[发明专利]一种在Si衬底上制备无裂纹GaN薄膜的方法

说明书

本发明提供一种在Si衬底上制备无裂纹GaN薄膜的方法。先在Si衬底上采用金属有机化学气相外延技术生长高温AlN成核层；然后，依次生长三层其Al组分梯度渐变的应力调控层：第一层为5个周期(30nm)Al_xGa_1‑xN/(30nm)Al_0.5Ga_0.5N应力调控层(其中Al组分x从100％变化到50％，插入层厚度0.3微米)；第二层为4个周期(25nm)Al_yGa_1‑yN/(25nm)Al_0.2Ga_0.8N应力调控层(其中Al组分y从50％变化到20％，插入层总厚度0.2微米)；第三层为3个周期(20nm)Al_zGa_1‑zN/(20nm)GaN应力调控层(其中Al组分z从20％变化到零，插入层厚度0.12微米)；在此基础上，生长GaN层(薄膜厚1‑1.5微米)；最终，得到无裂纹、高品质的Si衬底GaN薄膜，可供制备AlGaN/GaN HEMT器件等。

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衬底上制备无裂纹GaN薄膜的方法，尤其涉及一种在Si衬底上采用插入三层其Al组分梯度渐变的应力调控层技术制备无裂纹、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。对比硬度大、导热差的绝缘蓝宝石衬底，导电的Si衬底可以有效简化衬底减薄加工工艺，降低光电子器件制作工艺成本。在Si上金属有机物气相外延(metalorganic vapor phase epitaxy，MOVPE)生长GaN的难点在于：GaN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；GaN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。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。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。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。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。结果表明裂纹密度明显减少，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10个周期的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。

然而采用目前主流的插入层方法不能够完全消除应力，且存在缺陷密度大，翘曲等问题。

本发明，在大尺寸Si衬底上，采用多层其Al组分梯度渐变的应力调控层方法制备无裂纹GaN薄膜，可以有效地解决至今技术中仍存在的不良应力及缺陷，有效地缓解翘曲。

发明内容