专利名称：一种SiC或Si衬底GaN基晶体的结构及其生长方法
技术领域：
本发明涉及一种提高SiC(碳化硅)衬底的GaN晶体生长质量的方法，属于光电子 技术领域。
背景技术：
以GaN为代表的三族氮化物(AlN、GaN、 InN、AlGalnN)由于具有优良的光电特性， 因而在蓝光、绿光、紫外发光二极管(LED)及高频、高温大功率电子器件中得到广泛应用。 由于缺乏晶格匹配的衬底，三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、 SiC(碳化硅)、Si (硅)、砷化镓、氧化锌等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积 (M0CVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。 而SiC(碳化硅)是宽带隙半导体材料，与Si相比，它在应用中具有诸多优势。由 于具有较宽的带隙，SiC器件的工作温度可高达60(TC，而Si器件的最高工作温度局限在 175°C。 SiC器件的高温工作能力降低了对系统热预算的要求。此外，SiC器件还具有较高 的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂移速率、高热稳定性和化学惰性，其击穿电场强度比 同类Si器件要高。 SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前还没有第三种衬底用于GaN LED的商业化生产。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等， 由于SiC衬底优异的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaN LED器件的散热问 题，故在半导体照明技术领域占重要地位。但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难 以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外 光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。并且SiC衬底LED的正面出光效率非常低。
在基于SiC或Si为衬底生产LED的过程中，由于SiC本身与GaN之间的晶格适配 相对较大，化学性质相差太大，导致他们之间不浸润，没法直接生长，目前比较流行的就是 在SiC和GaN之间插入一层晶格常数在他们之间的A1N作为缓冲层，再在上面生长GaN，会 有效的减小晶格适配带来的应力，以防外延片生长过程中出现裂纹，其结构如图1所示，自 下至上包括SiC或Si衬底、A1N缓冲层、N型GaN层、MQW(多量子阱)和P型GaN层。
目前的A1N作为缓冲层生长通常使用的是在温度900-1100度之间直接在SiC上 生长一层约lOOnm厚的AlN，这种高温AlN生长方法，比较难以获得高质量的晶体。因为AIN 要求在1300度左右，才能得到最佳的晶体质量，目前常用的生产设备都达不到这个高温要 求。 中国专利文献CN101060076公开了《一种高晶体质量的GaN绝缘或半绝缘外延 层的制备方法》，该方法是以A1203、 SiC或Si为衬底，在衬底经高温氮化后，依次于750 78(TC下高温生长A1N成核层，于720 73(TC下低温三维生长(垂直生长速度大于横向生 长速度)GaN成核层，生长出粗糙的表面，再于750 78(TC下高温二维生长(垂直生长速度 小于横向生长速度)GaN外延层，生长出平整的表面。继续外延生长GaN的同时，实行原位 金属Fe、 Cr或Mg掺杂，制备出高位错密度、相对粗糙的GaN绝缘层。此后采用AlGaN/GaN
3超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法，生长GaN过渡层，最后在720 730°C 、高III/V 比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层。 上述专利文献利用的是GaN的三维和二维生长，工艺实现相对复杂，在GaN三维、 二维生长时还要实行原位金属Fe、 Cr或Mg掺杂，对电学性能要求较高。
中国专利文献CN1738000公开了一种《GaN半导体材料的异质外延方法》，该方法 是在SiC衬底面和蓝宝石衬底面上，利用金属有机物化学气相淀积MOCVD工艺，首先淀积过 渡层和掩膜，并按照涉及图案刻蚀掩膜，进入并暴露出缓冲层A1N作为生长种子区域；然后 将该种子区GaN的生长温度置于1050 110(TC的范围，压力置于40tor左右，在种子区的 缓冲层A1N上成核形种子，并以金字塔式外延生长，即在种子区以纵向垂直生长为主，横向 缓慢生长，当垂直生长到适当高度后，改变生长工艺参数，在线进入SiN掩膜上部覆盖的冠 状生长过程，即从长成的塔顶部开始，以横向悬挂生长为主，纵向缓慢生长。该方法具有薄 膜质量高之优点，可用于对低缺陷密度半导体薄膜材料的制备。 上述文献使用MOCVD工艺，生长过程中多次改变生长条件，对于垂直生长高度等， 没有给出具体的实现方式，并且引入了图案刻蚀掩膜，SiN掩膜，实现较为复杂。
发明内容
本发明针对现有SiC或Si衬底GaN晶体生产过程中存在的问题，提供一种高质量 的SiC或Si衬底GaN基晶体的结构，同时提供一种该SiC或Si衬底GaN基晶体的生长方 法。 本发明的SiC或Si衬底GaN基晶体的结构自下至上包括SiC或Si衬底、A1N缓 冲层、N型GaN层、MQW(多量子阱)层和P型GaN层，A1N缓冲层具有3_5个三维和二维循 环，三维A1N的厚度为50nm-100nm，二维A1N的厚度为30nm_60nm。 上述SiC或Si衬底GaN基晶体的生长方法，采用MOCVD (金属有机物化学气相沉 淀)方法生长，在SiC或Si衬底上生长AlN缓冲层，AIN缓冲层是通过三维和二维循环生 长的谐振生长方式获得，具体包括以下步骤 (1)在90(TC-llO(TC下在SiC或Si衬底上沉积一层高温AIN缓冲层，具体过 程为先在900°C -IOO(TC、 NH3流量为2L/分钟-4L/分钟的条件下进行A1N的三维生长 (垂直生长速度大于横向生长速度)，生长厚度为50nm-100nm，得到粗糙的表面；接着在 IOO(TC -IIO(TC、 NH3流量为1L/分钟-3L/分钟的条件下进行A1N的二维生长(垂直生长 速度小于横向生长速度)，生长厚度为30nm-60nm，得到平整的表面，这样三维生长和二维 生长循环3-5次； (2)然后按常规方法在950°C -IIO(TC生长lum厚的N型GaN层、在600°C -900°C 生长80nm-200nm厚的MQW层、在700°C -IOO(TC生长150nm-300nm厚的P型GaN层。
上述方法通过谐振生长时，提高了 Al原子的迁移能力，在1000度到1100度相对 低温环境下，得到了比较好的晶体质量，并且通过一个应变分离的过程使得在龟裂纹形成 时应力被释放，该谐振生长与正常的生长相比就是通过低的应力减少了小颗粒合并时的拉 应力，因为晶体质量得到改善，应力得到释放，才能够生长得到更厚的全结构LED,而不会出
现裂纹。 本发明通过AIN作为缓冲层，利用MOCVD三维和二维循环谐振生长，而不是利用MBE(分子束外延)生长，也不是GaN的三维和二维生长，生长条件与现有方法相差很大。使 用A1N谐振生长，有效地减少了位错密度，提高了晶体质量，这样生长的薄膜位错密度非常 低。生长结束后，三维与二维的循环谐振生长还可以减小一些A1N薄膜拉应力，因为晶体质 量得到改善，应力得到释放，才能够生长得到更厚的全结构LED，而不会出现裂纹。
在本发明中，只利用A1N作为缓冲层，引入原料简便，且谐振生长只通过控制温度 和V/111比来实现，实现非常容易。使用谐振生长方法新颖，工艺简单，不仅减小了位错密 度，提高了晶体质量，而且减小一些A1N薄膜拉应力，解决了目前SiC、Si衬底生长过程的一 个致命的关键点。 对谐振生长的A1N缓冲层通过AFM(原子力显微镜)检测，观察为长条平行原子台
阶，这表明减少了位错密度，得到的晶体质量获得了提高，生长的A1N缓冲层薄膜位错密度
非常低，在晶体总厚度接近2um时，没有发现裂纹。 本发明有效地减少了位错密度，提高了晶体质量。
图1是现有SiC或Si衬底GaN基晶体的结构示意图。 图2是本发明通过谐振生长的SiC或Si衬底GaN基晶体的结构示意图。
具体实施例方式
如图2所示，本发明通过谐振生长的SiC或Si衬底GaN基晶体的结构自下至上也 包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW(多量子阱)层和P型GaN层。A1N缓冲 层具有3-5个三维和二维结构的循环，三维A1N的厚度为50nm-100nm， 二维A1N的厚度为 30nm-60nm，采用MOCVD (金属有机物化学气相沉淀)方法生长，A1N缓冲层是通过三维和二 维循环增长的谐振生长方式获得。具体的生长过程为 (1)首先在M0CVD设备内在900。C-110(rC下在SiC或Si衬底上沉积一层高温AlN 缓冲层，具体过程为先在900°C -IOO(TC 、NH3流量为2L/分钟-4L/分钟的条件下进行A1N 的三维生长(垂直生长速度大于横向生长速度)，生长厚度为50nm-100nm，得到粗糙的表 面；接着在IOO(TC -IIO(TC、 NH3流量为1L/分钟-3L/分钟的条件下进行A1N的二维生长 (垂直生长速度小于横向生长速度)，生长厚度为30nm-60nm，得到平整的表面，这样三维生 长和二维生长循环3-5次； (2)然后按常规方法在950°C -IIO(TC生长lum厚的N型GaN层； (3)按常规方法在600 °C -900 °C生长80nm-200nm厚的MQW层； (4)按常规方法在700°C -IOO(TC生长150nm-300nm厚的P型GaN层。 通过AFM与XRD检测，晶体质量确实得到了提高，进一步证明这样生长的薄膜位错
密度非常低。并且在总厚度接近2um时，没有发现裂纹。
权利要求
一种SiC或Si衬底GaN基晶体的结构，自下至上包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW层和P型GaN层，其特征是AlN缓冲层具有3-5个三维和二维循环，三维AlN的厚度为50nm-100nm，二维AlN的厚度为30nm-60nm。
2. —种权利要求1所述SiC或Si衬底GaN基晶体的生长方法，其特征是采用MOCVD 方法生长，在SiC或Si衬底上生长AIN缓冲层，AIN缓冲层是通过三维和二维循环增长的 谐振生长方式获得，具体包括以下步骤(1) 在90(TC -llO(TC下在SiC或Si衬底上沉积一层高温AlN缓冲层，具体过程为先 在900°C -IOO(TC 、 NH3流量为2L/分钟-4L/分钟的条件下进行AIN的三维生长，生长厚度 为50nm-100nm，得到粗糙的表面；接着在IOO(TC _1100°C、NH3流量为1L/分钟-3L/分钟的 条件下进行AIN的二维生长，生长厚度为30nm-60nm，得到平整的表面，这样三维生长和二 维生长循环3-5次；(2) 然后按常规方法在950°C -IIO(TC生长lum厚的N型GaN层、在600。C -90(TC生长 80nm-200nm厚的MQW层、在700°C -IOO(TC生长150nm-300nm厚的P型GaN层。
全文摘要
本发明提供了一种SiC或Si衬底GaN基晶体的结构及其生长方法，该GaN基晶体的结构自下至上包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW和P型GaN层，AlN缓冲层具有3-5个三维和二维循环，三维AlN的厚度为50nm-100nm，二维AlN的厚度为30nm-60nm；其生长方式包括以下步骤先进行AlN的三维生长，生长厚度为50nm-100nm，接着进行AlN的二维生长，厚度为30nm-60nm，这样循环3-5次；然后生长N型GaN层、 MQW层和P型GaN层。本发明通过AlN作为缓冲层，利用MOCVD三维和二维循环谐振生长，有效地减少了位错密度，生长的薄膜位错密度非常低，因为晶体质量得到改善，应力得到释放，能够生长得到更厚的全结构LED，而不会出现裂纹。
文档编号H01L33/12GK101771121SQ20091025572
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者吴德华, 徐现刚, 曲爽, 朱学亮, 李树强, 李毓锋 申请人:山东华光光电子有限公司