[发明专利]一种在Si衬底上采用碳纳米管作为周期性介质掩膜制备低位错密度GaN薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种在Si衬底上制备低位错密度GaN薄膜的方法，尤其涉及一种采用碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底模板，并在GaN生长过程中采用插入生长多层其Al组分随层次增加而递减的低温AlGaN层作为应力调控层的技术，在Si衬底上制备低位错密度、无裂纹、高晶体质量的GaN薄膜的方法。

背景技术

Si衬底尺寸大、价廉，可以降低外延生长成本。与硬度大、导热差的绝缘蓝宝石衬底相比，导电的Si衬底可以有效简化衬底减薄加工工艺，可以降低光电子器件制作中工艺成本。然而，在Si衬底上用金属有机物气相外延(metalorganicvaporphaseepitaxy，MOVPE)方法生长GaN中的问题及难点在于：①GaN纤维锌矿结构的(0001)与金刚石结构的Si(111)衬底的晶格失配为20.4％，会产生大量的位错；②GaN与Si之间的热失配高达56％，外延生长结束后的降温工程中，外延层将承受很大的张应力。由于外延层厚度远小于衬底厚度，所以在外延层中会产生微裂纹，严重影响GaN器件特性。③在Si衬底上直接生长GaN时，NH₃容易与衬底Si发生反应而在衬底表面形成非晶态的SiN，影响GaN的生长质量。④金属Ga与衬底Si之间也有很强的化学反应，会对衬底造成回溶，从而破坏界面的平整。⑤在高温生长时，衬底中的Si会扩散至缓冲层表面，如果控制不当，将会影响GaN的生长模式，从而破坏晶体质量。⑥此外，由于Si是非极性半导体，在其上生长GaN、AlN或其他极性半导体时将会产生一些化合物极性相关的问题。

采用合适的缓冲层是解决Si衬底生长GaN时晶格失配、Si扩散和极性问题的有效手段，同时在一定程度上也可以缓解薄膜中的应力。为此人们尝试过许多方法，如AlAs、AlN、以及AlGaN/AlN等复合缓冲层。其中AlN结果最好，其主要优点是既可以和GaN在同一反应室进行生长，又可以避免高温生长时SiN的形成。根据其应力释放机理提出许多解决方法：

(1)缓冲层应力补偿法：通过缓冲层对上层GaN提供一个压应力来补偿热失配造成的张应力。如采用Al_xGa_1-xN缓冲层，结果表明龟裂密度明显减少，且光学特性也有较大提高。

(2)插入层应力剪裁法：通过插入层来调节薄膜内部的应力状态，或阻挡由于热失配从衬底传入的张应力的传播。如超晶格插入层法：插入多周期的AlN/GaN超晶格作插入层，生长GaN总厚度为2μm,随着超晶格插入层层数的增加，张应变减少。TEM显示位错密度随厚度变化而减小。

采用插入层法可以有效消除应力，实现在Si衬底上用MOCVD生长厚的无裂纹GaN层。但是位错密度依然很高。在此基础上，利用碳纳米管作为掩膜层可以沉积在外延层上。碳纳米管掩膜层是微纳米级的尺寸和空间分布，对GaN岛的合并厚度和外延层晶体质量有很大的影响。由于GaN无法直接在碳纳米管的掩膜层上生长，碳纳米管的掩膜让GaN生长的成核点急剧减少，相应低密度大间隙的岛分布会使生长模式由二维向三维转变，随后GaN岛长大、合并，生长模式又从三维转向二维，形成表面平整、质量高的GaN层。

发明内容