[发明专利]一种SiC或Si衬底GaN基晶体的结构及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高SiC(碳化硅)衬底的GaN晶体生长质量的方法，属于光电子技术领域。

背景技术

以GaN为代表的三族氮化物(AlN、GaN、InN、AlGaInN)由于具有优良的光电特性，因而在蓝光、绿光、紫外发光二极管(LED)及高频、高温大功率电子器件中得到广泛应用。由于缺乏晶格匹配的衬底，三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、SiC(碳化硅)、Si(硅)、砷化镓、氧化锌等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。

而SiC(碳化硅)是宽带隙半导体材料，与Si相比，它在应用中具有诸多优势。由于具有较宽的带隙，SiC器件的工作温度可高达600℃，而Si器件的最高工作温度局限在175℃。SiC器件的高温工作能力降低了对系统热预算的要求。此外，SiC器件还具有较高的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂移速率、高热稳定性和化学惰性，其击穿电场强度比同类Si器件要高。

SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前还没有第三种衬底用于GaN LED的商业化生产。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，由于SiC衬底优异的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaN LED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。并且SiC衬底LED的正面出光效率非常低。

在基于SiC或Si为衬底生产LED的过程中，由于SiC本身与GaN之间的晶格适配相对较大，化学性质相差太大，导致他们之间不浸润，没法直接生长，目前比较流行的就是在SiC和GaN之间插入一层晶格常数在他们之间的AlN作为缓冲层，再在上面生长GaN，会有效的减小晶格适配带来的应力，以防外延片生长过程中出现裂纹，其结构如图1所示，自下至上包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW(多量子阱)和P型GaN层。

目前的AlN作为缓冲层生长通常使用的是在温度900-1100度之间直接在SiC上生长一层约100nm厚的AlN，这种高温AlN生长方法，比较难以获得高质量的晶体。因为AlN要求在1300度左右，才能得到最佳的晶体质量，目前常用的生产设备都达不到这个高温要求。

中国专利文献CN101060076公开了《一种高晶体质量的GaN绝缘或半绝缘外延层的制备方法》，该方法是以Al₂O₃、SiC或Si为衬底，在衬底经高温氮化后，依次于750～780℃下高温生长AlN成核层，于720～730℃下低温三维生长(垂直生长速度大于横向生长速度)GaN成核层，生长出粗糙的表面，再于750～780℃下高温二维生长(垂直生长速度小于横向生长速度)GaN外延层，生长出平整的表面。继续外延生长GaN的同时，实行原位金属Fe、Cr或Mg掺杂，制备出高位错密度、相对粗糙的GaN绝缘层。此后采用AlGaN/GaN超晶格或多周期间歇式原子层脉冲沉积法，生长GaN过渡层，最后在720～730℃、高III/V比条件下生长出高晶体质量、表面光滑的GaN外延层。

上述专利文献利用的是GaN的三维和二维生长，工艺实现相对复杂，在GaN三维、二维生长时还要实行原位金属Fe、Cr或Mg掺杂，对电学性能要求较高。

中国专利文献CN1738000公开了一种《GaN半导体材料的异质外延方法》，该方法是在SiC衬底面和蓝宝石衬底面上，利用金属有机物化学气相淀积MOCVD工艺，首先淀积过渡层和掩膜，并按照涉及图案刻蚀掩膜，进入并暴露出缓冲层AlN作为生长种子区域；然后将该种子区GaN的生长温度置于1050～1100℃的范围，压力置于40tor左右，在种子区的缓冲层AlN上成核形种子，并以金字塔式外延生长，即在种子区以纵向垂直生长为主，横向缓慢生长，当垂直生长到适当高度后，改变生长工艺参数，在线进入SiN掩膜上部覆盖的冠状生长过程，即从长成的塔顶部开始，以横向悬挂生长为主，纵向缓慢生长。该方法具有薄膜质量高之优点，可用于对低缺陷密度半导体薄膜材料的制备。

上述文献使用MOCVD工艺，生长过程中多次改变生长条件，对于垂直生长高度等，没有给出具体的实现方式，并且引入了图案刻蚀掩膜，SiN掩膜，实现较为复杂。

发明内容