一种GaN复合薄膜及在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，包括：在Si衬底(10)上形成缓冲层(11)；在缓冲层(11)上形成几个原子厚度的SixNy非晶层(12)；在未被SixNy非晶层覆盖的缓冲层(11)上形成GaN层(18)，使GaN在缓冲层(11)的小岛上成核生长，形成GaN复合薄膜；以及由此得到的一种在Si衬底上形成的GaN复合薄膜。本发明专利技术的在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法可以实现无裂纹、高质量的生长，从而得到高电阻、低位错的GaN复合薄膜。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，包括：在Si衬底(10)上形成缓冲层(11)；在缓冲层(11)上形成几个原子厚度的SixNy非晶层(12)；在未被SixNy非晶层覆盖的缓冲层(11)上形成GaN层(18)，使GaN在缓冲层(11)的小岛上成核生长，形成GaN复合薄膜；以及由此得到的一种在Si衬底上形成的GaN复合薄膜。本专利技术的在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法可以实现无裂纹、高质量的生长，从而得到高电阻、低位错的GaN复合薄膜。【专利说明】一种GaN复合薄膜及在S i衬底上形成GaN复合薄膜的方法
本专利技术涉及半导体材料制造领域，更具体地，涉及一种GaN复合薄膜及在Si衬底 上形成GaN复合薄膜的方法。
技术介绍
在半导体科学和技术的发展过程中，一般将硅（Si)、锗（Ge)称为第一代半导体材 料，将砷化镓（GaAs)、磷化铟（InP)及其固溶体称为第二代半导体材料。随着Si和GaAs半 导体材料技术的成熟、半导体晶体管和集成电路的专利技术、半导体激光器的诞生，人类逐渐进 入了信息时代。以氮化镓GaN为代表的III族氮化物材料包括了 GaN、AlN、InN以及它们的 三元和四元合金材料（AlGaN、InGaN和AlInGaN等），称为第三代半导体材料。它们的禁带 宽度（0. 8?6. 2eV)覆盖了从红外到深紫外这一重要波段，因此在发光二极管（LED)、激光 器（LD)、探测器（PD)、太阳能电池等方面有着广泛的应用。另一方面，由于GaN基材料的禁 带宽度大、击穿电压高、电子饱和速率高、热稳定性好、抗腐蚀性强等优点，使其在微电子器 件领域也有广泛的应用前景，适合于在高温、大功率及恶劣环境下工作。 与蓝宝石和SiC衬底相比，Si衬底有价格便宜、制造工艺简单、便于集成等优点。 但是由于衬底与外延有很大的晶格失配及热失配，使得在Si衬底上生长GaN很困难。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方法，该方法能够 提供较大的初始压应力和较小的初始位错密度，从而增大压应力转变为张应力的厚度，最 终获得无裂纹、高质量的GaN复合外延薄膜材料。 作为本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种在Si衬底上形成的GaN复合薄膜，包 括： -在Si衬底10上形成的缓冲层11 ; -在缓冲层11上形成的GaN外延层18。 其中，在所述缓冲层11和GaN外延层18之间还顺次形成有SixNy非晶层12、第一 GaN层13、第一插入层14、第二GaN层15、第二插入层16和第三插入层17 ;以及 所述SixNy非晶层12的厚度为几个原子层的厚度，从而GaN能够在没有被Si xNy非 晶层12覆盖的缓冲层11的小岛上成核生长。 优选地，所述缓冲层11采用720°c到800°C之间沉积的A1N，优选为720°C沉积的 A1N。 优选地，所述第一插入层14和第二插入层16采用720°C沉积的A1N，所述第三插 入层17采用AlGaN。 优选地，所述的在Si衬底10上形成各层的方法包括HVPE、MOCVD、PECVD、LPCVD。 作为本专利技术的另一个方面，本专利技术还提供一种在Si衬底上形成GaN复合薄膜的方 法，包括以下步骤： 在Si衬底10上形成缓冲层11 ; 在所述缓冲层11上形成GaN外延层18。 其中，在所述缓冲层11上形成GaN外延层18的步骤依次包括： 在所述缓冲层11上形成SixNy非晶层12 ; 在没有被SixNy非晶层12覆盖的缓冲层11的小岛上形成第一 GaN层13 ; 在所述第一 GaN层13上形成第一插入层14 ; 在所述第一插入层14上形成第二GaN层15 ; 在所述第二GaN层15上形成第二插入层16 ; 在所述第二插入层16上形成第三插入层17 ; 在所述第三插入层17上形成GaN外延层18。 其中，在Si衬底10上形成缓冲层11的步骤之前，还包括在Si衬底10上预先沉 积几个原子层厚度的A1的步骤。 优选地，所述缓冲层11采用720°C沉积的A1N，所述插入层14和插入层16采用 720°C沉积的A1N，所述插入层17采用AlGaN。 优选地，所述的在Si衬底10上形成各层的方法包括HVPE、MOCVD、PECVD、LPCVD。 通过上述技术方案可知，本专利技术的在Si衬底上外延生长GaN复合薄膜的方法可以 实现无裂纹、高质量的生长，从而得到高电阻、低位错的GaN薄膜。 【专利附图】【附图说明】 图1是根据本专利技术的方法在Si衬底上形成GaN复合薄膜的结构示意图。 【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本专利技术作进一步的详细说明。 本专利技术提出的一种在Si衬底上外延生长GaN薄膜的方法的基本原理为：以传统二 步生长法为基础，采用低温A1N作为缓冲层，缓解Si衬底和GaN巨大的晶格失配，同时低温 A1N层作为GaN薄膜的成核层，由于Si衬底和A1N依然有很大的晶格失配，A1N三维生长后 并未像在蓝宝石上一样转变为二维生长而是继续三维生长，使得岛密度过大，其上生长的 GaN质量极差，故在其上生长一层SixNy非晶层，使得GaN只能在没有被覆盖的A1N上成核， 提高GaN质量。此外，进一步地，还可以使用两层低温A1N插入层为外延层提供较大的初始 压应力，用来中和由于热失配造成的冷却过程产生的张应力，并通过一层AlGaN插入层过 滤位错，使得GaN外延层初始位错密度大大降低，从而增加压应力转变为张应力的厚度，最 终得到一定厚度的无裂纹、高质量的GaN外延层。 具体地，本专利技术提出的一种Si衬底上的无裂纹、高质量GaN薄膜的制备过程如 下： 在H2气氛下，在Si衬底10表面预先通入三甲基铝（TMA1)，从而通过例如氢化物 气相外延法（HVPE)、金属有机化合物化学气相沉淀法（M0CVD)、等离子体增强化学气相沉 淀法（PECVD)、低压力化学气相沉淀法（LPCVD)等方法沉积几个原子厚度的金属A1，抑制在 Si衬底10上形成SixNy非晶层； 在Si衬底10上利用上述方法之一在720°C下生长lOOnm A1N缓冲层11，缓解Si 衬底10和GaN外延层18巨大的晶格失配，同时A1N缓冲层11也是第一 GaN层13的成核 层； 通入硅烷，在缓冲层11上生长几个原子厚度的SixNy非晶层12, SixNy非晶层12没 有完全覆盖A1N缓冲层11 ; 在SixNy非晶层上生长500nm的第一 GaN层13,使GaN在没有被覆盖的A1N缓冲 层的小岛上成核生长； 在第一 GaN层13上生长20nm低温A1N的第一插入层14 ; 在第一插入层14上生长500nm第二GaN层15。由于第一插入层14完全弛豫，第 二GaN层15受到了第一插入层14提供的压应力； 在第二GaN层15上再生长20nm低温A1N的第二插入层16。由于下面的第二GaN 层15已经受到压应力，故此第二插入层16可以为GaN外延层18提供更大的初始压应力； 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在Si衬底上形成的GaN复合薄膜，包括：‑在Si衬底(10)上形成的缓冲层(11)；‑在缓冲层(11)上形成的GaN外延层(18)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丹梅，赵德刚，江德生，刘宗顺，陈平，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11