专利名称：基于c面SiC衬底上极性c面GaN的MOCVD生长方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种C面SiC衬 底上极性C面GaN半导体材料的金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长方法，可用于制 作极性c面GaN基的半导体器件。
背景技术：
GaN基、GaAs基、InP基等半导体材料，它们的禁带宽度差异较大，因此人们通常利 用这些化合物半导体材料形成各种异质结构。由于在异质结中异质结界面两侧的化合物半 导体材料的禁带宽度存在较大的差异，使得这些异质结构具有一个共同特点，即在异质结 界面附近产生一个量子阱。对于由这些化合物半导体材料所组成的异质结，人们通过对材 料进行掺杂，或者利用材料的极化效应等特性，可以在量子势阱中产生高浓度的二维电子 气，这种二维电子气由大量的电荷载流子构成。但是由于GaN材料质量较差，同时界面粗糙 度较大，c面GaN的材料质量还有很大的提高空间。C面SiC衬底材料由于和c面GaN材料 之间具有更小的晶格失配，可以在c面SiC衬底上生长GaN的底板进而生长异质结材料，但 SiC衬底和GaN之间依然有很高的热失配，生长的GaN材料质量依然很差。为了减少缺陷，在c面SiC衬底上生长高质量的极性c面GaN外延层，许多研究者 采用了不同的生长方法。1998年，Tetsu Kachi，等人采用了 InN成核层的方法，参见A new buffer layer for high quality GaN growth by metalorganic vapor phase epitaxy, APPLIED PHYSICS LETTERS V72 ρ 704-706 1998。但这种方法生长的材料缺陷密度依然 很高；2009年，Ζ. Chen,等人采用AlGaN插入层的生长方式，在c面SiC衬底上生长了极性 c 面 GaN 材料，参见 Growth of AlGaN/GaN heteroiunction field effect transistors on semi insulating GaN using an AlGaN interlayer, APPLIED PHYSICS LETTERS V94 P112108 2009。但是，这种方法生长的材料质量依然很差，并且材料中的应力较大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于c面SiC衬底的极性 c面GaN薄膜的生长方法，提高c面GaN薄膜质量，为制作高性能极性c面GaN发光二极管 及异质结提供底板。实现本发明目的技术关键是采用两步TiN插入层的方式，在c面SiC衬底上依次 生长第一层TiN层，GaN成核层，c面GaN缓冲层，第二层TiN层，c面GaN外延层。实现步 骤包括如下(1)将c面SiC衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通 入氢气与氨气的混合气体，对衬底基片进行热处理，反应室的真空度小于2 X 10_2Torr，衬底 加热温度为900-1200°C，时间为5-10min，反应室压力为20_760Torr ；(2)在c面SiC衬底上生长第一层I-IOnm的Ti金属层，并对该Ti金属层进行氮 化形成第一层TiN层；
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(3)在第一层TiN层之上生长厚度为20-100nm，温度为550-650°C的低温GaN成核 层；(4)在低温GaN成核层之上生长厚度为2000_3000nm，温度为950-1100°C的c面
GaN缓冲层；(5)在c面GaN缓冲层之上生长第二层l-lOnm的Ti金属层，并对该Ti金属层进 行氮化形成第二层TiN层；(6)在第二层TiN层之上生长厚度为2000-5000nm，温度为950-1100°C的GaN外延层。本发明具有如下优点1.由于采用本发明所用的TiN插入层，材料中的缺陷密度大大降低。2.由于采用本发明所用的TiN插入层，材料中的应力大大降低。本发明的技术方案和效果可通过以下附图和实施例进一步说明。
图1是本发明的极性c面GaN薄膜生长流程图；图2是本发明的极性c面GaN薄膜剖面示意图。
具体实施例方式参照图1，本发明给出如下实施例实施例1，本发明的实现步骤如下步骤1，对衬底基片进行热处理。将c面SiC衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入 氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2X IO-2Torr,衬底加热温度为1100°C，时 间为8min，反应室压力为40Τοπ·的条件下，对衬底基片进行热处理。步骤2，生长第一层TiN插入层。将热处理后的衬底基片温度升高为1000°C，向SiC衬底表面淀积厚度为5nm的Ti 层，然后在流量为4000sCCm的氨气环境中，在保持压力为40Torr和1000°C的条件下氮化8 分钟形成5nm厚的TiN层。步骤3，生长极性c面GaN成核层。将已经生长了 TiN层的基片温度降低为600°C，向反应室通入流量为30μπιΟ1/π η 的镓源、流量为1200SCCm氢气和流量为4000SCCm的氨气，在保持压力为40Torr的条件下 生长厚度为30nm的极性c面GaN成核层。步骤4，生长极性c面GaN缓冲层。将已经生长了 GaN成核层的基片温度升高为1000°C，向反应室通入流量为 5ymol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为4000sccm的氨气，在保持压力为 40Torr的条件下生长厚度为2500nm的极性c面GaN缓冲层。步骤5，生长第二层TiN插入层。将已经生长了极性c面GaN缓冲层的基片温度保持在1000°C，向GaN表面淀积厚 度为5nm的Ti层，然后在流量为4000SCCm的氨气环境中，在保持压力为40Torr和1000°C的条件下氮化8分钟形成5nm厚的第二层TiN层。步骤6，生长极性c面GaN外延层。将已经生长了第二层TiN层的基片温度保持在1000°C，向反应室通入流量为 40ymol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为4000sccm的氨气，在保持压力为 40Torr的条件下生长厚度为2500nm的极性c面GaN外延层。步骤7，将通过上述过程生长的极性c面GaN材料从MOCVD反应室中取出。通过上述步骤生长出极性的c面GaN薄膜结构，如图2所述，它自下而上依次为厚 度为200-500 μ m的c面SiC衬底、厚度为30nm的第一层TiN层、厚度为的30nm的GaN成 核层、厚度为2500nm的极性c面GaN缓冲层、厚度为5nm的第二层TiN层、厚度为2500nm 的极性c面GaN外延层。实施例2 本发明的实现步骤如下步骤A，对衬底基片进行热处理。将c面SiC衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入 氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2X IO-2Torr,衬底加热温度为1100°C，时 间为8min，反应室压力为40Τοπ·的条件下，对衬底基片进行热处理。步骤B，生长第一层TiN插入层。将热处理后的衬底基片温度升高为900°C，向SiC衬底表面淀积厚度为Inm的Ti 层，然后在流量为3000sCCm的氨气环境中，在保持压力为20Τοπ·和900°C的条件下氮化5 分钟形成Inm厚的第一层TiN层。步骤C，生长极性c面GaN成核层。将已经生长了第一层TiN的基片温度降低为550°C，向反应室通入流量为5 μ mol/ min的镓源、流量为1200SCCm氢气和流量为3000sCCm的氨气，在保持压力为20Torr的条件 下生长厚度为20nm的极性c面GaN成核层。步骤D，生长极性c面GaN缓冲层。将已经生长了 GaN成核层的基片温度升高为950°C，向反应室通入流量为5 μ mol/ min的镓源、流量为1200SCCm氢气和流量为3000sCCm的氨气，在保持压力为20Torr的条件 下生长厚度为2000nm的极性c面GaN缓冲层。步骤E，生长第二层TiN层。将已经生长了极性c面GaN缓冲层的基片表面淀积厚度为Inm的第二层Ti层，然 后在流量为3000sCCm的氨气环境中，在保持压力为20Torr和900°C的条件下氮化5分钟形 成Inm厚的第二层TiN层。步骤F，生长极性c面GaN外延层。将已经生长了第二层TiN层的基片温度升高为950°C，向反应室通入流量为 5ymol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为3000sccm的氨气，在保持压力为 20Torr的条件下生长厚度为2000nm的极性c面GaN外延层。步骤G，将通过上述过程生长的极性c面GaN材料从MOCVD反应室中取出。通过上述步骤生长出的极性c面GaN薄膜结构，如图2所述，它自下而上依次为厚 度为200-500μπι的c面SiC衬底、厚度为Inm的TiN层、厚度为20nm的GaN成核层、厚度
5为2000nm的极性c面GaN缓冲层、厚度为Inm的TiN层、厚度为2000nm的极性c面GaN外延层。实施例3 本发明的实现步骤如下步骤一，对衬底基片进行热处理。将极性c面SiC衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反 应室通入氢气与氨气的混合气体，在反应室的真空度小于2X IO-2Torr,衬底加热温度为 1200°C，时间为lOmin，反应室压力为760Torr的条件下，对衬底基片进行热处理。步骤二，生长第一层TiN插入层。将热处理后的衬底基片温度升高为1200°C，向GaN表面淀积厚度为IOnm的Ti层， 然后在流量为lOOOOsccm的氨气环境中，在保持压力为760Torr和1200°C的条件下氮化10 分钟形成IOnm厚的TiN层。步骤三，生长极性c面GaN成核层。将已经生长了 TiN的基片温度降低为650°C，向反应室通入流量为lOOymol/min 的镓源、流量为1200SCCm氢气和流量为lOOOOsccm的氨气，在保持压力为760Torr的条件 下生长厚度为IOOnm的极性c面GaN成核层。步骤四，生长极性c面GaN缓冲层。将已经生长了 GaN成核层的基片温度升高为1100°C，向反应室通入流量为 lOOymol/min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为lOOOOsccm的氨气，在保持压力为 760Torr的条件下生长厚度为3000nm的极性c面GaN层。步骤五，生长第二层TiN层。将已经生长了极性c面GaN层的基片表面淀积厚度为IOnm的Ti层，然后在流量 为lOOOOsccm的氨气环境中，在保持压力为760Torr和1200°C的条件下氮化10分钟形成 IOnm 厚 TiN 层。步骤六，生长极性c面GaN外延层。将已经生长了 TiN层的基片温度升高为1100°C，向反应室通入流量为IOOymol/ min的镓源、流量为1200sccm氢气和流量为lOOOOsccm的氨气，在保持压力为760Torr的条 件下生长厚度为5000nm的极性c面GaN外延层。步骤七，将通过上述过程生长的极性c面GaN材料从MOCVD反应室中取出。通过上述步骤生长出的极性c面GaN薄膜结构，如图2所述，它自下而上依次为厚 度为200-500 μ m的c面SiC衬底、厚度为IOnm的第一层TiN层、厚度为IOOnm的GaN成核 层、厚度为3000nm的极性c面GaN缓冲层、厚度为IOnm的第二层TiN层、厚度为5000nm的 极性c面GaN外延层。对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，能够在不背离本发明 的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这 些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
一种基于c面SiC衬底的极性c面GaN薄膜的MOCVD生长方法，包括如下步骤(1)将c面SiC衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室通入氢气与氨气的混合气体，对衬底基片进行热处理，反应室的真空度小于2×10 2Torr，衬底加热温度为900 1200℃，时间为5 10min，反应室压力为20 760Torr；(2)在热处理后的c面SiC衬底上生长1 10nm厚的Ti金属层，并对该Ti金属层进行氮化形成第一层TiN层；(3)在第一层TiN层之上生长厚度为20 100nm，温度为550 650℃的低温GaN成核层；(4)在低温GaN成核层之上生长厚度为2000 3000nm，温度为950 1100℃的c面GaN缓冲层；(5)在c面GaN缓冲层之上生长1 10nm厚的Ti金属层，并对该Ti金属层进行氮化形成第二层TiN层；(6)在第二层TiN层之上生长厚度为2000 5000nm，温度为950 1100℃的GaN外延层。
2.根据权利要求1所述的极性c面GaN成核层生长方法，其中步骤(2)所述的对对 Ti金属层进行氮化形成第一层TiN层，是在温度为900-1200°C，时间为5-lOmin，压力为 20-760Torr，氨气流量为3000-10000sccm的工艺条件下形成。
3.根据权利要求1所述的极性c面GaN成核层生长方法，其中步骤(3)所述的成核层， 是在压力为20-760Torr，镓源流量为5-100 μ mol/min,氨气流量为3000-10000sccm的工艺 条件下生长形成。
4.根据权利要求1所述的极性c面GaN薄膜生长方法，其中步骤(4)所述的缓冲层，是 在压力为20-760Torr，镓源流量为5-100 μ mol/min,氨气流量为3000-10000sccm的工艺条 件下生长形成。
5.根据权利要求1所述的极性c面GaN薄膜生长方法，其中步骤(5)所述的对Ti 金属层进行氮化形成第二层TiN层，是在温度为900-1200°C，时间为5-lOmin，压力为 20-760Torr，氨气流量为3000-10000sccm的条件下形成。
6.根据权利要求1所述的极性c面GaN薄膜生长方法，其中步骤(6)所述的外延层，是 在压力为20-760Torr，镓源流量为5-100 μ mol/min,氨气流量为3000-10000sccm的工艺条 件下生长形成。
7.一种基于c面SiC衬底的极性c面GaN薄膜，自下而上依次包括c面SiC衬底、GaN 成核层、c面GaN缓冲层和c面GaN外延层，其特征在于c面SiC衬底和c面GaN缓冲层上 分别设有氮化形成的TiN插入层。
8.根据权利要求7所述极性c面GaN薄膜，其特征在于所述的TiN插入层厚度为 I-IOnm0
9.根据权利要求7所述极性c面GaN薄膜，其特征在于所述的GaN缓冲层厚度为 2000-3000nm。
10.根据权利要求7所述极性c面GaN薄膜，其特征在于所述的GaN外延层厚度为 2000-5000nm。
全文摘要
本发明公开了一种基于c面SiC衬底的极性c面GaN薄膜的生长方法，主要解决常规极性c面GaN材料生长中材料质量较差的问题。其生长步骤是(1)将c面Al2O2衬底置于MOCVD反应室中，对衬底进行热处理；(2)在c面Al2O3衬底上生长厚度为100-300nm，温度为700℃的低温无应力AlInN层；(3)在所述低温无应力AlInN层之上生长厚度为1000-2000nm，温度为950-1100℃的高温GaN层；(4)在所述高温GaN层之上生长1-10nm的TiN层；(5)在所述TiN层之上生长厚度为2000-5000nm，温度为950-1100℃的极性c面GaN层；(6)在所述极性c面GaN层之上生长厚度1-10nm的TiN层；(7)在所述TiN层之上生长厚度为2000-5000nm，温度为950-1100℃的极性c面GaN层。本发明具有工艺简单，低缺陷的优点，可用于制作极性c面GaN发光二极管及高电子迁移率晶体管。
文档编号C30B29/40GK101901760SQ20101020956
公开日2010年12月1日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者张进成, 曹艳荣, 杨传凯, 杨林安, 王昊, 许晟瑞, 郝跃, 陈珂 申请人:西安电子科技大学