CN1824849A - 硅衬底ⅲ族氮化物外延生长 - Google Patents

Abstract

本发明阐述了一种硅单晶衬底上生长无微裂厚III族氮化物半导体单晶材料的新技术。该技术首先采用金属诱导纳米生长技术在硅单晶衬底上形成尺寸为纳米到微米数量级的图形2，以该纳米到微米数量级的图形为掩膜进行区域选择性外延生长，采用高温AlN成核层3加变组分AlGaN层4加高温GaN 5加低温AlN***层6加高温变组分AlGaN 7加高温GaN 8外延生长III族氮化物半导体材料。并且在高温生长工艺完成后采用线性慢降温工艺，减少由于温度突变造成应力过大而引起的外延层微裂。硅衬底上纳米数量级的低应力图形介质薄膜将大大释放硅单晶衬底和III族氮化物半导体材料因热膨胀系数和晶格失配太大而造成III族氮化物外延单晶材料中的张应力，消除硅衬底上III族氮化物外延单晶材料中的微裂。区域选择性外延生长降低外延材料中的位错密度，从而提高III族氮化物半导体材料的晶体质量，改善外延III族氮化物半导体材料的光电特性。

Description

硅衬底III族氮化物外延生长

一.技术领域

本发明涉及一种利用纳米图形化硅衬底技术获得高质量异型外延III族氮化物晶体材料的方法。

二.技术背景

III族氮化物宽带隙半导体材料以其优异的光电特性已广泛地应用于制备紫外、蓝光和绿光发光二极管和半导体激光器，III族氮化物二极管已广泛地应用于显示、指示灯、背光源、交通信号灯，并从特种照明领域向普通照明领域发展，不仅改善了人们的生活环境同时提高了生活质量。III族氮化物为基础的高频、大功率、耐高温电子器件也是人们研究的重点。

由于缺乏氮化镓本底单晶，科学工作者大力研究III族氮化物异质衬底外延技术。目前已商品化生产用的异质衬底主要有Al₂O₃和SiC，尽管Al₂O₃和SiC单晶上外延生长GaN工艺较成熟，已推出GaN基发光二极管和半导体激光器等；但是SiC的价格贵昂，其价格为Al₂O₃衬底的10倍到30倍，严重制约了相应器件的推广与应用。与SiC衬底相比Al₂O₃衬底价格较低，但价格仍比相同尺寸的硅衬底高10倍左右；Al₂O₃衬底不导电，其器件的电极必须制作在同一面，影响了电流的均匀分布；Al₂O₃衬底导热性差严重制约了大功率III族氮化物光电器件的发展；Al₂O₃衬底硬度大，难以减薄和切割。与工艺相对较为成熟Al₂O₃和SiC相比较，Si单晶以其成熟的加工工艺、低廉的价格、晶片尺寸大且易于光电集成而受到人们的广泛重视与研究。2004年硅基发光二极管的研究取得了令人瞩目的进展，促进了硅基异型外延技术的进一步研究与发展。

Si单晶与GaN晶格失配达17％，热膨胀系数相差达56％，造成外延GaN晶体质量差，位错密度高，特别是热膨胀产生的张应力使外延层厚度过厚时产生微裂；这些问题严重限制了硅基GaN外延生长工艺与器件的发展。

为了改善外延晶体质量，常采用高温AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、超晶格缓冲层、二氧化硅缓冲层等结构等进行硅基异型外延生长。低温AlN***层和选择性生长也是较为常用的生长技术。

三.发明内容

本发明针对硅衬底上III族氮化物半导体外延生长存在的问题，采用金属诱导纳米生长技术在硅衬底上形成低应力纳米介质图形，在此基础上进行III族氮化物区域选择性外延生长，减少和消除因晶格失配、热膨胀系数相差太大而造成外延晶体内缺陷密度高和厚外延层微裂的问题。在降温过程中采用基片在氨气氛下线性慢降温，减少由于热膨胀系数相差太大在降温过程中产生大的应力。

本发明的硅单晶衬底上III族氮化物半导体外延生长结构包括1-硅单晶衬底、2-低应力纳米介质图形层、3-AlN成核层、4-变组分AlGaN层、5-高温GaN层、6-低温AlN层、7-高温变组分AlGaN层、8-高温GaN层。

本发明首先在III族氮化物半导体外延生长所用的硅衬底上淀积一层金属介质薄膜，其薄膜的厚度需加以精确控制。然后将淀积了金属介质薄膜的硅衬底经团聚处理。经团聚处理后硅片上的介质层团聚成尺寸大小在几纳米到几微米的金属介质点，金属介质点间的间距大小在几纳米到几微米范围，金属介质点的厚度在几纳米到几微米范围。金属介质点的形状、大小与间距等可加以控制、调整。

以其介质团聚图形为掩膜，进行低应力二氧化硅图形层生长。保留二氧化硅图形层去除介质团聚图形，既获得纳米尺度的二氧化硅图形硅衬底。

本发明也可在硅衬底上淀积一层金属薄膜，然后在金属薄膜上沉积一层介质薄膜。金属薄膜和介质薄膜的厚度需加以精确控制。将沉积了金属薄膜和介质薄膜的硅衬底进行团聚处理。经团聚处理后硅片上的介质层团聚成尺寸大小在几纳米到几微米的介质点，介质点间的间距大小在几纳米到几微米范围，介质点的厚度在几纳米到几微米范围。介质点的形状、大小与间距等可加以控制、调整。

采用高温AlN为成核层，以变组分AlGaN为中间层，以减少AlN与GaN间的晶格失配。再***低温AlN层，进一步较少应力的影响。然后以变组分AlGaN为过渡层减少AlN与GaN间的晶格失配。再生长所需厚度的GaN外延层。外延生长结束后，采用氨气份中线性慢降温，适度增大反应腔压力，以避免高温下GaN分解。

本发明的技术特点：

与现有的选择性外延生长技术相比，本发明具有以下优点：

1.不需要光刻工艺，工艺简单、成本低。

2.采用金属诱导介质膜经团聚处理在硅衬底上形成图形化衬底，该方法可通过改变金属诱导介质薄膜的厚度、团聚的工艺参数来控制图形的尺寸大小、图形形状和图形的厚度。图形的尺寸大小、图形的厚度和图形形状、分布可在纳米到微米的尺度范围内调节。尺度的调节范围是目前光刻技术所不能达到的。

3.采用氨气氛中线性慢降温工艺，减少由于热膨胀系数相差太大在降温过程中产生大的应力。在慢降温工艺中需控制好反应腔内的压力，避免GaN在高温下分解。

四.附图说明

图1为本发明硅基外延生长GaN的各层结构原理图。

图2为硅衬底上金属层经团聚处理后剖面结构图。

图3硅衬底经团聚处理和氧化工艺后的剖面结构图。

图4去除金属团聚层后的硅衬底剖面结构图。

五.具体实施方式

实施方案一：

1.光硅片按常规处理干净并吹干。将处理后的硅片放入反应腔内，淀积一层厚度为几纳米到几百纳米的金属。

2.将淀积好金属层的硅片取出直接放入MPECVD反应腔内，通氢气或其它气体，将基板温度升到300度～1100度，微波功率几十瓦到几千瓦之间，进行金属团聚处理，团聚处理后的硅片表面如图2所示。

3.将金属团聚处理后的硅片取出，用丙酮超声清洗，然后用大量去离子水冲洗后吹干。将处理后的硅片放入氧化炉内氧化，氧化层的厚度由氧化时间、温度和气体流量等工艺参数决定。氧化处理后的硅片表面如图3所示。

4.如图4所示采用化学腐蚀或干法刻蚀的方法将金属团聚层去除，保留二氧化硅层，形成金属诱导纳米图形化衬底。

5.将金属诱导纳米图形化衬底用丙酮超声清洗、硫酸和双氧水混合液中处理，最后用王水去金属离子，再用大量去离子水冲洗后吹干后放入MOCVD反应腔内。依此生长高温AlN成核层、变组分AlGaN层、高温GaN层、低温AlN***层、高温变组分AlGaN层、高温GaN层。高温工艺结束后，采用线性慢降温工艺降温。在降温过程中一直通NH₃。如图1所示。

6.如需制作光电器件，在上述外延GaN晶体上生长器件所需的各层结构。

实施方案二：

1.抛光硅片按常规处理干净并吹干。将处理后的硅片放入反应腔内，淀积一层厚度为几纳米到几百纳米的金属。

2.将淀积金属后的硅衬底立即放如MPECVD反应腔内，沉积一层氧化硅薄膜。

3.沉积完氧化硅薄膜后进行薄膜团聚处理，形成金属诱导纳米图形化衬底。

4.将金属诱导纳米图形化衬底清洗处理后，放入MOCVD反应腔内进行GaN外延生长。

Claims (10)

1.硅单晶衬底上外延生长III族氮化物半导体单晶材料的新方法，其特征是首先在硅衬底上分别淀积一层金属诱导薄膜。

2.由权利要求1所述的在金属诱导薄膜上沉积一层介质薄膜。

3.由权利要求1所述的金属诱导薄膜，其特征是厚度为几纳米到几百纳米。

4.由权利要求2所述的介质薄膜，其特征是厚度为几纳米到几微米。

5.由权利要求2所述的介质薄膜，其特征是具有压应力，应力大小可通过沉积工艺加以控制。

6.由权利要求2所述的金属诱导薄膜和介质薄膜经团聚处理，在硅单晶衬底表面形成尺寸大小为几纳米到几微米、厚度为几纳米到几微米的介质薄膜团聚图形。介质薄膜团聚图形的尺寸大小、图形形状和厚度可通过初始金属诱导介质薄膜的厚度、团聚处理的方法、微波功率、温度和气流等工艺条件加以控制、改变。

7.由权利要求1所述金属诱导薄膜经团聚处理，在硅单晶衬底表面形成尺寸大小为几纳米到微米、厚度为几纳米到微米的金属介质薄膜团聚图形。金属介质薄膜团聚图形的尺寸大小、图形形状和厚度可通过初始金属诱导薄膜厚度、团聚处理的方法、微波功率、温度和气流等工艺条件加以控制、改变。

8.由权利要求6所述的在具有金属介质薄膜团聚图形的硅衬底上进行区域选择性氧化，二氧化硅层的尺寸大小和厚度为几纳米到几微米。

9.由权利要求7所述的具有金属薄膜团聚图形和二氧化硅层图形的硅衬底经湿法腐蚀或干法刻蚀去除金属诱导团聚薄膜。形成二氧化硅图形化硅衬底。

10.外延生长高温工艺结束后采用线性慢降温，在慢降温过程中反应腔内一直通入大量的氨气以防GaN在高温下分解。

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