生长单一晶向氮化镓材料的方法和复合衬底技术

本发明专利技术公开了在氮化铝陶瓷基板上生长单一晶向氮化镓材料的方法和复合衬底，该方法包括如下步骤：在氮化铝陶瓷基板上制备氮化铝成核层，得到氮化铝陶瓷基板复合衬底；将所述氮化铝陶瓷基板复合衬底放入金属有机化学气相外延设备进行外延生长，生长得到具有单一晶向氮化镓材料的复合衬底，所述复合衬底包括从下到上依次层叠设置的氮化铝成核层、低温氮化镓成核层、高温氮化镓合并层和高温氮化镓外延层；本发明专利技术在氮化铝陶瓷基板外延上生长单一晶向氮化镓材料，由于氮化铝陶瓷基板是高阻材料且具有优良的散热性能，可制备高耐压电子功率器件，有效弥补现有技术中在硅衬底上制备氮化镓外延材料而只能制备低耐压电子功率器件的缺陷。缺陷。缺陷。

【技术实现步骤摘要】
生长单一晶向氮化镓材料的方法和复合衬底


[0001]本专利技术涉及半导体光电子
，尤其涉及生长单一晶向氮化镓材料的方法和复合衬底。

技术介绍

[0002]III
‑
V族氮化物半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料，包含了氮化镓(GaN)，氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)及它们的合金，是直接带隙半导体，具有禁带宽度大(范围为0.7～6.2eV)、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强以及耐化学腐蚀等优点。这些光电性质上的优势使III
‑
V族氮化物材料在光电子领域具有极强的竞争优势。
[0003]功率开关场效应晶体管是电力电子技术的核心元器件之一，在汽车电子、电力传输、工业驱动和军事等领域具有广泛应用。GaN作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、临界击穿电场强等优点，GaN基电力电子器件具有能耗低、开关速度高、功率大等优势，可以使电力电子开关装置小型化、轻量化，有效降低制造成本，对推行节能减排具有重大意义。
[0004]目前，异质外延生长氮化镓基电子功率器件所需的衬底中，主要有碳化硅衬底、氮化镓衬底以及硅衬底，其中碳化硅衬底和氮化镓衬底制作成本过高，限制了其在电力电子器件领域的应用和推广。其中硅衬底氮化镓结构可以与现有的集成电路制备工艺兼容，减少大量的工艺设备投入成本，但是硅衬底和氮化镓之间存在较大的晶格失配和热失配，硅衬底上制备的氮化镓外延材料存在大量位错，只能制备低耐压的电子功率器件，大大限制了高耐压的电子功率器件的发展。
[0005]因此，亟需生长单一晶向氮化镓材料的方法和复合衬底来解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供生长单一晶向氮化镓材料的方法和复合衬底，其在氮化铝陶瓷基板外延上生长单一晶向氮化镓材料，而由于氮化铝陶瓷基板是高阻材料，并且具有优良的散热性能，可用于制备高耐压电子功率器件。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术公开了一种生长单一晶向氮化镓材料的方法，其包括如下步骤：
[0008]S1、在氮化铝陶瓷基板上制备氮化铝成核层，得到氮化铝陶瓷基板复合衬底；
[0009]S2、将所述氮化铝陶瓷基板复合衬底放入金属有机化学气相外延设备进行外延生长，生长得到具有单一晶向氮化镓材料的复合衬底，所述复合衬底包括从下到上依次层叠设置的氮化铝成核层、低温氮化镓成核层、高温氮化镓合并层和高温氮化镓外延层，其中，所述高温氮化镓外延层为单一晶向氮化镓材料。
[0010]较佳地，所述步骤S2中，将所述氮化铝陶瓷基板复合衬底放入金属有机化学气相外延设备进行外延生长，生长得到具有单一晶向氮化镓材料的复合衬底，具体包括：
[0011]S21、所述将所述氮化铝陶瓷基板复合衬底放入金属有机化学气相外延设备进行外延生长；
[0012]S22、在氢气和氨气混合气氛中，温度950至1100℃条件下，反应室压力为10至760torr，对氮化铝陶瓷基板复合衬底进行表面活化处理1至15分钟；
[0013]S23、在氢气气氛中，在氮化铝陶瓷基板上生长得到从下到上依次层叠设置的氮化铝成核层、低温氮化镓成核层、高温氮化镓合并层和高温氮化镓外延层的具有单一晶向氮化镓材料的复合衬底。
[0014]较佳地，所述步骤S23具体包括：
[0015]S231、在氢气气氛中，采用脉冲式生长方法生长所述低温氮化镓成核层；
[0016]S232、在氢气气氛中，采用脉冲式生长方法生长所述高温氮化镓合并层；
[0017]S233、在氢气气氛中，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，生长高温氮化镓外延层，生长温度为850至1100℃,反应室压力为10至760torr，以得到所述复合衬底。
[0018]较佳地，所述步骤S231具体包括：
[0019]S2311、在氢气气氛中，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，在氮化铝陶瓷基板复合衬底上采用脉冲式生长方法，生长低温氮化镓成核层，生长温度为400至800℃，反应室压力为10至760torr。
[0020]具体地，所述步骤S2311具体包括：
[0021]S23111、在一个脉冲周期内，三甲基镓和氨气分别作为III族源和V族源通入反应室，生长时间为1至100秒，生长厚度为0.5纳米至50纳米的低温氮化镓，生长温度为400至800℃，反应室压力为10至760torr；
[0022]S23112、在保持温度以及氨气流量不变的情况下，停止向反应室通入三甲基镓，对低温氮化镓在氢气和氨气混合气体中进行1至100秒退火，完成一个氮化镓脉冲生长周期；
[0023]S23113、经过1至100个脉冲周期，完成低温氮化镓成核层生长。
[0024]较佳地，所述步骤S232具体包括：
[0025]S2321、在氢气气氛中，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，采用脉冲式生长方法，生长高温氮化镓合并层，生长温度为850至1100℃,反应室压力为10至760torr。
[0026]具体地，所述步骤S2321具体包括：
[0027]S23211、在一个脉冲周期内，三甲基镓和氨气分别作为III族源和V族源通入反应室，生长时间为1至200秒，生长厚度为0.5纳米至100纳米的高温氮化镓，生长温度为850至1100℃,反应室压力为10至760torr；
[0028]S23212、在保持温度以及氨气流量不变的情况下，停止向反应室通入三甲基镓，对高温氮化镓在氢气和氨气混合气体中进行1至200秒退火，完成一个高温氮化镓成核层脉冲生长周期；
[0029]S23213、经过1至5000个脉冲周期，完成高温氮化镓成核层。
[0030]较佳地，所述氮化铝成核层的厚度为10至50纳米。
[0031]相应地，本专利技术还公开了一种复合衬底，其通过如上所述的生长单一晶向氮化镓材料的方法制得，所述复合衬底设于所述氮化铝陶瓷基板上，所述复合衬底包括从下到上依次层叠设置的氮化铝成核层、低温氮化镓成核层、高温氮化镓合并层和高温氮化镓外延层，其中，所述高温氮化镓外延层为单一晶向氮化镓材料。
[0032]与现有技术相比，本专利技术在氮化铝陶瓷基板外延上生长单一晶向氮化镓材料，而由于氮化铝陶瓷基板是高阻材料，并且具有优良的散热性能，可用于制备高耐压电子功率器件，有效弥补现有技术中在硅衬底上制备的氮化镓外延材料而只能制备低耐压的电子功率器件的缺陷。
附图说明
[0033]图1是本专利技术的生长单一晶向氮化镓材料的方法的流程图；
[0034]图2是本专利技术的复合衬底样品结构示意图；
[0035]图3a是对比例1的单一晶向氮化镓材料样品表面形貌图；
[0036]图3b是本专利技术通过实施例1制得的单一晶向氮化镓材料样品表面形貌图；
[0037]图3c是本专利技术通过实施例2制得的单一晶向氮化镓材料样品表面形貌图。
具体实施方式<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生长单一晶向氮化镓材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：在氮化铝陶瓷基板上制备氮化铝成核层，得到氮化铝陶瓷基板复合衬底；将所述氮化铝陶瓷基板复合衬底放入金属有机化学气相外延设备进行外延生长，生长得到具有单一晶向氮化镓材料的复合衬底，所述复合衬底包括从下到上依次层叠设置的氮化铝成核层、低温氮化镓成核层、高温氮化镓合并层和高温氮化镓外延层，其中，所述高温氮化镓外延层为单一晶向氮化镓材料。2.如权利要求1所述的生长单一晶向氮化镓材料的方法，其特征在于，所述将所述氮化铝陶瓷基板复合衬底放入金属有机化学气相外延设备进行外延生长，生长得到具有单一晶向氮化镓材料的复合衬底，具体包括：所述将所述氮化铝陶瓷基板复合衬底放入金属有机化学气相外延设备进行外延生长；在氢气和氨气混合气氛中，温度950至1100℃条件下，反应室压力为10至760torr，对氮化铝陶瓷基板复合衬底进行表面活化处理1至15分钟；在氢气气氛中，在氮化铝陶瓷基板上生长得到从下到上依次层叠设置的氮化铝成核层、低温氮化镓成核层、高温氮化镓合并层和高温氮化镓外延层的具有单一晶向氮化镓材料的复合衬底。3.如权利要求2所述的生长单一晶向氮化镓材料的方法，其特征在于，所述在氢气气氛中，在氮化铝陶瓷基板上生长得到从下到上依次层叠设置的氮化铝成核层、低温氮化镓成核层、高温氮化镓合并层和高温氮化镓外延层的具有单一晶向氮化镓材料的复合衬底，具体包括：在氢气气氛中，采用脉冲式生长方法生长所述低温氮化镓成核层；在氢气气氛中，采用脉冲式生长方法生长所述高温氮化镓合并层；在氢气气氛中，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，生长高温氮化镓外延层，生长温度为850至1100℃,反应室压力为10至760torr，以得到所述复合衬底。4.如权利要求3所述的生长单一晶向氮化镓材料的方法，其特征在于，所述在氢气气氛中，采用脉冲式生长方法生长所述低温氮化镓成核层，具体包括：在氢气气氛中，通入三甲基镓作为III族源，氨气作为V族源，在氮化铝陶瓷基板复合衬底上采用脉冲式生长方法，生长低温氮化镓成核层，生长温度为400至800℃，反应室压力为10至760torr。5.如权利要求4所述的生长单一晶向氮化镓材料的方法，其特征在于，所述在氢气气氛中，通入三甲基镓作为I I I族源，氨气作为V族源，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾传宇，张国义，孙永健，陆羽，
申请(专利权)人：北京大学东莞光电研究院，
类型：发明
国别省市：