一种制备高质量氮化物的方法
【专利摘要】本发明涉及一种制备高质量氮化物的方法，属于半导体【技术领域】。解决现有“侧向外延法”工艺复杂、环境要求苛刻、需要二次外延、成本昂贵且不利于大规模生产的技术问题。本方法包括(1)选取衬底材料；(2)利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)直接生长外延材料；所述衬底材料与外延材料之间的晶格失配度为0.5％～10％。本方法能够一次性生长出低位错密度的高质量氮化物，具有工艺简单、生长周期短、材料质量好等优点，是实现氮化物材料高质量、低成本生长的有效手段，为实现高性能氮化物光电子器件和微电子器件奠定了基础。
【专利说明】 一种制备高质量氮化物的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，具体涉及一种低成本、工艺简单的制备高质量氮化物的方法。
【背景技术】
[0002]III族氮化物是第三代半导体材料的典型代表，具有直接宽带隙，光覆盖从紫外到红外，热稳定性好等优异的物理和化学性能，在光电子器件领域具有极其广泛的应用，是制备蓝、绿、紫外及深紫外发光二极管(LED)，太阳能电池，紫外及深紫外探测器等的理想材料。此外，由于氮化物材料具有高电子饱和速率、高电子迁移速率、高击穿电场等优势，在微电子器件领域也备受关注，是制备高温、高频、高功率器件的理想材料，如高电子迁移率场效应晶体管等。但是由于同质单晶衬底的缺乏，氮化物通常利用“两步法”生长在蓝宝石等异质衬底上。由于衬底材料和外延层之间大的晶格失配和热失配，使得氮化物中存在高密度的贯穿位错等缺陷，这些缺陷是主要的漏电通道，并且是载流子的散射复合中心，因此，极大制约了氮化物在微电子器件领域、太阳能电池领域，紫外及深紫外LED以及激光器、探测器等领域的实用化进程。
[0003]“侧向外延法”被视为是降低氮化物中位错密度的有效方法，即首先外延一层氮化物材料，然后将样品取出反应室，并在外延层上生长掩膜材料，如Si02。接下来利用光刻、刻蚀等工艺形成掩膜窗口图形，最后再次利用外延工艺外延生长氮化物。由于在二次外延的过程中，氮化物只能生长在窗口上，而S12等掩膜材料上方氮化物是侧向外延生长过程，这样，能够有效地使位错发生弯曲或者终止，因此，能够降低氮化物中的位错密度。但是“侧向外延法”存在工艺复杂，掩膜制备过程样品需要取出反应室，环境要求苛刻，并且极大增加了二次外延样品被污染的几率，存在成本昂贵且不利于大规模生产等弊端。因此，发明一种低成本、工艺简易、高质量的氮化物材料生长方法意义显著。
【发明内容】
[0004]本发明要解决现有“侧向外延法”工艺复杂、环境要求苛刻、需要二次外、延、成本昂贵且不利于大规模生产的技术问题，提供一种制备高质量氮化物的方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下:
[0006]一种制备高质量氮化物的方法，包括:
[0007](I)选取衬底材料；
[0008](2)利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)直接生长外延材料；
[0009]所述衬底材料与外延材料之间的晶格失配度为0.5% -10%。
[0010]在上述技术方案中，所述衬底材料与外延材料之间的晶格失配度为1.5% _5%。
[0011]在上述技术方案中，所述外延材料为GaN或AlGaN时，衬底材料为Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/AIN模板。
[0012]在上述技术方案中，所述外延材料为InGaN时，衬底材料为Sapphire/GaN模板、Si/GaN 模板、SiC/GaN 模板、Sapphire/AIN 模板、Si/ΑΙΝ 模板或者 SiC/AIN 模板。
[0013]本发明提供的制备高质量氮化物的方法的有益效果是:
[0014]本发明提供的方法既能够达到传统“侧向外延法”降低氮化物中位错密度的效果，又成功避免了“侧向外延法”工艺复杂、环境要求苛刻、需要二次外延等的不足，能够一次性生长出低位错密度的高质量氮化物。本发明具有工艺简单、生长周期短、材料质量好等优点，是实现氮化物材料高质量、低成本生长的有效手段，为实现高性能氮化物光电子器件和微电子器件奠定了基础。本发明的方法不仅适用于氮化物基材料的外延生长，而且适用于整个失配外延体系。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0016]图1为在Sapphire/AIN模板上生长高质量GaN的方法流程图。
[0017]图2为GaN外延层的演变过程示意图。
【具体实施方式】
[0018]本发明的发明思想为:本发明的主要目的是提供一种既能够有效降低氮化物中的位错密度，又能够避免“侧向外延法”的弊端，实现低成本、工艺简易、高质量氮化物材料的有效方法，即“应力诱导原位侧向外延法”。本方法利用异质外延生长过程中的界面应力，实现外延层的生长过程历经外延“岛”形成、“岛”原位侧向外延生长、“岛”合并成膜等过程，实现GaN基材料中位错密度的降低，并且避免了传统“侧向外延法”所有的弊端，是实现高质量氮化物材料以及高性能氮化物基光电子及微电子器件的有效途径。并且，“应力诱导原位侧向外延法”不仅适用于氮化物基材料的外延生长，而且适用于整个失配外延体系，为高质量异质外延材料的获得提供了有效手段。
[0019]下面结合附图对本发明做以详细说明。
[0020]实施例1
[0021]参见图1:该图为在Sapphire/AIN模板上生长高质量GaN的方法流程图包括:
[0022](I)利用Sapphire/AIN模板作为衬底材料，晶格失配度为2.4%。
[0023]如果衬底材料与外延材料之间的晶格失配度太小，则衬底材料与外延材料之间的界面应力过小，使得外延层趋向于准二维层状生长，无法实现“原位侧向外延生长”;如果外延材料与衬底材料之间的晶格失配度太大，则外延材料趋向于三维“岛”生长，“岛”难以合并成膜。因此，衬底材料与外延材料之间的晶格失配度要适度，不能过大或者过小，晶格失配度为0.5% -10%。最佳值为晶格失配度1.5% -5%。因此，利用Sapphire/AIN模板、Si/AlN模板或者SiC/AIN模板等作为衬底材料，晶格失配度为2.4%。
[0024](2)利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)生长GaN，生长温度为1030_1070°C。
[0025]利用金属有机物化学气相沉积法直接生长氮化物材料，无须生长成核层。外延材料的生长过程如下:首先界面应力作用下，外延材料形成“岛”;然后新的“岛”不再形成，形成的“岛”长大，发生原位侧向外延生长；最后“岛”与“岛”合并，形成外延层。参见图2:
[0026]01 为 Sapphire/AIN 模板衬底；
[0027]02为在应力诱导下形成的GaN “岛”，由于Sapphire/AIN模板衬底和GaN之间晶格失配度为2.4%，根据晶体生长理论，在界面应力的作用下，GaN “岛”自发形成；
[0028]03为随着生长时间增加，“岛”长大，发生原位侧向外延生长。根据晶体生长理论，在异质外延过程中，吸附原子更趋向于与同类原子结合，而不是与异质衬底结合。因此，一旦GaN “岛”形成，吸附原子将与GaN “岛”结合，使“岛”逐渐长大，发生原位侧向外延生长；
[0029]04为GaN “岛”合并，随着生长时间的增加，GaN “岛”进一步侧向外延生长，在此过程中，GaN中的贯穿位错等缺陷发生弯曲或者终止，因此，大大降低GaN材料中的贯穿位错等缺陷。此过程与传统“侧向外延法”相比具有相同的降低氮化物中缺陷密度的效果，却避免了传统“侧向外延法”的弊端，无需制备掩膜材料以及进行光刻、刻蚀、二次外延等工艺，同时避免了对环境的苛刻要求，在简化工艺的同时，降低了氮化物材料的位错等缺陷，提高了氮化物材料质量。
[0030]05为利用“应力诱导原位侧向外延法”生长的高质量GaN外延层，此外延层位错密度远低于“两步法”生长的外延层的缺陷密度，比“两步法”获得的GaN的位错密度低2个数量级以上；与传统“侧向外延法”生长的GaN质量相当或者优于传统“侧向外延法”生长的GaN。制得的GaN外延层的(002)面X射线衍射半峰宽低于200arcsec，(102)面X射线衍射半峰宽低于300arcsec。
[0031]实施例2
[0032]生长高质量的AlGaN外延层方法，包括:
[0033](I)利用Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/AIN模板作为衬底材料。
[0034]在Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/AIN模板上直接利用MOCVD方法生长AlGaN外延层的时候，AlGaN外延层与衬底材料之间的晶格失配度随着Al组分的增加而减少。对于Al组分介于0.2-1范围内，AlGaN外延层与Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/AIN模板的晶格失配度约为0.5% -2.4%。
[0035](2)利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)生长AlGaN外延层。AlGaN外延层的生长温度随着Al组分的增加而增加。优选的，对于Al组分介于0.2-1范围内，AlGaN的生长温度为1050-1300°C。AlGaN外延层的生长过程与实施例一中GaN的生长过程类似。其过程为:
[0036]在Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/AIN模板上直接上生长AlGaN，优选的，在Sapphire/AIN模板上生长AlGaN外延层，对于Al组分介于0.2-1范围，外延材料与衬底材料的晶格失配度约为0.5% -2.4%，在晶格失配应力的作用下，根据晶体生长理论，AlGaN “岛”自发形成。此后，根据晶体生长理论，当AlGaN “岛”形成后，衬底材料表面的吸附原子易于与AlGaN“岛”结合，而不是与衬底材料结合形成新的岛。这样，使得AlGaN“岛”逐渐长大，发生“原位侧向外延生长”，在此过程中，AlGaN材料中的位错等缺陷发生弯曲或者被终止，使得AlGaN中的位错密度得以大幅度降低。此过程实现了低缺陷密度的高质量AlGaN材料的原位侧向外延生长，同时，有效避免了传统“侧向外延法”的弊端，例如传统的“二次外延法”需要制备掩膜材料以及进行光刻、刻蚀、二次外延等工艺，同时避免了对环境的苛刻要求。是一种工艺简单、可实现大规模生产的获得高质量AlGaN的有效方法。
[0037]实施例3
[0038]生长高质量的InGaN外延层方法，包括:
[0039](I)利用 Sapphire/GaN模板、Si/GaN模板、SiC/GaN 模板、Sapphire/AIN模板、Si/AlN模板或者SiC/AIN模板作为衬底材料。
[0040]在Sapphire/GaN模板、Si/GaN模板或者SiC/GaN模板上直接利用MOCVD方法生长InGaN外延层的时候，InGaN外延层与衬底材料之间的晶格失配度随着In组分的增加而增加。对于In组分介于0.05-1范围内，InGaN外延层与Sapphire/GaN模板、Si/GaN模板或者SiC/GaN模板的晶格失配度约为0.5% -10%。
[0041]在Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/AIN模板上直接利用MOCVD方法生长InGaN外延层的时候，InGaN外延层与衬底材料之间的晶格失配度随着In组分的增加而增加。对于In组分介于0-0.6范围内，InGaN外延层与Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/AIN模板的晶格失配度约为2.4% -10%。
[0042](2)利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)直接生长InGaN外延层。
[0043]InGaN外延层的生长温度随着In组分的增加而降低。优选的，对于In组分介于0.05-1范围内，InGaN的生长温度为1070-600°C。InGaN外延层的生长过程与实施例1中GaN外延层和实施例2中AlGaN的生长过程类似。其过程为:
[0044]在Sapphire/GaN模板、Si/GaN模板或者SiC/GaN模板上直接上生长InGaN,优选的，在Sapphire/GaN模板上生长InGaN外延层,对于In组分介于0.05-1范围，外延材料与衬底材料的晶格失配度为0.5% -10%。在Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/GaN模板上直接上生长InGaN,优选的,在Sapphire/AIN模板上生长InGaN外延层,对于In组分介于0-0.6范围，外延材料与衬底材料的晶格失配度约为2.4% -10%。在晶格失配应力的作用下，根据晶体生长理论，InGaN “岛”自发形成。此后，根据晶体生长理论，当InGaN “岛”形成后，衬底材料表面的吸附原子易于与InGaN“岛”结合，而不是与衬底材料结合形成新的岛。这样，使得InGaN “岛”逐渐长大，发生原位侧向外延生长，在此过程中，InGaN材料中的位错等缺陷发生弯曲或者被终止，使得InGaN中的位错密度得以降低。此过程实现了低缺陷密度的高质量InGaN材料的原位侧向外延生长，同时，有效避免了传统“侧向外延法”的弊端，例如传统的“二次外延法”需要制备掩膜材料以及进行光刻、刻蚀、二次外延等工艺，同时避免了对环境的苛刻要求。是一种工艺简单、可实现大规模生产的获得高质量InGaN外延层的有效方法。
[0045]本发明方法不限于上述实施例，“应力诱导原位侧向外延法”除了适用于生长高质量氮化物材料，如GaN、AlGaN, InGaN以及其光电子和微电子结构材料以外，还适用于其他材料体系的异质外延生长，如InGaAs等。因此，本发明方法适用于整个失配体系的异质外延生长。
【权利要求】
1.一种制备高质量氮化物的方法，其特征在于，包括: (1)选取衬底材料； (2)利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)直接生长外延材料； 所述衬底材料与外延材料之间的晶格失配度为0.5% -10%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底材料与外延材料之间的晶格失配度为1.5% -5%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延材料为GaN或AlGaN时，衬底材料为Sapphire/AIN模板、Si/ΑΙΝ模板或者SiC/AIN模板。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延材料为InGaN时，衬底材料为Sapphire/GaN 模板、Si/GaN 模板、SiC/GaN 模板、Sapphire/AIN 模板、Si/ΑΙΝ 模板或者 SiC/AlN模板。
【文档编号】H01L21/02GK104328488SQ201410427266
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】黎大兵, 孙晓娟, 宋航, 蒋红, 李志明, 陈一仁, 缪国庆, 张志伟 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所