[发明专利]采用InxGa1-xN缓冲层生长的氮化镓和铟镓氮的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特殊的缓冲层制备工艺，具体是指一种在蓝宝石(Al₂O₃)衬底上专门生长氮化镓或铟镓氮的缓冲层及制备方法。

背景技术

在半导体产业的发展过程当中，一般将Si、Ge称为第一代半导体材料；GaAs、InP、AlAs及其三元、四元合金称为第二代半导体材料；而以GaN为代表的宽禁带半导体材料(带隙大于2.3eV)在最近几年得到了迅猛的发展，因此被人们称为第三代半导体材料。第三代半导体材料主要包括SiC、ZnO、金刚石、GaN及GaN基化合物，其优良性能主要集中在禁带宽度大、电子漂移饱和速率高、介电常数小、导热性能好等方面，被广泛应用在高温、高频、大功率电子器件以及光电子等领域。由于其特有的禁带宽度，还被用来制作蓝绿和紫外光的发光器件以及光探测器。

虽然氮化镓有很多优点，但由于生长温度下氮的平衡蒸气压极高，无法获得大面积的GaN单晶。因而只能用异质外延的方法来解决。对衬底的要求，希望他们之间晶格失配和热失配要尽可能小。目前使用最多的是蓝宝石(Al₂O₃)衬底，但是，GaN和Al₂O₃之间有大约16％的晶格失配，为GaN材料在其表面生长带来很大的困难。

直到1989年，Akasaki和Amano采用低温AlN作缓冲层，晶体质量得到了很大的提高。利用缓冲层在蓝宝石衬底上生长氮化镓是典型的三维生长机制，经历了孤岛成核、长大、三维生长、孤岛合并形成二维平整表面的过程。缓冲层起到的作用有三个：(1)提供与Al₂O₃相同取向的成核中心；(2)释放GaN与Al₂O₃之间晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配产生的热应力；(3)为进一步生长提供了平整的成核表面，有利于二维模式生长。所以要得到好的GaN及其他三族氮化物，缓冲层的优化工艺是及其关键和必要的。已有的文献提出的生长缓冲层的方法如下：

美国专利第5290393号提出一种氮化镓型化合物半导体的晶体生长方法，在低温下(200-900℃之间)，首先以Ga_xAl_1-xN(0＜x≤1)表示的缓冲层生长于基板上，该缓冲层的厚度为0.001-0.5μm，然后在高温下(900-1150℃之间)使主要GaN晶层生长在该缓冲层上。美国专利第6508878号提出了另外一种缓冲层生长方法，在第一温度下，由In_xAl_1-xN/AlN或In_xAl_1-xN/AlN所形成的具有超晶格结构的中间缓冲层成长，然后在第二较高的温度下，在该中间缓冲层上使GaN或In_xGa_1-xN型化合物成长。美国专利第5686738号中提出另外一种类似的方法，使非晶的缓冲层在比成长层所需的成长温度低的温度下进行生长。这些现有技术都是在低温下形成缓冲层，由于所述缓冲层硬度较高，使得衬底与外延层之间晶格不匹配而无法调试，所得氮化物外延层的晶体缺陷密度高达10¹⁰/cm²以上。严重影响器件的使用寿命和功率效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用In_xGa_1-xN缓冲层生长的氮化镓和铟镓氮的方法，将该方法生长的In_xGa_1-xN缓冲层作为基础来外延生长氮化镓或铟镓氮材料的外延层，可以有效地降低外延层的位错密度。

本发明提供一种采用In_xGa_1-xN缓冲层生长的氮化镓的方法，其采用金属有机化学气相沉淀系统在蓝宝石沉淀上生长高质量氮化镓和铟镓氮，该方法包括如下步骤：

步骤1：将蓝宝石衬底放入反应腔内进行氢化处理，得到洁净的蓝宝石衬底；

步骤2：往反应腔内输入反应气氛气体，营造反应气氛，并保持反应腔内的温度和压力在设定范围内；

步骤3：在蓝宝石衬底上生长In_xGa_1-xN缓冲层；

步骤4：在In_xGa_1-xN缓冲层上同温生长一层很薄的氮化镓覆层；

步骤5：在氮化镓覆层上外延氮化镓层，完成氮化镓的生长。