采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，涉及以襯底為特征的外延層生長方法【技術(shù)領(lǐng)域】。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。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(yīng)力狀態(tài)，降低位錯密度，提高晶體質(zhì)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。
【專利說明】采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及以襯底為特征的外延層生長方法【技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002]以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料正在興起，以其禁帶寬度大、低介電常數(shù)、電子飽和漂移速度高、化學(xué)穩(wěn)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(fā)光二極管、激光器、探測器，實現(xiàn)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(zhì)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(zhì)量高、熱導(dǎo)率高、電導(dǎo)率好、大直徑單晶生長技術(shù)成熟等優(yōu)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(tǒng)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(shù)平臺，將加速和擴大GaN在光電子和微電子方面的應(yīng)用。
[0003]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(chǎn)生較大的張應(yīng)力而出現(xiàn)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(zhì)量的關(guān)鍵因素，隨著近年來各種生長技術(shù)的突破，Si襯底GaN材料發(fā)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(shù)的研究迫在眉睫。
[0004]在傳統(tǒng)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(tǒng)緩沖層的GaN材料晶體質(zhì)量很難提高，位錯密度會越來越大，甚至由于應(yīng)力問題產(chǎn)生裂片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)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(yīng)力狀態(tài)，降低位錯密度，提高晶體質(zhì)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。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)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。
[0007]優(yōu)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。
[0008]優(yōu)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(jié)構(gòu)的多層生長。
[0009]優(yōu)選的，所述步驟I)為:在Si襯底上生長Si^GexCy緩沖層，其中，O≤X≤1，O ^ y ^ 1,0^ x+y ^ I。
[0010]優(yōu)選的，所述三族氮化物層為:A1N、AlGaN, AlInN, InGaN、AlInGaN中的一種或幾種的混合物。
[0011]優(yōu)選的，在生長過程中使用金屬有機化學(xué)氣相沉積和分子束外延生長系統(tǒng)。
[0012]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明通過SiGeC緩沖層技術(shù)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(xiàn)有技術(shù)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(shù)比Si大4.2%，比C大52%)，故形成SiGeC后，可實現(xiàn)與Si襯底的晶格匹配，Si1^yGexCy合金的晶格常數(shù)a與x、y有線性關(guān)系:a=a(Si) + [a(Ge) — a(Si) ]x+[a(C) 一 a (Si)] y,據(jù)此，當 x:y=8.2:1 時,可很好補償晶格應(yīng)變，實現(xiàn)無應(yīng)力生長，當C繼續(xù)增加時可進一步降低晶格常數(shù)，最終實現(xiàn)SiC的狀態(tài)，進而生長GaN材料，并提聞材料晶體質(zhì)量。
[0013]因此，利用本發(fā)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(yīng)力狀態(tài)，降低位錯密度，提高材料的質(zhì)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(yīng)用領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0015]圖1是本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中:l、Si襯底2、Sih_yGexCy緩沖層3、GaN層4、三族氮化物層。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明生長設(shè)備用的是金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)生長系統(tǒng)，GaN材料生長所用襯底為Si襯底。下面是實施例一和實施例二具體說明:其中，SiGeC緩沖層、GaN、三族氮化物層的生長方法均采用常規(guī)的生長方法，三族氮化物和GaN材料可以低溫生長也可以高溫生長。
[0017]實施例一:一種采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，包括以下步驟:
1)在Si襯底I上生長Si1^GexCy緩沖層2，其中，O≤X≤1，0≤y≤1,0^ x+y ^ I ；
2)在Si^GexCy緩沖層上生長GaN層3;
3)在生長的GaN層3上進行微電或光電器件結(jié)構(gòu)的多層生長，生長后的結(jié)構(gòu)如圖1所
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[0018]實施例二:一種采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，包括以下步驟:
1)在Si襯底I上生長Si1^GexCy緩沖層2，其中，O≤X≤1，0≤y≤1,0^ x+y ^ I ；
2)在Si1^GexCy緩沖層上生長三族氮化物層4，所述三族氮化物層4為:A1N、AlGaN,AlInN、InGaN、AlInGaN中的一種或幾種的混合物；
3)然后在三族氮化物層4之上生長GaN層3;4)在生長的GaN層3上進行微電或光電器件結(jié)構(gòu)的多層生長，生長后的結(jié)構(gòu)如圖2所
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[0019]本發(fā)明通過SiGeC緩沖層技術(shù)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(xiàn)有技術(shù)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(shù)比Si大4.2%，比C大52%)，故形成SiGeC后，可實現(xiàn)與Si襯底的晶格匹配,Si1IyGexCy 合金的晶格常數(shù) a 與 x、y 有線性關(guān)系:a=a(Si) + [a(Ge) — a(Si) ]x+[a(C)—a (Si)] y,據(jù)此,當x:y=8.2:1時,可很好補償晶格應(yīng)變,實現(xiàn)無應(yīng)力生長，當C繼續(xù)增加時可進一步降低晶格常數(shù)，最終實現(xiàn)SiC的狀態(tài)，進而生長GaN材料，并提高材料晶體質(zhì)量。
[0020]因此，利用本發(fā)明所述的方法在Si襯底上外延生長GaN材料時，能改善GaN材料的應(yīng)力狀態(tài)，降低位錯密度，提高晶體質(zhì)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，大大提高我國GaN器件的水平和應(yīng)用領(lǐng)域。
[0021]本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及其實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用來幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用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(I)上生長SiGeC緩沖層； 2)在SiGeC緩沖層上生長GaN層(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，其特征在于:在生長GaN層(3)之前首先在SiGeC緩沖層上生長三族氮化物層(4)，然后在三族氮化物層(4)之上生長GaN層(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，其特征在于所述方法還包括步驟3):在生長的GaN層(3)上進行微電或光電器件結(jié)構(gòu)的多層生長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，其特征在于所述步驟I)為:在Si襯底上生長Si1^GexCy緩沖層(2)，其中，O≤X≤1，0≤y≤1，O ^ x+y < I。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，其特征在于所述三族氮化物層(4)為:AlN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN中的一種或幾種的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用SiGeC緩沖層在Si襯底上生長GaN的方法，其特征在于，在生長過程中使用金屬有機化學(xué)氣相沉積和分子束外延生長系統(tǒng)。
【文檔編號】C30B29/40GK103646858SQ201310635523
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】劉波, 馮志紅, 蔡樹軍 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所