专利名称：在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别指在大失配的衬底上，利用氮化物复合缓冲层 结合超晶格的方法生长表面无裂纹的GaN薄膜材料。
背景技术：
GaN材料作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、电子漂移速度大、 热传导率高，耐高压、耐热分解、耐腐蚀和耐放射性辐照的特点，以及其独特的极化效应，特 别适合于制作超高频、高温、高耐压、大功率器件，在无线通信、雷达探测系统、高温电子器 件和照明领域具有广阔的应用前景。但是由于GaN材料缺少同质衬底，目前普遍采用异质外延的方式进行生长，最常 用的衬底为蓝宝石、碳化硅和硅。由于碳化硅成本高且尺寸小，难以大规模使用；蓝宝石衬 底的热导率太低，外延材料制作高温大功率器件受到限制；而硅衬底价格低、制作工艺成 熟、尺寸大、热导率高、易解理，并且可以实现硅基光电集成；因此采用硅衬底外延生长GaN 材料有明显的优势。然而由于硅和GaN两种材料的晶格常数与热膨胀系数差别很大，其晶格失配与热 失配分别达到17%和56%，导致外延层中存在较大的张应力，从而在GaN薄膜中产生裂纹。 同时大晶格失配造成在外延层中存在大量位错，降低了 GaN薄膜的晶体质量。本文提出采 用氮化物复合缓冲层结合超晶格的方法在硅衬底上生长GaN外延层，能有效降低表面裂纹 密度，提高晶体质量。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种在大失配的衬底上外延生长表面无裂纹的GaN 薄膜的方法，采用该方法可以显著提高GaN外延层的晶体质量，消除表面裂纹，得到器件级 GaN薄膜材料。本发明提供一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步 骤步骤1 选择一大失配衬底；步骤2 在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以 缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；步骤3 在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；步骤4 在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过 滤穿透位错；步骤5 在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。其中所述的大失配衬底为硅衬底。其中所述的在大失配衬底上生长氮化物复合缓冲层、GaN过渡层、超晶格和GaN外 延层的方法是采用金属有机物化学气相外延的方法。
其中所述的氮化物复合缓冲层包括一 AlN层和在AlN层上生长的AlxInyGazN层。其中所述的GaN过渡层的厚度为0. 1-0. 4 μ m，生长温度为800-1100°C。其中所述的超晶格的材料为AlN/AlxGayN。其中所述的GaN外延层的生长温度为800-1100°C。其中所述的氮化物复合缓冲层中的AlN层的厚度为50-250nm，生长温度为 900-1100°C。其中所述的氮化物复合缓冲层中AlxInyGazN层的厚度为60-240nm，其中x+y+z = 1,0 < X < 1,0 ^ y < 1,0 < Z < 1，生长温度为 900_1100°C。其中所述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分别为3-12nm和6-25nm，其中x+y = 1,0 ^ χ < 1,0 < y ^ 1，超晶格的生长温度为900-1100°C。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合具体实施方式
及附图对本发明做一详细的描述，其中图1为本发明在大失配衬底上外延生长GaN薄膜材料的流程示意图；图2为本发明在硅衬底上外延生长GaN薄膜材料的方法示意具体实施例方式为详细说明本发明的技术方案，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进 一步详细说明。如图1、2所示，为本发明提供的一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜 的方法，包括如下步骤步骤1 选择一大失配衬底01，该大失配衬底01为硅衬底；步骤2 在大失配衬底01上生长一层氮化物复合缓冲层02，该氮化物复合缓冲 层02的晶格参数比GaN外延层的晶格参数小，因此可以提供压应力，缓解后续步骤生长 的GaN外延层05在降温过程中由于硅衬底与GaN外延层热失配造成的张应力，并且阻止 回熔刻蚀反应，其中所述的氮化物复合缓冲层02包括一 AlN层021和在AlN层上生长的 AlxInyGazN层022，所述的氮化物复合缓冲层02中的AlN层021的厚度为50_250nm，生长 温度为900-1IOO0C，所述的氮化物复合缓冲层02中AlxInyGazN层022的厚度为60-240nm， 其中 x+y+z = 1,0 < χ < 1,0 ^ y < 1,0 < ζ < 1，生长温度为 900_1100°C ；步骤3 在氮化物复合缓冲层02上生长一层GaN过渡层03，所述的GaN过渡层03 的厚度为0. 1-0. 4 μ m，生长温度为800-1IOO0C ；步骤4 在GaN过渡层03上生长一组超晶格04，该超晶格04可以释放部分张应 力，并能过滤穿透位错，其中所述的超晶格04的材料为AIN/AlxGayN，其中所述的超晶格04 中 AlN 禾口 AlxGayN 的厚度分别为 3_12nm 禾口 6_25nm，其中 x+y = 1,0 ^ χ < 1,0 < y ^ 1, 超晶格04的生长温度为900-1100°C ；步骤5 在超晶格04上面生长GaN外延层05，该GaN外延层05的生长温度为 800-1100°C，完成GaN薄膜的制备。
所述的在大失配硅衬底01上生长氮化物复合缓冲层02、GaN过渡层03、超晶格04和GaN外延层05的方法是采用金属有机物化学气相外延的方法。实施例本发明提供一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步 骤步骤1 选择一硅衬底01 ；步骤2 在硅衬底01上生长一层氮化物复合缓冲层02，该氮化物复合缓冲层02可 以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应，该氮化物复合缓冲层02包括一 AlN层021和在 AlN层上生长的AlxInyGazN层022 ；步骤3 在氮化物复合缓冲层02上生长一层0. 2 μ m厚的GaN过渡层03，该GaN过 渡层03的生长温度为950°C ；步骤4 在GaN过渡层03上生长一组超晶格04，超晶格04包括3_12nm厚的AlN和 6-25nm厚的AlxGayN,该超晶格04可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；其中所述的，其 中x+y = l，0≤x<l，0<y≤1，超晶格的生长温度为1000°C。步骤5 在超晶格04上面生长GaN外延层05，生长温度为950°C，完成GaN薄膜的 制备。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步骤步骤1选择一大失配衬底；步骤2在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；步骤3在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；步骤4在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；步骤5在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。
2.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的大失配衬底为硅衬底。
3.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的在大失配衬底上生长氮化物复合缓冲层、GaN过渡层、超晶格和GaN外延层的方法是采 用金属有机物化学气相外延的方法。
4.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物复合缓冲层包括一 AlN层和在AlN层上生长的AlxInyGazN层。
5.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的GaN过渡层的厚度为0. 1-0. 4 μ m，生长温度为800-1100°C。
6.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的超晶格的材料为AlN/AlxGayN。
7.根据权利要求1所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的GaN外延层的生长温度为800-1100°C。
8.根据权利要求4所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物复合缓冲层中的AlN层的厚度为50-250nm，生长温度为900-1100°C。
9.根据权利要求4所述的在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的氮化物复合缓冲层中AlxInyGazN层的厚度为60-240nm，其中x+y+z = 1,0 < χ < 1, 0 ≤ y < 1,0 < z< 1，生长温度为 900-1100°C。
10.根据权利要求6所述的大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，其中所 述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分别为3_12nm和6_25nm，其中x+y = 1，0≤χ < 1，0 < y ≤1，超晶格的生长温度为900-1100°C。
全文摘要
一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜的方法，包括如下步骤步骤1选择一大失配衬底；步骤2在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；步骤3在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；步骤4在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；步骤5在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。
文档编号H01L21/205GK101807523SQ20101012837
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者刘宏新, 李建平, 潘旭, 王晓亮, 王翠梅, 肖红领, 魏萌 申请人:中国科学院半导体研究所