在大失配衬底上生长表面无裂纹的ＧａＮ薄膜的方法技术

一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的ＧａＮ薄膜的方法，包括如下步骤：步骤１：选择一大失配衬底；步骤２：在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；步骤３：在氮化物复合缓冲层上生长一层ＧａＮ过渡层；步骤４：在ＧａＮ过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；步骤５：在超晶格上面生长ＧａＮ外延层，完成ＧａＮ薄膜的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别指在大失配的衬底上，利用氮化物复合缓冲层 结合超晶格的方法生长表面无裂纹的GaN薄膜材料。
技术介绍
GaN材料作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、电子漂移速度大、 热传导率高，耐高压、耐热分解、耐腐蚀和耐放射性辐照的特点，以及其独特的极化效应，特 别适合于制作超高频、高温、高耐压、大功率器件，在无线通信、雷达探测系统、高温电子器 件和照明领域具有广阔的应用前景。但是由于GaN材料缺少同质衬底，目前普遍采用异质外延的方式进行生长，最常 用的衬底为蓝宝石、碳化硅和硅。由于碳化硅成本高且尺寸小，难以大规模使用；蓝宝石衬 底的热导率太低，外延材料制作高温大功率器件受到限制；而硅衬底价格低、制作工艺成 熟、尺寸大、热导率高、易解理，并且可以实现硅基光电集成；因此采用硅衬底外延生长GaN 材料有明显的优势。然而由于硅和GaN两种材料的晶格常数与热膨胀系数差别很大，其晶格失配与热 失配分别达到17%和56%，导致外延层中存在较大的张应力，从而在GaN薄膜中产生裂纹。 同时大晶格失配造成在外延层中存在大量位错，降低了 GaN薄膜的晶体质量。本文提出采 用氮化物复合缓冲层结合超晶格的方法在硅衬底上生长GaN外延层，能有效降低表面裂纹 密度，提高晶体质量。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，提供一种在大失配的衬底上外延生长表面无裂纹的GaN 薄膜的方法，采用该方法可以显著提高GaN外延层的晶体质量，消除表面裂纹，得到器件级 GaN薄膜材料。本专利技术提供一种，包括如下步 骤步骤1 选择一大失配衬底；步骤2 在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以 缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；步骤3 在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；步骤4 在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过 滤穿透位错；步骤5 在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。其中所述的大失配衬底为硅衬底。其中所述的在大失配衬底上生长氮化物复合缓冲层、GaN过渡层、超晶格和GaN外 延层的方法是采用金属有机物化学气相外延的方法。其中所述的氮化物复合缓冲层包括一 AlN层和在AlN层上生长的AlxInyGazN层。其中所述的GaN过渡层的厚度为0. 1-0. 4 μ m，生长温度为800-1100°C。其中所述的超晶格的材料为AlN/AlxGayN。其中所述的GaN外延层的生长温度为800-1100°C。其中所述的氮化物复合缓冲层中的AlN层的厚度为50-250nm，生长温度为 900-1100°C。其中所述的氮化物复合缓冲层中AlxInyGazN层的厚度为60-240nm，其中x+y+z = 1,0 < X < 1,0 ^ y < 1,0 < Z < 1，生长温度为 900_1100°C。其中所述的超晶格中AlN和AlxGayN的厚度分别为3-12nm和6-25nm，其中x+y = 1,0 ^ χ < 1,0 < y ^ 1，超晶格的生长温度为900-1100°C。附图说明为进一步说明本专利技术的
技术实现思路
，以下结合具体实施方式及附图对本专利技术做一详细的描述，其中图1为本专利技术在大失配衬底上外延生长GaN薄膜材料的流程示意图；图2为本专利技术在硅衬底上外延生长GaN薄膜材料的方法示意具体实施例方式为详细说明本专利技术的技术方案，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术做进 一步详细说明。如图1、2所示，为本专利技术提供的一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的GaN薄膜 的方法，包括如下步骤步骤1 选择一大失配衬底01，该大失配衬底01为硅衬底；步骤2 在大失配衬底01上生长一层氮化物复合缓冲层02，该氮化物复合缓冲 层02的晶格参数比GaN外延层的晶格参数小，因此可以提供压应力，缓解后续步骤生长 的GaN外延层05在降温过程中由于硅衬底与GaN外延层热失配造成的张应力，并且阻止 回熔刻蚀反应，其中所述的氮化物复合缓冲层02包括一 AlN层021和在AlN层上生长的 AlxInyGazN层022，所述的氮化物复合缓冲层02中的AlN层021的厚度为50_250nm，生长 温度为900-1IOO0C，所述的氮化物复合缓冲层02中AlxInyGazN层022的厚度为60-240nm， 其中 x+y+z = 1,0 < χ < 1,0 ^ y < 1,0 < ζ < 1，生长温度为 900_1100°C ；步骤3 在氮化物复合缓冲层02上生长一层GaN过渡层03，所述的GaN过渡层03 的厚度为0. 1-0. 4 μ m，生长温度为800-1IOO0C ；步骤4 在GaN过渡层03上生长一组超晶格04，该超晶格04可以释放部分张应 力，并能过滤穿透位错，其中所述的超晶格04的材料为AIN/AlxGayN，其中所述的超晶格04 中 AlN 禾口 AlxGayN 的厚度分别为 3_12nm 禾口 6_25nm，其中 x+y = 1,0 ^ χ < 1,0 < y ^ 1, 超晶格04的生长温度为900-1100°C ；步骤5 在超晶格04上面生长GaN外延层05，该GaN外延层05的生长温度为 800-1100°C，完成GaN薄膜的制备。所述的在大失配硅衬底01上生长氮化物复合缓冲层02、GaN过渡层03、超晶格04和GaN外延层05的方法是采用金属有机物化学气相外延的方法。实施例本专利技术提供一种，包括如下步 骤步骤1 选择一硅衬底01 ；步骤2 在硅衬底01上生长一层氮化物复合缓冲层02，该氮化物复合缓冲层02可 以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应，该氮化物复合缓冲层02包括一 AlN层021和在 AlN层上生长的AlxInyGazN层022 ；步骤3 在氮化物复合缓冲层02上生长一层0. 2 μ m厚的GaN过渡层03，该GaN过 渡层03的生长温度为950°C ；步骤4 在GaN过渡层03上生长一组超晶格04，超晶格04包括3_12nm厚的AlN和 6-25nm厚的AlxGayN,该超晶格04可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；其中所述的，其 中x+y = l，0≤x<l，0<y≤1，超晶格的生长温度为1000°C。步骤5 在超晶格04上面生长GaN外延层05，生长温度为950°C，完成GaN薄膜的 制备。以上所述，仅为本专利技术中的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本专利技术所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本专利技术的包含范围之内。因此，本专利技术的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。权利要求一种，包括如下步骤步骤1选择一大失配衬底；步骤2在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；步骤3在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；步骤4在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；步骤5在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。2.根据权利要求1所述的，其中所 述的大失配衬底为硅衬底。3.根据权利要求1所述的，其中所 述的在大失配衬底上生长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在大失配衬底上生长表面无裂纹的ＧａＮ薄膜的方法，包括如下步骤：步骤１：选择一大失配衬底；步骤２：在大失配衬底上生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并且阻止回熔刻蚀反应；步骤３：在氮化物复合缓冲层上生长一层ＧａＮ过渡层；步骤４：在ＧａＮ过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤穿透位错；步骤５：在超晶格上面生长ＧａＮ外延层，完成ＧａＮ薄膜的制备。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏萌，王晓亮，潘旭，李建平，刘宏新，王翠梅，肖红领，
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：11[中国|北京]