一种氮化物薄膜及其制备方法

1.本发明属于半导体外延工艺技术领域，具体涉及一种氮化物薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.以gan为代表的ⅲ族氮化物半导体材料因其禁带宽度宽、击穿场强大、电子饱和速度高等特性，在光电子器件和电子器件等领域具有广阔的应用前景，也是目前全球半导体领域研究的热点。
3.目前氮化物材料如gan、aln主要在蓝宝石衬底、sic或si衬底上异质外延生长，但是异质衬底和氮化物材料之间存在着较大晶格失配和热失配，导致外延膜中含有较多位错、v型坑及堆垛层错等缺陷，严重影响器件性能。
4.横向外延生长技术和图形化衬底生长技术等都被用来降低外延膜中的位错密度，其原理是先将衬底（薄膜）图形化，而后利用特有的外延生长技术过滤位错。然而，图形化衬底（薄膜）成本相对较高，横向外延生长速度又较低，这将显著增加工艺制程时间和制造成本。此外，外延膜的质量强烈依赖于图形的形状、尺寸、角度等参数，大面积实现这些参数的精确控制并不容易。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种氮化物薄膜及其制备方法，能够有效降低外延薄膜中位错等缺陷的密度，且制备方法简单，制造成本较低。
6.本发明采用如下技术方案：一种氮化物薄膜，包括衬底、位于衬底上的缓冲层以及位于缓冲层上的交替沉积的重掺杂氮化物层和非故意掺杂氮化物层，其中，交替沉积的重掺杂氮化物层和非故意掺杂氮化物层的周期数为1~1000，所述重掺杂氮化物层具有粗糙表面结构，非故意掺杂氮化物层具有平坦表面结构。
7.进一步地，所述衬底包括si、sic、gan、蓝宝石中的任意一种。
8.进一步地，所述缓冲层的厚度为1~5000nm，包括gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan中的任意一种。
9.进一步地，所述重掺杂氮化物层的氮化物包括gan、aln、algan中的任意一种，掺杂元素为si，掺杂浓度为5
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~1
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21
cm-3
。
10.进一步地，所述非故意掺杂氮化物层的氮化物包括gan、aln、algan中的任意一种。
11.进一步地，所述重掺杂氮化物层的厚度为1~5000nm，非故意掺杂氮化物层的厚度为1~5000nm。
12.进一步地，所述粗糙表面结构具有3d岛状生长结构，所述平坦表面结构具有2d层状生长结构。
13.一种氮化物薄膜的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上生长缓冲层；
步骤2：在所述缓冲层上交替沉积重掺杂氮化物层和非故意掺杂氮化物层，得到所述氮化物薄膜。
14.进一步地，所述衬底需要进行清洁并进行表面氮化，将衬底置于金属有机化学气相沉积设备腔体中，在h2氛围中烘烤1~30min，温度为1000~1500℃，随后通入nh3进行衬底表面氮化，氮化时间5~500s。
15.进一步地，所述衬底上生长缓冲层，生长温度为450~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr，载气包括n2、h2或n2/h2混合气体。
16.进一步地，缓冲层上交替沉积重掺杂氮化物层和非故意掺杂氮化物层，首先，重掺杂氮化物层的外延生长采用sih4或者si2h6提供掺杂元素si，采用n2和h2作为载气，采用岛状生长模式或者层岛混合模式形成具有岛状结构的重掺杂氮化物层，生长温度为600~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr；非故意掺杂氮化物层的外延生长不需要掺杂剂，采用n2或h2或n2/h2混合气体作为载气，生长温度为600~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr，采用层状生长模式形成具有平坦表面的非故意氮化物层；最后，重复上述重掺杂gan层和非故意掺杂gan层的生长过程，实现多周期堆叠结构。
17.本发明的有益效果如下：异质外延薄膜生长过程中，由于外延层和异质衬底之间较大的晶格失配，导致外延膜中应力积累，产生大量位错等缺陷。缓冲层技术可在一定程度上降低位错密度，改善外延膜质量，然而氮化物外延膜中位错密度仍然较高。本发明提出在缓冲层上引入重掺杂氮化物层/非故意掺杂氮化物层交替沉积的多层结构，首先，在沉积重掺杂氮化物层时，重掺杂将导致表面粗糙化，粗糙的重掺杂氮化物层一方面有利于应力释放，另一方面能够引起位错的弯曲和终止，减少外延膜中的位错密度；其次，在粗糙的重掺杂氮化物层上生长非故意掺杂氮化物层，非故意掺杂氮化物层具有平坦的表面，为后续外延膜的生长提供良好的生长表面。重掺杂氮化物层/非故意掺杂氮化物层可以交替沉积多次，每次沉积的重掺杂氮化物层都会引起位错的弯曲或终止，而非故意掺杂氮化物层将修复表面使表面变得平坦，经过多次交替沉积即可获得低位错密度，高质量的氮化物基板。
附图说明
18.图1为本发明实施例1的gan薄膜的结构示意图；图2为本发明实施例2的gan薄膜的结构示意图；图3为本发明实施例3的aln薄膜的结构示意图；图4为本发明实施例4的algan薄膜的结构示意图。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步说明。
20.实施例1参照图1所示，公开了一种gan薄膜，包括：
衬底，本实施方式中衬底为蓝宝石衬底，在其他实施方式中也可以为其他衬底材料，如si、sic、gan等；位于蓝宝石衬底上的缓冲层，缓冲层选自gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan，本实施例中缓冲层为gan，缓冲层厚度为1~5000nm。
21.位于缓冲层上的重掺杂gan层，所述重掺杂gan层具有岛状结构，重掺杂gan层厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm；重掺杂层的掺杂元素是si，掺杂浓度为5
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，优选为8.5
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、4.5
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、7.5
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。
22.位于重掺杂gan层上的非故意掺杂gan，非故意掺杂层的厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm。
23.具体制备方法为：提供一衬底，选自蓝宝石、si、sic、gan中的一种，本实施例中为蓝宝石衬底，清洁衬底并进行表面氮化，具体为：将衬底置于金属有机化学气相沉积（mocvd）设备腔体中，在h2氛围中烘烤1~30min，温度为1000~1500℃，随后通入nh3进行衬底表面氮化，氮化时间5~300s。
24.在衬底上生长缓冲层，缓冲层选自gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan，本实施例中缓冲层为gan，生长温度450~1300℃，v/iii比为50~50000，压力为50~750torr，载气选自n2、h2、n2/h2混合气体。缓冲层厚度为1~5000nm。
25.在缓冲层上沉积重掺杂gan层：首先通入tmg和nh3，通入n2和h2作为载气，通入sih4或者si2h6，sih4、si2h6用以提供掺杂元素si，采用岛状生长模式或者层岛混合模式形成具有岛状结构的重掺杂gan层，生长温度为600~1500℃，v/iii比为50~50000，压力为50~750torr；在重掺杂gan层上生长非故意掺杂gan层（u-gan）：关闭掺杂源sih4，通入tmg和nh3，通入n2和h2作为载气，通过提高生长温度、降低生长压力或生长速率实现层状生长模式生长非故意掺杂gan层。
26.所述重掺杂gan层厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm；重掺杂层的掺杂元素是si，掺杂浓度为5
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，优选为8.5
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、5.5
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、8.5
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、1.5
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、2.5
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；非故意掺杂层的厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm。
27.实施例2参照图2所示，公开了一种gan薄膜，包括：衬底，本实施方式中衬底为蓝宝石衬底，在其他实施方式中也可以为其他衬底材料，如si、sic、gan等；位于蓝宝石衬底上的缓冲层，缓冲层选自gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan，本实施例中缓冲层为gan，所述缓冲层厚度为1~5000nm；位于gan缓冲层上的重掺杂gan层与非故意掺杂gan层的交替堆叠结构，所述重掺杂gan层具有岛状结构，重掺杂gan层厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm；重掺杂层的掺杂元素是si，掺杂浓度为5
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优选为8.5
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、8.5
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、4.5
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、7.5
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。非故意掺杂gan层的厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm。
28.具体制备方法为：提供一衬底，选自蓝宝石、si、sic、gan中的一种，本实施例中为蓝宝石衬底，清洁衬底并进行表面氮化，具体为：将衬底置于金属有机化学气相沉积（mocvd）设备腔体中，在h2氛围中烘烤1~30min，温度为1000~1500℃，随后通入nh3进行衬底表面氮化，氮化时间5~300s。
29.在衬底上生长缓冲层，所述缓冲层厚度为1~5000nm，缓冲层选自gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan，本实施例中缓冲层为gan，生长温度450~1300℃，v/iii比为50~50000，压力为50~750torr，载气选自n2、h2、n2/h2混合气体。
30.在缓冲层上交替沉积重掺杂gan层和非故意掺杂gan层的堆叠结构。首先，生长重掺杂gan层，通入tmg和nh3，通入n2和h2作为载气，通入sih4，sih4用以提供掺杂元素si，采用岛状生长模式或者层岛混合模式形成具有岛状结构的重掺杂gan层，生长温度为600~1500℃，v/iii比为50~50000，压力为50~750torr；然后，生长非故意掺杂gan层，关闭掺杂源sih4，通入tmg和nh3，通入n2和h2作为载气，通过提高生长温度，降低生长压力或生长速率实现层状生长模式生长非故意掺杂gan层。最后，重复上述重掺杂gan层和非故意掺杂gan层的生长过程，实现多周期堆叠结构。本实施例中重掺杂gan层和非故意掺杂gan层的堆叠周期数为2~1000，优选为5、10、20、50、100、200、500。
31.本实施例中，重掺杂gan层厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm；重掺杂层的掺杂元素是si，掺杂浓度为5
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，优选为8.5
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、8.5
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。非故意掺杂gan层的厚度为1nm~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm。
32.实施例3参照图3所示，本发明公开了一种aln薄膜，包括：衬底，本实施方式中衬底为蓝宝石衬底，在其他实施方式中也可以为其他衬底材料，如si、sic、gan等；位于蓝宝石衬底上的缓冲层，所述缓冲层厚度为1~5000nm，缓冲层选自gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan，本实施例中缓冲层为aln。
33.位于缓冲层上的交替沉积的重掺杂aln层/非故意掺杂aln层，交替沉积的重掺杂aln层和非故意掺杂aln层的周期数为1~1000，优选为5、10、20、50、100、200、500。
34.所述重掺杂层具有岛状结构，重掺杂层厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm；重掺杂层的掺杂元素是si，掺杂浓度为5
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，优选为8.5
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。非故意掺杂层的厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm。
35.具体制备方法为：提供一衬底，选自蓝宝石、si、sic、gan中的一种，本实施例中为蓝宝石衬底，清洁
衬底并进行表面氮化，具体为：将衬底置于金属有机化学气相沉积（mocvd）设备腔体中，在h2氛围中烘烤2~20min，温度为1000~1300℃，随后通入nh3进行衬底表面氮化，氮化时间20~500s。
36.在衬底上生长缓冲层，所述缓冲层厚度为1~5000nm，缓冲层选自gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan，本实施例中缓冲层为aln，生长温度500~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr，载气选自n2、h2、n2/h2混合气体。
37.在缓冲层上交替沉积重掺杂aln层和非故意掺杂aln层。在重掺杂aln层/非故意掺杂aln层的一个生长周期里，首先通入tmal和nh3，通入n2和h2作为载气，通入sih4，sih4用以提供掺杂元素si，采用岛状生长模式或者层岛混合模式形成具有岛状结构的重掺杂aln层，生长温度为600~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr；然后，关闭掺杂源sih4，通入tmal和nh3，通入n2和h2作为载气，采用层状生长模式生长非故意掺杂aln层，生长温度为600~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr。重掺杂层/非故意掺杂层的生长周期数为1~1000，优选生长周期数为5、10、20、50、100、200、500。
38.所述重掺杂层具有岛状结构，重掺杂层厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm；重掺杂层的掺杂元素是si，掺杂浓度为5
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，优选为8.5
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、8.5
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。非故意掺杂层的厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm。
39.实施例4参照图4所示，本发明实施例四公开了一种algan薄膜，包括：衬底，本实施方式中衬底为蓝宝石衬底，在其他实施方式中也可以为其他衬底材料，如si、sic、gan等；位于蓝宝石衬底上的缓冲层，所述缓冲层厚度为1~5000nm，缓冲层选自gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan。
40.位于缓冲层上的交替沉积的重掺杂al
x
ga
1-x
n（0《x《1）层/非故意掺杂alyga
1-y
n（0《y《1）层，交替沉积的重掺杂层和非故意掺杂层的周期数为1~1000，优选为5、10、20、50、100、200、500。
41.所述重掺杂层具有岛状结构，重掺杂层厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm；重掺杂层的掺杂元素是si，掺杂浓度为5
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，优选为8.5
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、8.5
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、7.5
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20
cm-3
；非故意掺杂层的厚度为1~5000nm。
42.上述重掺杂层、非故意掺杂层中的x、y值可以相同，也可以不同。
43.具体制备方法为：提供一衬底，选自蓝宝石、si、sic、gan中的一种，本实施例中为蓝宝石衬底，清洁衬底并进行表面氮化，具体为：将衬底置于金属有机化学气相沉积（mocvd）设备腔体中，在h2氛围中烘烤2~20min，温度为1000~1300℃，随后通入nh3进行衬底表面氮化，氮化时间20~500s。
44.在衬底上生长缓冲层，缓冲层选自gan、aln、algan、algan/gan、aln/gan，缓冲层厚度为1~5000nm。生长温度500~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr，载气选自
n2、h2、n2/h2混合气体。
45.在缓冲层上交替沉积重掺杂al
x
ga
1-x
n（0《x《1）层和非故意掺杂alyga
1-y
n（0《y《1）层。在重掺杂al
x
ga
1-x
n（0《x《1）层/非故意掺杂alyga
1-y
n（0《y《1）层的一个生长周期里，首先通入tmal、tmg和nh3，通入n2和h2作为载气，通入sih4，sih4用以提供掺杂元素si，采用岛状生长模式或者层岛混合模式形成具有岛状结构的重掺杂al
x
ga
1-x
n（0《x《1）层，生长温度为600~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr；然后，关闭掺杂源sih4，通入tmal、tmg和nh3，通入n2和h2作为载气，采用层状生长模式生长非故意掺杂alyga
1-y
n（0《y《1）层，生长温度为600~1500℃，v/iii比为20~50000，压力为50~750torr。重掺杂层/非故意掺杂层的生长周期数为1~1000，优选为5、10、20、50、100、200、500。
46.所述重掺杂层具有岛状结构，重掺杂层厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm；重掺杂层的掺杂元素是si，掺杂浓度为5
×
10
18
~1
×
10
21
cm-3
，优选为8.5
×
10
18
cm-3
、5.5
×
10
19
cm-3
、8.5
×
10
19
cm-3
、1.5
×
10
20
cm-3
、2.5
×
10
20
cm-3
、4.5
×
10
20
cm-3
、7.5
×
10
20
cm-3
。非故意掺杂层的厚度为1~5000nm，优选为10nm、20nm、50nm、100nm、300nm、500nm、1000nm、2000nm。
47.本发明的氮化物薄膜（gan、aln、algan）位错密度低，晶体质量好，可广泛应用于光电子器件、电子器件领域。本发明制备方法所采用的设备包括但不限于金属有机化学气相沉积系统、分子束外延系统和气相外延系统。
48.以上所述仅用来阐明本发明，非据此以对本发明的实施方法做出任何形式的限制，故凡是以本发明所述形状，结构，特征及基本思想为基础，而对本发明做出任何形式的修饰或修改，都应归属于本发明意图保护的知识产权范畴。