[发明专利]硅衬底GaN基半导体材料的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN基半导体材料的制造方法，特别是涉及一种以硅为生 长衬底的GaN基半导体材料的制造方法。

背景技术

现有技术在硅衬底上生产GaN基半导体材料，都是在MOCVD设备内，由 下至上在硅衬底上依次生长AlN和GaN外延层。

在《半导体技术》2006年，第31卷，第02期的期刊中记载有一篇《Si衬 底GaN基材料及器件的研究》的论文，其在中图分类号为：TN316文献标识码： A，文章编号：1003-353X(2006)02-0098-04。

该论文中明确记载了目前通行的一种在硅衬底上生产GaN基半导体材料的 方法。

由于在Si衬底上外延GaN，其晶格失配为17％，在生长过程中的晶格失配 将引入大量位错；而且，Si衬底和GaN之间较大的热膨胀系数差异，还导致较 大的热失配。实验数据表明：Si的热膨胀系数为3.59×10-6K-1，而GaN的热膨 胀系数为5.59×1010-6K-1，二者相差很大，造成高温生长后降温的过程中外延 层将承受很大的张应力，由于外延层的厚度远小于衬底厚度，所以外延层会产 生裂纹。另外，还存在极性问题和Si、Ga相互扩散等问题。

研究人员为了在硅衬底上得到高质量的GaN基的材料，在硅与GaN之间引 入了AlN缓冲层，即先在硅衬底上生长AlN缓冲层，然后在AlN上生长GaN 外延层。本发明的申请人以前采用的制造工艺举例简述如下：

1、MOCVD反应室中放入图形化Si衬底；

2、高温氢气环境下，对衬底进行表面处理，去除有机物和表面吸附的氧；

3、然后降温，第一层生长AlN层，覆盖衬底表面，作为衬底保护层和预 应力层；

4、接着升温进行GaN外延层的生长；

5、生长相应的发光或应用于其他领域的外延功能层(如：发光二极管、二 极管激光器、功率器件等)；

6、外延片生长完成，从反应室取出，高温对反应室进行烘烤，去除反应 室环境内残余的GaN沉淀物，为下一次外延生长奠定基础。

以上整个器件外延结构的生长，在反应室内一次完成。

上述硅衬底外延片的生产方法存在几个比较明显的问题：

1、Ga对Si的回熔，会在硅衬底表面形成结合金，破坏衬底表面晶格排 布，引起外延不稳定现象，导致产品质量无法提高；

2、在GaN外延生长反应室内，反应结束后，虽然会对反应反应室进行 清理和高温烘烤(bake)，清除大部分附着于腔体内的GaN，但仍不 可避免反应室内的少量残余GaN等附着物。在进行下一炉生产的时 候，附着物中的GaN会在升温过程分解，并沉积到Si衬底表面，形 成对衬底表面的回熔，导致外延过程的失败。

为了得到更高质量的产品，对于上述问题2，可以采用的解决方案是：每一 炉的反应完成后，对反应室进行清洗。由于附着物为多种物质，主要为GaN基 物质，每一炉的生产完成后都需要进行彻底清理，去除GaN沉淀物，为下一炉 外延生长做准备。该方法以牺牲效率的方式来提高产品品质，其无法实现高效 的流水化作业，使生产效率变得很低，一般每天2～2.5炉。而且，频繁对反应 室配件进行更换、清洗，对反应室内部件(如石墨基座、电炉)的使用寿命和 稳定性都有不利影响，且不利于生产的稳定性。在同一反应室内进行从AlN缓 冲层到GaN主体外延层的生长，不可避免反应室的GaN残留，从而导致Si衬 底GaN的生产稳定性和重新差的问题，并对设备的操作和维护带来很大的挑战。

以上情况说明，如果为了提高产品的品质和生产稳定性，就必会牺牲效率 和提高生产成本；如果为了不影响生产效率，就只能容忍在此种反应环境下对 产品品质的劣化和成本的提高。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种硅衬底GaN基半导体材料的制造方法， 该方法用于解决在外延GaN基半导体材料的过程中，Ga对硅表面回熔导致的生 长不稳定和生产效率低的问题，以提高产品的品质和提高生产效率。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种硅衬底GaN基半导体材料的制造 方法，包括：

在专门用于生长氮化铝缓冲层的第一个MOCVD的反应室内，在硅衬底上 生成氮化铝缓冲层，完成后取出，形成硅衬底氮化铝模板备用；