[发明专利]一种单晶氮化镓生长所需的缓冲层的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种关于GaN单结晶生长的缓冲层形成方法，具体涉及一种在蓝宝石基板和GaN之间的界面上形成纳米多孔型(nano porous)结构，垂直膜结构的缓冲层，改善单结晶GaN的电位缺陷密度的缓冲层形成方法。

背景技术

最近由于信息通信技术的快速发展，大容量信号传送的通信技术也在快速地发展。随着无线通信技术中个人手机，卫星通信，军事用无线电定位，广播通信，通信用中继器的需要的增长，需要micro-wave和millimete-wave的超高速信息通信系统的高速，高电力的电子器件的要求也在增加的趋势。

尤其是，III-V族GaN系半导体为能量大，有高热化学稳定度以及电子饱和迁移性等优越的特性的direct-gap半导体。它被广泛地用在短波，宽波的光源器件以及高功率的电子器件等各个领域。

上述的GaN系半导体在异种基板上通过MOCVD，MBE，HVPE等气相生长法制作单结晶的GaN膜。在这里，几十或者几百微米的厚膜成长采用HVPE生长方式更好，特别是对于HVPE生长方式来说，按照生长条件和基板的使用条件，也可以生长出毫米级的厚氮化镓层。

另外，GaN单结晶生长时使用的异种基板是像GaN的六方结构。它价格便宜，在高温稳定的蓝宝石基板被使用的较多，这种蓝宝石在GaN薄膜生长时很有用，但是在厚膜生长时因为蓝宝石和GaN之间的晶格常数差异(约16％)和热膨胀系数差异(约36％)大，所以在GaN层发生内部应力，从异种单结晶基板发生错位现象。

这种错位现象往结晶生长的方向传播，贯通电位传播到生长表面，降低GaN半导体基板的结晶度，降低电性能，因内部应力而发生基板翘曲现象。尤其是，在异种基板上生长的时候这种内部应力的存在生长后在冷却过程中发生翘曲。这种翘曲在异种基板消除的自支撑基板上也依然存在，所以制作为器件的时候，得不到均匀的分布，会产生良率变低的问题。

因此，近来为了解决蓝宝石/GaN单结晶积层体间的电位缺陷问题，适用了ELOG技术，还有相似的PENDEO epitaxy技术，把GaN往横方向生长的VAS技术。这种方法是在基板上一次生长GaN薄膜后使用无机物质或者SiO2等光罩材料图形化，然后通过曝光和蚀刻过程，再二次生长GaN的方法。

但是目前上述的方法不能把蓝宝石基板和GaN生长层的电位缺陷密度降低到5X105-6/cm²以下，因人为地加入光罩工艺的使用而激发应力，所以在成长中如果厚度达到100μm以上的话，就会发生翘曲和破裂现象，甚至生长膜破碎，因此确保拥有350μm以上厚度的高品质GaN单结晶基板是有困难的。

发明内容

本发明所要解决的是GaN生长层厚度达到100μm以上的话，就会发生翘曲和破裂现象，甚至生长膜破碎的问题。

为了解决上述的问题，本发明提供了一种单晶氮化镓生长所需的缓冲层的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：按照HVPE法在蓝宝石基板上生长GaN单结晶膜：包括生长第一缓冲层的阶段，第二缓冲层的阶段，第三缓冲层的阶段；

步骤2)：步骤1)制得的蓝宝石基板经HCI处理后，GaN单结晶膜形成拥有纳米多孔型结构的GaN薄膜缓冲层，并且在纳米多孔型结构的GaN薄膜缓冲层上再依次生长第一缓冲层、第二缓冲层、第三缓冲层，生长出垂直型GaN结晶，即得GaN单结晶基板。

优选地，所述第一缓冲层，第二缓冲层和第三缓冲层是V/III比例逐渐减少的倾向而生长，各层的厚度依次为1～3μm、1～5μm、1～7μm。

优选地，所述步骤2)中的HCI处理在500～1200℃进行。

本发明的目的是在蓝宝石基板和GaN界面形成纳米多孔型形态的缓冲层，完善GaN和蓝宝石基板之间因热膨胀系数而发生的应力，避免产生裂纹的同时，生长出厚度为1μm～10mm的GaN膜，减小晶格常数的差异，为了生长出结晶性提高的GaN单结晶，提供缓冲层的形成方法。本发明的另外一个目的是使生长在缓冲层形成的基板上，提供一种用厚膜自支撑基板制作的高品质GaN单结晶基板。

本发明按照HVPE生长方法，在蓝宝石基板上生长GaN单结晶膜的方法，在上述的蓝宝石基板上反应III-V族混合气体的HCI和NH₃，形成没有掺杂的，大小为0.1～0.2μm，有纳米多孔型结构的GaN膜的缓冲层，利用这个方法可以生长出GaN单结晶。