专利名称：硅衬底上Ⅲ族氮化物半导体外延生长技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用双缓冲层加渐变层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族氮化物半导体以其优异的光电特性已广泛地应用于发光二极管、半导体激光器和其它高性能电子器件中。
由于缺乏氮化镓本底单晶，目前氮化镓基光电器件均通过异质衬底外延而成。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；但是SiC的价格贵昂，严重制约了相应器件的推广应用；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、晶片尺寸大而受到人们的广泛重视与研究。
由于Si单晶与GaN晶格常数与热膨胀系数相差太大，造成外延GaN晶体质量太差，缺陷密度过高，特别是热膨胀产生的应力使外延层厚度超过1μm时产生龟裂；这些问题严重限制了硅基GaN外延生长工艺的发展。
由于GaN与硅衬底间的界面能高，故在硅衬底不能直接生长出优质的III族氮化物晶体。只有先生长三维(3D)成核模式生长的nucleation层(缓冲层)，然后再在此基础上实现2维(2D)层状生长，获得高质量的外延晶体材料。
在硅基III族氮化物外延的研究过程中，多种材料均被尝试用作缓冲层以改善晶体质量，如低温生长的GaN、低温和高温生长的AlN、AlAs、Si3N4、GaAs、ZnO、LiGaO2等，但晶体材料中缺陷密度过高，较厚外延层龟裂的问题仍是限制硅基III族氮化物材料和器件发展的主要障碍。
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，采用双缓冲层加渐变层的方法，减少因晶格失配、热膨胀系数相差太大而造成外延晶体内高缺陷密度和厚外延层龟裂的问题。
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硅单晶衬底1、缓冲层2、缓冲层3、渐变层4和III族氮化物半导体晶体5。
下面结合附图进一步阐述本发明。
缓冲层2采用湿氧氧化而成或PECVD淀积形成SiO2。氧化或等离子气相淀积所形成的SiO2薄膜为无定形玻璃状结构，这种结构的基本单元是Si-O原子组成的多面体。硅原子位于多面体的中心，4个氧原子位于多面体的角上，相邻两个多面体通过一个桥键氧原子连接而构成无规则排列的三维网络结构。SiO2薄膜为一种长程无序而短程有序的熔融石英，其结晶区大小约为几个纳米到几十纳米；结晶区外的网络结构疏松不均匀。与干氧热氧化相比热湿氧氧化而成或PECVD淀积形成SiO2的网络结构更疏松，故在硅衬底上III族氮化物半导体外延生长中采用结构疏松的SiO2作为第一层缓冲层，SiO2与硅粘附性良好，其疏松的多孔结构在此作为一种侧向外延的掩膜材料；这种以结构疏松多孔的SiO2作为掩膜材料具有工艺简单、易操作；并且精度有保证。
缓冲层3采用高温生长的AlN。高温可以促进AlN的成核生长；同时采用低反应腔压力以适当增大横向生长速度及控制晶粒大小尺寸。
在生长完缓冲层3-AlN后，不改变生长温度，以缓冲层3中的AlN作为籽晶继续外延生长渐变层4-偏离化学计量比的富Ga GaN。在渐变层生长期间V/III从660渐变到3000，然后V/III稳定为3000，外延生长所需的高质量GaN或III族氮化物材料。在高温GaN的生长初期采用较低的V/III是为了增强三维生长模式，因为在富镓环境中有利于GaN的结晶成核以获得大尺寸的结晶团低的结晶团密度；降低孤立结晶团之间的联合速度，减少位错密度。在渐变层4生长过程中随着V/III比的增加大尺寸的结晶团互相联合，表面形貌发生转化，外延晶体与衬底间的应变失配得以缓解，准二维层状生长模式不断增强。外延晶体表面趋于平整，晶体质量得以提高。
本发明的技术特点1.硅上氧化或淀积的多孔SiO2薄膜具有压应力，可大大释放GaN外延层中的张应力，制作出无龟裂后外延GaN材料；以满足GaN基光电器件的质量要求，提高光电特性、延长使用寿命。
2.采用双缓冲层加渐变层结构，可大大降低外延晶体中的位错密度，减少非辐射复合。提高光电器件的发光效率。
3.本发明工艺简单、易操作可控制。
四.
附图为本发明硅基外延生长GaN的各层结构原理图。
五.
具体实施例方式
1.将单面或双面抛光的硅片用下列清洗液H2SO4:H2O2，NH4OH:H2O2:H2O，HCl:H2O2:H2O，HF:H2O和大量冷、热去离子水冲洗干净；甩干。
2.将清洗、甩干的硅片放入PECVD反应腔内淀积SiO2；或放入氧化炉氧化到所需的氧化层厚度。
3.将淀积好SiO2或氧化好硅片取出后立即放入MOCVD反应腔内。
4.将MOCVD的温度迅速升到1000℃～1150℃，同时通H2。
5.生长缓冲层3AlN，生长时间200秒～450秒，同时通NH3和三甲基铝(TMAl)。
6.生长渐变层4富Ga-GaN，生长时间约200秒～800秒，通NH3和三甲基镓(TMG)；三甲基镓的流量不变，而NH3的流量不断增大，使V/III从660渐变到3000。
7.在生长条件不变的情况下继续外延生长GaN到所需的厚度。
8.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。
权利要求
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III族氮化物半导体材料5与硅衬底1间有SiO2缓冲层2和AlN缓冲层3以及GaN组份渐变层4。
2.由权利要求1所述的缓冲层2，其特征是缓冲层为SiO2，SiO2膜厚约为20到200。
3.由权利要求2所述的SiO2，可以采用热氧化的方法形成，氧化温度600℃～800℃。为了较精确地控制氧化层的厚度，适当延长高温氧化时间；采用氩气稀释的氧气作为氧化气体，降低氧气的分压比，达到降低氧化速率的目的。
4.由权利要求2所述的SiO2，可以采用PECVD淀积而成。淀积SiO2的衬底温度从室温到300℃，工艺气体采用SiH4，N2O。
5.由权利要求1所述的AlN缓冲层3，其特征是缓冲层为高温生长。生长温度1000℃～1150℃，AlN层厚度20～30nm。
6.由权利要求1所述的GaN组份渐变层4，其特征是高温生长的渐变偏离化学计量比的富Ga HT-GaN，渐变层4的厚度约为0.1～0.5微米。
全文摘要
一种硅单晶衬底上生长III族氮化物半导体单晶材料的新技术，该技术在外延生长III族氮化物半导体材料前须先生长两层缓冲层和一渐变层，缓冲层2是SiO
文档编号H01L33/00GK1725445SQ200410054828
公开日2006年1月25日 申请日期2004年7月23日 优先权日2004年7月23日
发明者冯玉春, 郭宝平, 牛憨笨, 李忠辉 申请人:深圳大学