一种GaN薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种第三代宽禁带半导体材料制备技术，特别涉及一种GaN薄膜材料及其制备方法。该GaN薄膜材料的制备方法包括如下步骤：低温分立生长分立缓冲层，生长温度400℃～600℃；升温1000℃～1100℃，使所述分立缓冲层横向生长连成GaN一体层，然后将所述GaN一体层在H2、NH3气氛下退火，最后生长GaN薄膜层。该GaN薄膜材料由分立缓冲层和整体GaN薄膜层层叠构成，整体GaN薄膜层包括GaN一体层和GaN薄膜层，GaN薄膜层生长在GaN一体层上。运用本发明专利技术制备方法制备的GaN薄膜材料，晶格缺陷少，同时薄膜整体均匀性好。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及一种第三代宽禁带半导体材料制备技术，特别涉及一种GaN薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
GaN属于第三代宽禁带半导体材料，它具有优异的物理和化学性质，如禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度大、热导率高及抗辐照性能强、热导率和介电常数大，化学特性稳定等，特别适合制作高压、高温、高频、高功率、强辐照环境下使用的半导体器件。GaN的大尺寸体单晶生长极为困难，GaN基材料通常都是生长在异质衬底上。目前，大规模生长高质量GaN薄膜材料的常用衬底有蓝宝石(c面)衬底、6H-SiC衬底和Si衬底上，其中Si衬底上GaN基材料的外延生长是近年来才发展起来的。Si衬底具有低价格、大尺寸、易剥离、电导率和热导率比较高等优点，且Si材料的加工工艺和集成技术已经相当成熟，使得Si衬底GaN基半导体器件具有易于大规模集成的潜在优势。当将蓝宝石衬底等用作基础衬底异质外延生长时，由于基础衬底与GaN晶体的晶格常数不匹配，因此难以通过外延生长获得优质的GaN晶体，而且GaN晶体中含有较多的晶体缺陷。现有技术有选择生长的方法提高GaN结晶质量，但是，利用选择生长法获得的GaN晶体存在位错密度的分布不均匀这一问题，并且使用由上述GaN材料制造器件的工序中，仅能使用GaN材料的特定部分而无法使用整个GaN，因此整个GaN材料的可用范围降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种GaN薄膜材料及其制备方法，该薄膜材料晶格缺陷少，同时薄膜整体均匀性好。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种GaN薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：(1)低温分立生长分立缓冲层，生长温度400℃～600℃；(2)升温1000℃～1100℃，使所述分立缓冲层横向生长连成GaN一体层，然后将所述GaN一体层在H2、NH3气氛下退火，最后生长GaN薄膜层。可选地，所述分立缓冲层采用选择生长法生长在Si衬底上。优选地，选择生长法在Si衬底上生长所述分立缓冲层步骤如下：(a)在硅衬底上生长氮化硅薄膜；(b)刻蚀硅衬底上的氮化硅薄膜，将硅衬底分成若干区域；(c)在分立的各区域低温400℃～600℃生长缓冲层；(d)H2气氛下退火缓冲层，退火温度1000℃～1100℃。优选地，步骤(c)在分立的各区域生长缓冲层包括先生长AlN缓冲层，再生长GaN缓冲层。优选地，生长GaN缓冲层与对缓冲层退火处理可循环重复若干次。优选地，退火GaN一体层温度1100℃～1300℃。优选地，生长过程中涉及到的退火过程，时间2min～5min，压力50torr～100torr。优选地，生长GaN一体层与对GaN一体层退火处理可循环重复若干次；一种GaN薄膜材料，该薄膜材料由分立缓冲层和整体GaN薄膜层层叠构成，整体GaN薄膜层包括GaN一体层和GaN薄膜层，GaN薄膜层生长在GaN一体层上。优选地，分立缓冲层包括两层缓冲层：AlN缓冲层和GaN缓冲层，GaN缓冲层生长在AlN缓冲层上。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：缓冲层的设置有效缓解晶格失配，缓冲层退火处理能更好地较少晶格失配引起的位错缺陷，分立生长有利于释放应力，分立生长缓冲层能为生长质量优良的GaN材料提供良好的基础。后面由分立到横向生长一体化GaN层，使GaN材料整体均一性更强，H2、NH3气氛下退火进一步减少位错密度，提高薄膜材料质量。具体实施方式：下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明：具体实施例中，三甲基镓(TMGa)，氨气(NH3)，三甲基铝(TMAl)和硅烷(SiH4)为反应源，氮气(N2)和氢气(H2)为载气。实施例1正式生长前，清洗硅衬底，然后NH3与SiH4在950℃下沉积氮化硅薄膜；选择性干法刻蚀氮化硅薄膜，将硅衬底分成若干区域；由于氮化硅薄膜上氮化镓成核较难，所以在分立的各区域内NH3与TMAl先在450℃下生长50nmAlN缓冲层，AlN缓冲层能阻止Ga与Si结合，使GaN更好地成核结晶，NH3与TMGa再在550℃下生长50nmGaN缓冲层；升温至1050℃，停止通源，H2气氛下退火5min；升温至1070℃，通源，GaN高温横向生长30nm,停止通源，升温至1100℃,压力100torr,H2、NH3气氛下退火2min，H2加速分解结晶质量不好的GaN,NH3可以帮助GaN重结晶，有助于及时带走分解后的Ga,H2、NH3气氛下退火使结晶质量更好；升温回至1070℃，通源，GaN高温横向生长30nm,停止通源,升温至1100℃,压力100torr,H2、NH3气氛下退火3min；升温回至1070℃，通源，GaN高温横向生长30nm,停止通源,升温至1100℃,压力100torr,H2、NH3气氛下退火5min形成GaN一体层；升温回至1070℃，通源，生长800nmGaN薄膜层。本实施例GaN材料由分立缓冲层和整体GaN薄膜层层叠构成，分立缓冲层包括AlN缓冲层和GaN缓冲层，GaN缓冲层生长在AlN缓冲层上，整体GaN薄膜层包括GaN一体层和GaN薄膜层，GaN薄膜层生长在GaN一体层上。本实施例GaN材料表面平整,缺陷密度为108cm-2数量级,GaN结晶质量较好。实施例2正式生长前，清洗硅衬底，然后NH3与SiH4在950℃下沉积氮化硅薄膜；选择性干法刻蚀氮化硅薄膜，将硅衬底分成若干区域；由于氮化硅薄膜上氮化镓成核较难，所以在分立的各区域内NH3与TMGa在550℃下生长30nmGaN缓冲层；升温至1050℃，停止通源，H2气氛下退火5min；升温回至570℃，通源,生长30nmGaN缓冲层；升温至1050℃，停止通源，H2气氛下退火5min；升温回至600℃，通源,生长30nmGaN缓冲层；升温至1050℃，停止通源，H2气氛下退火5min；升温至1100℃，通源，GaN高温横向生长50nm,停止通源，升温至1200℃,压力70torr,H2、NH3气氛下退火4min；升温回至1100℃，通源，GaN高温横向生长50nm,停止通源,升温至1250℃,压力70torr,H2、NH3气氛下退火5min形成GaN一体层；升温回至1100℃，通源，生长900nmGaN薄膜层。本实施例GaN材料由分立缓冲层和整体GaN薄膜层层叠构成，分立缓冲层包括GaN缓冲层，整体GaN薄膜层包括GaN一体层和GaN薄膜层，GaN薄膜层生长在GaN一体层上。本实施例GaN材料表面平整,缺陷密度为108cm-2数量级,GaN结晶质量较好。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)低温分立生长分立缓冲层，生长温度400℃～600℃；(2)升温1000℃～1100℃，使所述分立缓冲层横向生长连成GaN一体层，然后将所述GaN一体层在H2、NH3气氛下退火，最后生长GaN薄膜层。

【技术特征摘要】
1.一种GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)低温分立生长分立缓冲层，生长温度400℃～600℃；(2)升温1000℃～1100℃，使所述分立缓冲层横向生长连成GaN一体层，然后将所述GaN一体层在H2、NH3气氛下退火，最后生长GaN薄膜层。2.根据权利要求1所述GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于，分立缓冲层采用选择生长法生长在Si衬底上。3.根据权利要求2所述GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于，选择生长法在Si衬底上生长所述分立缓冲层步骤如下：(a)在硅衬底上生长氮化硅薄膜；(b)刻蚀硅衬底上的氮化硅薄膜，将硅衬底分成若干区域；(c)在分立的各区域低温400℃～600℃生长缓冲层；(d)H2气氛下退火缓冲层，退火温度1000℃～1100℃。4.根据权利要求3所述GaN薄膜材料的制备方法，其特征在于：步骤(c)在分立的各区域生长缓冲层包括先生长AlN缓冲层，再生长G...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文庆，
申请(专利权)人：东莞市联洲知识产权运营管理有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44