硅衬底GaN基半导体材料的制造方法

专利名称：硅衬底GaN基半导体材料的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种GaN基半导体材料的制造方法，特别是涉及一种以硅为生长衬底 的GaN基半导体材料的制造方法。
背景技术：
现有技术在硅衬底上生产GaN基半导体材料，都是在MOCVD设备内，由下至上在硅 衬底上依次生长A1N和GaN外延层。 在《半导体技术》2006年，第31巻，第02期的期刊中记载有一篇《Si衬底GaN 基材料及器件的研究》的论文，其在中图分类号为TN316文献标识码A，文章编号
1003-353X(2006)02-0098-04。 该论文中明确记载了目前通行的一种在硅衬底上生产GaN基半导体材料的方法。
由于在Si衬底上外延GaN，其晶格失配为17% ，在生长过程中的晶格失配将引入 大量位错；而且，Si衬底和GaN之间较大的热膨胀系数差异，还导致较大的热失配。实验数 据表明Si的热膨胀系数为3. 59X10-6K-l，而GaN的热膨胀系数为5. 59X 1010-6K_1， 二 者相差很大，造成高温生长后降温的过程中外延层将承受很大的张应力，由于外延层的厚 度远小于衬底厚度，所以外延层会产生裂纹。另外，还存在极性问题和Si、Ga相互扩散等问 题。 研究人员为了在硅衬底上得到高质量的GaN基的材料，在硅与GaN之间引入了 A1N 缓冲层，即先在硅衬底上生长A1N缓冲层，然后在A1N上生长GaN外延层。本发明的申请人 以前采用的制造工艺举例简述如下
1、M0CVD反应室中放入图形化Si衬底； 2、高温氢气环境下，对衬底进行表面处理，去除有机物和表面吸附的氧；
3、然后降温，第一层生长A1N层，覆盖衬底表面，作为衬底保护层和预应力层；
4、接着升温进行GaN外延层的生长； 5、生长相应的发光或应用于其他领域的外延功能层(如发光二极管、二极管激 光器、功率器件等)； 6、外延片生长完成，从反应室取出，高温对反应室进行烘烤，去除反应室环境内残
余的GaN沉淀物，为下一次外延生长奠定基础。 以上整个器件外延结构的生长，在反应室内一次完成。 上述硅衬底外延片的生产方法存在几个比较明显的问题 1、 Ga对Si的回熔，会在硅衬底表面形成结合金，破坏衬底表面晶格排布，引起外 延不稳定现象，导致产品质量无法提高； 2、在GaN外延生长反应室内，反应结束后，虽然会对反应反应室进行清理和高温 烘烤(bake)，清除大部分附着于腔体内的GaN，但仍不可避免反应室内的少量残余GaN等附 着物。在进行下一炉生产的时候，附着物中的GaN会在升温过程分解，并沉积到Si衬底表 面，形成对衬底表面的回熔，导致外延过程的失败。
为了得到更高质量的产品，对于上述问题2，可以采用的解决方案是每一炉的反 应完成后，对反应室进行清洗。由于附着物为多种物质，主要为GaN基物质，每一炉的生产 完成后都需要进行彻底清理，去除GaN沉淀物，为下一炉外延生长做准备。该方法以牺牲效 率的方式来提高产品品质，其无法实现高效的流水化作业，使生产效率变得很低，一般每天 2 2. 5炉。而且，频繁对反应室配件进行更换、清洗，对反应室内部件(如石墨基座、电炉) 的使用寿命和稳定性都有不利影响，且不利于生产的稳定性。在同一反应室内进行从A1N 缓冲层到GaN主体外延层的生长，不可避免反应室的GaN残留，从而导致Si衬底GaN的生 产稳定性和重新差的问题，并对设备的操作和维护带来很大的挑战。 以上情况说明，如果为了提高产品的品质和生产稳定性，就必会牺牲效率和提高 生产成本；如果为了不影响生产效率，就只能容忍在此种反应环境下对产品品质的劣化和 成本的提高。

发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，该方 法用于解决在外延GaN基半导体材料的过程中，Ga对硅表面回熔导致的生长不稳定和生产 效率低的问题，以提高产品的品质和提高生产效率。 为了解决上述技术问题，本发明提出一种硅衬底GaN基半导体材料的制造方法， 包括 在专门用于生长氮化铝缓冲层的第一个MOCVD的反应室内，在硅衬底上生成氮化 铝缓冲层，完成后取出，形成硅衬底氮化铝模板备用； 将上述备用的硅衬底氮化铝模板放入专门用于生长GaN基半导体材料的第二个 M0CVD的反应室内外延GaN基半导体材料，完成后取出，形成硅衬底GaN基半导体材料。
优选地先在第一个MOCVD的反应室内，先清除硅衬底上的有机污染物和吸附的 氧原子，然后再进行氮化铝缓冲层的生长。 一般在高温氢气环境下，对衬底的表面进行处 理。这种处理有利于减少后续反应过程中产生的干扰性杂质，可以提高产品的品质。
优选地，所述在硅衬底上生成氮化铝缓冲层的过程包括 先通入有机金属铝源在硅衬底上铺铝，在硅表面均匀沉淀一层铝金属，同时通入 铝源和氨气进行反应，在硅衬底上沉淀生成氮化铝缓冲层。有机金属铝源优选为三甲基铝 源。有机金属铝源会在反应过程中分解，在衬底表面形成铝沉积。
优选地，所述在硅衬底上生成氮化铝缓冲层的过程包括
先通入氨气； 然后再通入铝源和氨气反应，在硅衬底上沉淀生成氮化铝缓冲层。
优选地在所述硅衬底上生长单层氮化铝缓冲层或者在不同的生长参数下的多层
氮化铝缓冲层。
优选地所述氮化铝缓冲层的生长温度在500 1000摄氏度。 优选地所述氮化铝的厚度在200 2000埃。氮化铝如果太薄无法完全覆盖硅； 如果太厚，生长完成后的降温过程中，氮化铝和Si不均匀的收縮会导致A1N开裂，所述氮化 铝的厚度可以进一步优选为600 800埃。 优选地先对硅衬底进行刻槽构图，然后再放入M0CVD的反应室内。
优选地在硅衬底上生成氮化铝缓冲层过程中，先进行高压生长，后进行低压生 长。 硅衬底GaN基半导体技术相比蓝宝石衬底GaN基技术仍处于起步阶段，其产品性 能与蓝宝石衬底技术的产品相比仍有很多有待改善的地方，其生产工艺和用到的设备与蓝 宝石衬底技术都尽量保持一致，以期从蓝宝石衬底成熟的技术中获得较快的发展。但是由 于衬底材质的属性差异，在生产制造过程中，硅衬底技术又不能完全套用蓝宝石技术，如本 发明涉及到的在衬底上外延GaN基半导体材料的技术。直接套用蓝宝石衬底的技术在同一 炉中生产氮化铝和GaN基半导体材料，最终导致Ga对硅的回熔，致使产品品质受到很大的 影响。为了改善产品的品质，一般情况下都是关注在量子阱层的改良技术上，但是，Ga对硅 的回熔现象对产品品质的影响同样不容忽视。 在改善产品品质的追求过程中，本申请的发明人提出硅衬底氮化铝模板工艺，即 本发明技术，提出在一个反应室内专门生产硅衬底氮化铝模板，然后在另一个反应室内在 硅衬底氮化铝模板上专门生长GaN基半导体材料。这样的工艺可以使硅衬底表面与Ga环 境区分开来，在生长GaN基半导体材料的时候，反应室内附着的沉积Ga，在下一炉的反应过 程中，受热分解后，只接触硅衬底氮化铝模板上的氮化铝，进而防止了 Ga对硅表面的回熔。 由于MOCVD设备进行分工，每次反应附着在反应室内的附着物，是反应的生成物，受热分解 后，与原料气体融为一体，参与平衡反应，不会影响下一炉的产品品质，也不需要在反应后 对反应室进行非常苛刻的清洗。因此，本发明技术给每个反应过程创造了一个类似与蓝宝 石衬底技术的单纯反应环境，兼顾了对产品的品质和生产效率要求，可以生产出更高品质 的半导体材料和具有更好的生产效率。而且，相比发明人之前使用的技术，不再需要严格清 理反应室内的Ga残留，这有利于保护诸如反应室内的石墨基座和电炉等部件，提高了反应 室的稳定性，延长了 MOCVD上部件的使用寿命，由于MOCVD设备价格昂贵，更少的故障，更长 的使用寿命，意味着生产成本的降低。本发明技术可用于发光二极管、二极管激光器、功率 器件等领域。


图1是本发明的流程方框图。 图2A、图2B、图2C、图2D显示硅衬底外延片的生产过程。
具体实施例方式
本发明提供一种硅衬底GaN基半导体材料的制造方法。 参看图2并结合图l，在硅衬底上制造Ga基外延片过程为如图2A，先在硅衬底1
上构图刻槽成图2B所示衬底结构，在硅衬底1上形成槽4和沉积台5。 如图2C，然后在专门用于生长氮化铝缓冲层的第一个M0CVD的反应室内，在硅衬
底1上生成氮化铝缓冲层2，完成后取出，形成硅衬底氮化铝模板A备用。 如图2D，将上述备用的硅衬底氮化铝模板A放入专门用于生长GaN基半导体材料
的第二个MOCVD的反应室内外延GaN基半导体材料，完成后取出，形成硅衬底GaN基半导体材料。 完成一片硅衬底GaN基半导体材料的生产需要两个不同的MOCVD反应室。 一台MOCVD设备可以有一个反应室也可以有多个MOCVD的反应室。 鉴于现状，以一台MOCVD设备只有一个反应室的情况为例，第一个MOCVD设备可以 选用7片机这样的低数量制造能力的MOCVD，第二个MOCVD设备可以选用42片机这样的高 数量制造能力的MOCVD设备。这种选择首先鉴于低片机的设备成本较高片机的成本更低， 且利用生产氮化铝的时间比生产GaN基外延层的时间要短这个因素可以尽量使在硅衬底 上制造氮化铝的生产率和在氮化铝上制造GaN基半导体材料的生产率一致，以提高最终的 高效生产的结果。 基于上述条件，对于已经构图刻槽的硅衬底片子，本发明生产硅衬底GaN基半导 体材料的方法的实施例一如下 —、硅衬底在位高温氢气处理将硅衬底放入第一个反应室内，在相对较高的温度 和含氢气的氛围下，对硅衬底进行在位处理，以清除衬底上的有机污染物和吸附的氧原子。
二、硅衬底在位处理完成后，降低温度，为生长氮化铝做准备，氮化铝的生长温度 为500 1000摄氏度。 三、为了顺利实现Si晶格向氮化铝晶格的转变，可以在第一个反应室内通入三甲 基铝源在线铺铝，在硅衬底表面均匀沉淀一层铝金属，表面Si的悬键和铝结合在一起，将 表面硅的悬键转换成铝的悬键。 四、氮化铝的生长然后通入铝源，和氨气反应，沉积形成氮化铝缓冲层薄膜，氮化
铝的厚度在200 2000埃，优选为600 800埃，此处以厚度400埃为例。 五、氮化铝生长结束后，在氨气保护下，将至室温，取出硅衬底氮化铝模板。 六、然后将硅衬底氮化铝模板置于第二个反应室内，外延GaN基半导体材料，外延
片完成后从第二个反应室内取出，对第二个反应室进行高温烘干处理，准备下一炉外延生长。 实施例二 相比实施例一的区别在于上述步骤三和步骤四变为先通入氨气，形成薄层SiN， 再生长A1N，厚度1200埃。
实施例三 相比实施例一的区别在于上述步骤三和步骤四变为在硅衬底上生成氮化铝缓冲 层过程中，先进行高压生长，后进行低压生长。
实施例四 相比实施例一的区别在于上述步骤三和步骤四变为在所述硅衬底上生长单层氮 化铝缓冲层或者在不同的生长参数下的多层氮化铝缓冲层。 本发明技术与之前的技术相比具有以下几个明显的优势1、专门用于生长A1N生 长的反应室内，完全杜绝了反应室内Ga金属的附着，从而不存在衬底处理过程中，Ga金属 对衬底的破坏；2、外延GaN的过程为从A1N模板开始，bake衬底和生长初期，分解出来的Ga 金属衬底在模板表面，由于模板最表面一层为A1N，能够保护Si衬底免于被Ga回熔；3、采 用硅衬底模板两次外延的方法，相对于硅衬底上直接一次外延，反应室的清理宽容度更大， 清理简单、时间短，提高了生产效率和生产良率；4、縮短了生产时间，提高的生产效率非常明显。
权利要求
一种硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，包括在专门用于生长氮化铝缓冲层的第一个MOCVD的反应室内，在硅衬底上生成氮化铝缓冲层，完成后取出，形成硅衬底氮化铝模板备用；将上述备用的硅衬底氮化铝模板放入专门用于生长GaN基半导体材料的第二个MOCVD的反应室内外延GaN基半导体材料，完成后取出，形成硅衬底GaN基半导体材料。
2. 根据权利要求1所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于先在第 一个MOCVD的反应室内，先清除硅衬底上的有机污染物和吸附的氧原子，然后再进行氮化 铝缓冲层的生长。
3. 根据权利要求1所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于所述在硅 衬底上生成氮化铝缓冲层的过程包括先通入有机金属铝源在硅衬底上铺铝，在硅表面均匀沉淀一层铝金属，同时通入铝源 和氨气进行反应，在硅衬底上沉淀生成氮化铝缓冲层。
4. 根据权利要求3所述的硅衬底GaN基半导体材料的制作方法，其特征在于所述有 机金属铝源为三甲基铝。
5. 根据权利要求1所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于所述在硅 衬底上生成氮化铝缓冲层的过程包括先通入氨气；然后再通入铝源和氨气反应，在硅衬底上沉淀生成氮化铝缓冲层。
6. 根据权利要求1所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于在所述 硅衬底上生长单层氮化铝缓冲层或者在不同的生长参数下的多层氮化铝缓冲层。
7. 根据权利要求1所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于所述氮 化铝缓冲层的生长温度在500 1000摄氏度。
8. 根据权利要求l所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于所述氮 化铝的厚度在200 2000埃。
9. 根据权利要求8所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于所述氮 化铝的厚度在600 800埃。
10. 根据权利要求1或2所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于先 对硅衬底进行刻槽构图，然后再放入MOCVD的反应室内。
11. 根据权利要求1所述的硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，其特征在于在硅衬 底上生成氮化铝缓冲层过程中，先进行高压生长，后进行低压生长。
全文摘要
本发明提供一种硅衬底GaN基半导体材料的制造方法，该方法用于解决在外延GaN基半导体材料的过程中，Ga对硅表面回熔的问题，以提高产品的品质和提高生产效率。该方法包括在专门用于生长氮化铝缓冲层的第一个MOCVD的反应室内，在硅衬底上生成氮化铝缓冲层，完成后取出，形成硅衬底氮化铝模板备用；将上述备用的硅衬底氮化铝模板放入专门用于生长GaN基半导体材料的第二个MOCVD的反应室内外延GaN基半导体材料，完成后取出，形成硅衬底GaN基半导体材料。本发明方法可用于发光二极管、二极管激光器和功率器件等的生产制造。
文档编号H01L21/205GK101719465SQ20091018656
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者方文卿, 江风益, 王立, 莫春兰, 郑畅达 申请人:晶能光电(江西)有限公司