -1050 °C，第一 GaN層生長厚度為200-300nm，第二 GaN層厚度超過I μ m ;生長該低溫AlN或51凡插入層的溫度為700 0C -800。。。
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述說明。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明利用GaN的三維和二維生長模式來進(jìn)行應(yīng)力調(diào)控，在Si襯底上自下而上的結(jié)構(gòu)包括Si襯底、高溫AlN緩沖層、GaN緩沖層、GaN層、低溫AlN插入層、GaN層。其中GaN緩沖層具有2-3個(gè)三維和二維GaN生長模式循環(huán)，三維GaN的厚度為50_150nm，二維GaN的厚度100-200nm。采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD法進(jìn)行生長，具體生長過程為:
[0023]步驟1:將Si襯底放入MOCVD生長室中，在1050°C _1100°C下在Si襯底上生長一層 100nm-150nm 的高溫 A1N。
[0024]步驟2:將生長溫度降低到1020°C -1080°C，在AlN緩沖層上生長GaN緩沖層，具體生長過程為:首先在1020°C -1050°C、NH3流量為30_40L/min的條件下進(jìn)行GaN的三維生長，生長厚度為50-150nm，得到粗糙的表面；接著在1040°C -1080°C、NH3流量為20-35L/min的條件下進(jìn)行GaN的二維生長，生長厚度為100_200nm，得到平整的表面。這樣三維生長和二維生長循環(huán)2-3次。
[0025]步驟3:調(diào)節(jié)反應(yīng)室生長溫度和V/III比，按常規(guī)方法在1030 °C -1050 °C生長200-300nm厚GaN層、在700 °C -800 °C生長20_40nm的低溫AlN插入層、繼續(xù)生長超過I μ m
厚的GaN層。
[0026]以上所述生長方法中的鋁源、鎵源、氮源分別為三甲基鋁、三甲基鎵、氨氣。
[0027]通過光學(xué)顯微鏡、AFM、XRD進(jìn)行材料表征，GaN表面光滑平整無裂紋，晶體質(zhì)量相對較好。并且在GaN總厚度接近2 μ m時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。
[0028]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Si襯底上的復(fù)合GaN薄膜，其結(jié)構(gòu)自下而上依次包括Si襯底、AlN緩沖層、GaN緩沖層、第一 GaN層、AlN插入層和第二 GaN層，其特征在于，所述GaN緩沖層包括2_3個(gè)交錯(cuò)堆疊的三維GaN子層和二維GaN子層。2.如權(quán)利要求1所述的Si襯底上的復(fù)合GaN薄膜，其中所述三維GaN子層的厚度為50-150nm，二維 GaN 子層的厚度為 100_200nm。3.一種Si襯底上GaN薄膜的生長方法，包括以下步驟: 步驟1:在Si襯底上生長一層AlN層； 步驟2:在所述AlN層上生長GaN緩沖層，其中所述GaN緩沖層包括2_3個(gè)交錯(cuò)堆疊的三維GaN子層和二維GaN子層； 步驟3:在所述GaN緩沖層上生長第一 GaN層，在所述第一 GaN層上生長20_40nm厚的AlN或SiNx插入層，在所述AlN插入層上繼續(xù)生長超過I μ m厚的第二 GaN層。4.如權(quán)利要求3所述的Si襯底上GaN薄膜的生長方法，其中所述各層通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法來實(shí)現(xiàn)生長。5.如權(quán)利要求3所述的Si襯底上GaN薄膜的生長方法，其中步驟I中所述在Si襯底上生長一層AlN層的步驟的溫度控制在1050-1100°C，生長的AlN的厚度為100_150nm。6.如權(quán)利要求3所述的Si襯底上GaN薄膜的生長方法，其中步驟2中所述在AlN層上生長GaN緩沖層的步驟包括:首先在1020-1050°C、MV流量為30_40L/min的條件下進(jìn)行GaN的三維生長，生長厚度為50-150nm ;接著在1040_1080°C、順3流量為20_35L/min的條件下進(jìn)行GaN的二維生長，生長厚度為100-200nm，重復(fù)所述GaN的三維生長和二維生長2-3 次。7.如權(quán)利要求3所述的Si襯底上GaN薄膜的生長方法，其中步驟3中所述第一和第二GaN層的生長溫度為1030-1050°C，所述第一和第二GaN層的厚度為200-300nm ;所述AlN或SiNx插入層的生長溫度為700-800°C。8.如權(quán)利要求4所述的Si襯底上GaN薄膜的生長方法，其中所述步驟1_3中金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法所使用的鋁源、鎵源、氮源分別為三甲基鋁、三甲基鎵、氨氣。9.根據(jù)權(quán)利要求3至8任意一項(xiàng)所述的Si襯底上GaN薄膜的生長方法制備得到的復(fù)合GaN薄膜。
【專利摘要】一種Si襯底上GaN薄膜的生長方法及復(fù)合GaN薄膜，所述復(fù)合GaN薄膜自下而上依次包括Si襯底、AlN緩沖層、GaN緩沖層、第一GaN層、AlN插入層和第二GaN層，其中所述GaN緩沖層包括2-3個(gè)三維和二維GaN子層，其中三維GaN子層厚度為50-150nm，二維GaN子層厚度為100-200nm。所述生長方法包括以下步驟：首先在Si襯底上生長AlN緩沖層，然后在AlN緩沖層上生長三維GaN子層，接著生長二維GaN子層，重復(fù)生長該GaN三維和二維子層2-3次；最后生長厚的GaN層，在GaN層中有AlN或者SiNx插入層。本發(fā)明通過采用GaN的三維和二維生長有效弛豫掉后續(xù)GaN層中的張應(yīng)力，能夠生長較厚的GaN層而不出現(xiàn)裂紋。
【IPC分類】H01L33/00
【公開號】CN105161578
【申請?zhí)枴緾N201510504913
【發(fā)明人】劉波亭, 馬平, 郭仕寬, 甄愛功, 張爍, 吳冬雪, 王軍喜, 李晉閩
【申請人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月17日