III族氮化物外延结构及其生长方法技术

本发明专利技术公开了一种III族氮化物外延结构及其生长方法，其III族氮化物的外延结构，至少包括：Si衬底，和位于Si衬底之上的III族氮化物层，其特征在于：在所述Si衬底和III族氮化物的界面处并列存在Al原子和原位生成的SixNy，其中Al原子起到浸润Si衬底和衔接III族氮化物层的作用，SixNy用于释放异质外延产生的失配应力。

【技术实现步骤摘要】
III族氮化物外延结构及其生长方法
本专利技术涉及半导体材料
，特别是在Si衬底上外延III族氮化物材料。
技术介绍
相比蓝宝石衬底和SiC衬底，采用Si衬底外延III族氮化物有很多优势：Si衬底处理工艺相当成熟；市场上有高质量并且价格便宜的大尺寸Si衬底；Si衬底还有散热性好易剥离等优点。当然，Si衬底上外延III族氮化物也面临很多问题：Si衬底和III族氮化物存在很大的晶格失配和热失配，很容易导致外延膜的开裂；Si衬底还非常容易和Ga反应导致回熔问题等。为了解决外延膜开裂的问题，专利“降低硅衬底LED外延应力的方法以及结构”（申请号201010137778.9）在硅衬底表面先用PECVD或溅射的方法形成一层氮化硅或二氧化硅，该层随后采用光刻的方法形成柱状或凹坑的图形结构，专利指出在后续的III族氮化物的外延中，构图的上部会形成空洞从而缓解外延膜和硅衬底之间的张应力。不过该专利所提方法处理工艺相对复杂，需要PECVD和光刻等设备辅助，处理成本相对较高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种在Si衬底上外延III族氮化物的结构和方法，使得Si衬底和III族氮化物的界面处不仅存在Al原子同时还存在原位生成的SixNy，然后在“Al原子和SixNy并列存在”的界面层结构之上外延III族氮化物。“Al原子和SixNy并列存在”的界面层结构有如下优点：一、提供了和Si浸润性很好的Al原子有利于后续AlN的外延，即Al原子起到浸润Si衬底和衔接III族氮化物层的作用；二、使得Si衬底和III族氮化物的界面层中包含SixNy从而可以释放异质外延产生的失配应力；三、该结构可以采用MOCVD方法、MBE方法、或HVPE方法等外延方式原位形成，能够方便地融合到III族氮化物的外延中去。根据本专利技术的第一个方面，III族氮化物的外延结构，包括：Si衬底，和位于Si衬底之上的III族氮化物层，其特征在于：在所述Si衬底和III族氮化物的界面处并列存在Al原子和原位生成的SixNy，其中Al原子起到浸润Si衬底和衔接III族氮化物层的作用，SixNy用于释放异质外延产生的失配应力。进一步地，所述Si衬底表面的部分区域由Al原子覆盖，部分区域由SixNy覆盖，并且这种“Al原子和SixNy并列存在”的结构被AlN外延层包覆在界面中。进一步地，所述AlN外延层的厚度HAlN满足1nm≤HAlN≤500nm。进一步地，所述III族氮化物包括AlN、AlxGa1-xN、GaN、InyGa1-yN或(AlxGa1-x)1-yInyN等单层或多层结构，其中0<x<1,0<y<1。根据本专利技术的第二个方面，III族氮化物外延结构的生长方法，包括步骤：提供Si衬底；在所述Si衬底的表面形成界面层结构——界面上并列存在Al原子和原位生成的SixNy，Al原子和SixNy一起被AlN外延层包覆；在所述界面层结构之上进一步外延III族氮化物；其中，Al原子起到浸润Si衬底和衔接AlN外延层的作用，SixNy用于释放异质外延产生的失配应力。在一些实施例中，所述“Al原子和SixNy并列存在”的界面层结构可采用以下三个外延步骤原位形成：第一步，通入适当时间T1的Al源；第二步，关闭Al源并通入适当时间T2的N源；第三步，同时通入Al源和N源外延一定厚度的AlN。具体地，在第一步中，通入适当时间T1的Al源使得Si衬底表面的部分区域覆盖上Al原子，而其他区域由于通入Al源的时间相对较短并未覆盖上Al原子；在第二步中，关闭Al源并通入适当时间T2的N源，此时未被Al原子覆盖的Si衬底表面将会被氮化生成SixNy，而被Al原子覆盖的Si衬底表面受Al原子的保护免于被氮化，同时部分Al原子此时被氮化生成AlN；在第三步中，同时通入T3时间的Al源和N源外延一定厚度的AlN，防止后续外延的III族氮化物中的Ga组分与Si衬底发生回熔反应。本专利技术的关键是如何确定第一步通入Al源的时间T1，使得这段时间内沉积的Al原子并未完全铺满整个Si衬底表面，从而留出部分未铺Al的Si衬底表面在第二步通入N源时被氮化生成SixNy起到应力释放的作用。T1的估算过程如下。首先，T1要小于的上限值便是Al原子完全覆盖Si衬底表面所需的时间TAl。不过由于种种原因TAl值较难获得，相比而言，AlN的外延速度值v相对容易得到，如MOCVD设备可以通过外延AlN时的反射率振荡曲线获得，MBE设备可以通过RHEED原位监测设备获得等，下面具体说明如何采用AlN的生长速度值v来估算T1的上限值TAl。TAl时间后Al原子恰好完全覆盖Si衬底表面，假如在TAl时间内反应腔内同时有足量的N源供应，那么在TAl时间内Al源将和N源反应生成AlN，如果将该反应的动力学过程如扩散、分解、吸附、表面的迁移和解吸附等步骤理想化使得在TAl时间内恰好完全覆盖Si衬底表面的Al原子完全反应生成AlN，这种理想化的状态便是TAl的上限值即生长单层AlN的时间TAlN。另外，如果忽略张应力的影响AlN在生长方向上晶格常数c=0.50nm，那么由AlN的外延速度v易得TAlN=c/v。如果TAlN单位取为s，v单位取为μm/h，有TAlN=1.8/v。综上所述，通入Al源的时间T1应满足0<T1<TAl<TAlN=1.8/v，即0<T1<1.8/v。进一步，为了扩大第一步通入Al源的时间窗口，需要慢速地沉积Al原子，即假如此时提供足量的N源，对应地Al源和N源反应生成AlN的速度也较慢，因此从0<T1<1.8/v知，如果v值相对较小，那么T1的时间选择范围将会变大，从而提高本专利技术的可控性。一般而言，第一步通入Al源时的外延条件保证所述v满足0<v<1较好，获得较小v值的外延条件对应也可实现慢速的Al原子沉积。具体地，可以采用低流量Al源等外延条件来扩大第一步的时间窗口。获得“Al原子和SixNy并列存在”的界面层结构的第二步为关闭Al源并通入适当时间的N源，该适当时间T2取决于不同的外延方法和外延设备。在一些实施例中，如采用MOCVD外延生长方法，所述T2满足0<T2<5/FNH3，其中FNH3为每平方厘米衬底上NH3的流量，FNH3单位为slm/cm2，T2单位为min。然后在第三步中同时通入T3时间的Al源和N源外延一定厚度的AlN防止后续外延的III族氮化物中的Ga组分与Si衬底发生回熔反应。一般而言，T3应保证AlN外延层的厚度HAlN满足1nm≤HAlN≤500nm。最后在上述结构之上进一步外延III族氮化物，III族氮化物包括AlN、GaN、InN、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、InxGa1-xN或(AlxGa1-x)1-yInyN等单层或多层结构，其中0<x<1,0<y<1。另外，前述外延生长方式包括但不限于MOCVD方法、MBE方法和HVPE方法等外延生长方式。附图说明图1为本专利技术提出的在Si衬底上外延III族氮化物的结构示意图。图中，10为Si衬底，201为Al原子，202为SixNy，20为AlN层，30为III族氮化物层。201和202即“Al原子和SixNy并列存在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种III族氮化物的外延结构，包括：Si衬底，和位于Si衬底之上的III族氮化物外延层，其特征在于：所述Si衬底和III族氮化物的界面处并列存在Al原子和原位生成的SixNy，其中Al原子起到浸润Si衬底和衔接III族氮化物的作用，SixNy用于释放异质外延产生的失配应力。

【技术特征摘要】
1.一种III族氮化物外延结构的生长方法，包括步骤：提供Si衬底；在所述Si衬底的表面形成界面层结构——界面上并列存在Al原子和原位生成的SixNy，Al原子和SixNy一起被AlN外延层包覆；在所述界面层结构之上进一步外延III族氮化物；其中，Al原子起到浸润Si衬底和衔接AlN外延层的作用，SixNy用于释放异质外延产生的失配应力；所述界面层结构采用以下外延步骤原位形成：第一步，通入适当时间T1的Al源，使得Si衬底表面的部分区域覆盖上Al原子，而其他区域由于通入Al源的时间相对较短并未覆盖上Al原子；第二步，关闭Al源并通入适当时间T2的N源；第三步，同时通入T3时间的Al源和N源外延一定厚度的AlN。2.一种III族氮化物外延结构的生长方法，包括步骤：提供Si衬底；在所述Si衬底的表面形成界面层结构——界面上并列存在Al原子和原位生成的SixNy，Al原子和SixNy一起被AlN外延层包覆；在所述界面层结构之上进一步外延III族氮化物；其中，Al原子起到浸润Si衬底和衔接AlN外延层的作用，SixNy用于释放异质外延产生的失配应力；所述界面层结构采用以下外延步骤原位形成：第一步，通入适当时间T1的Al源，其中T1满足0<T1<1.8/v，其中v为在与通入Al源时相同的外延条件下假如同时提供足量N源从而外延AlN的生长速度，v单位为μm/h，T1单位为s；第二步，关闭Al源并通入适当时间T2的N源；第三步，同时通入T3时间的Al源和N源外延一定厚度的AlN。3.根据权利要求1或2所述的III族氮化物外延结构的生长方法，其特征在于：采用以下三个具体外延步骤原位形成所述界面层结构：第一步，通入适当时间T1的Al源使得Si衬底表面的部分区域覆盖上Al原子，而其他区域由于通入Al源的时间相对较短并未覆盖上Al原子；第二步，关闭Al源并通入适...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜彦浩，叶孟欣，徐宸科，赵志伟，林文禹，叶义信，杨仁君，刘建明，
申请(专利权)人：厦门市三安光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：