[发明专利]一种Si衬底上外延生长GaN薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种限制GaN外延薄膜的裂纹生长、表面形貌均匀且工艺相对简单、易于实现的Si衬底上外延生长GaN薄膜的方法。采用的技术方案包括：采用MOCVD系统进行外延生长以及Si衬底上外延生长GaN薄膜的方法，其特征在于：其外延结构依次为Si衬底、预铺铝层、低温氮化铝（AlN）缓冲层、高温氮化铝（AlN）缓冲层、氮化镓铝（AlxGa1‑xN）层、氮化镓（GaN）薄膜层，其中，低温AlN缓冲层为低温AlN三维成核层，高温AlN缓冲层为高温AlN二维成核层，Al_xGa_1‑xN层为Al_xGa_1‑xN应力释放层，GaN薄膜层为最终生长层。

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，具体涉及一种硅（Si）衬底上外延生长氮化镓（GaN）薄膜的方法。

背景技术

以GaN为代表的第三代宽禁带直接带隙半导体材料是近年来国际上备受重视的新型半导体材料，其优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，使其成为短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备的最优选材料。

传统该领域生长GaN薄膜的衬底大多为蓝宝石（Al₂O₃）、铝酸锂（LiAlO₂）、碳化硅（SiC）、砷化镓（GaAs）等。其中蓝宝石和SiC衬底外延生长GaN薄膜已经非常成熟化，但是其本身的价格较高，特别是SiC价格更加昂贵，并且像蓝宝石本身散热效果不好，很难实现大尺寸外延生长，大大增加了制造成本。因此，现在通常采用Si片作为衬底上外延生长GaN薄膜，很大程度上降低了GaN薄膜的生产成本，并且可实现大尺寸，导热性好等，使其更具有市场竞争力。但由于Si和GaN之间存在较大的晶格失配（17%）、热失配（56%）以及回熔刻蚀等问题，导致GaN外延薄膜出现裂纹、表面形貌不均匀等现象。目前，Si基上外延GaN薄膜有采用处理Si表面形成多孔面进行生长；也有采用AlN/AlGaN多缓冲层结构生长、AlGaN/GaN超晶格插入层或者插入3D-GaN层等方法。但是采用以上方法外延生长GaN薄膜，生长工艺相对复杂，实现相对困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种限制GaN外延薄膜的裂纹生长、表面形貌均匀且工艺相对简单、易于实现的Si衬底上外延生长GaN薄膜的方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案包括：采用MOCVD系统进行外延生长以及Si衬底上外延生长GaN薄膜的方法，其特征在于：其外延结构依次为Si衬底、预铺铝层、低温氮化铝（AlN）缓冲层、高温氮化铝（AlN）缓冲层、氮化镓铝（AlxGa1-xN）层、氮化镓（GaN）薄膜层，其中，低温AlN缓冲层为低温AlN三维成核层，高温AlN缓冲层为高温AlN二维成核层，Al_xGa_1-xN层为Al_xGa_1-xN应力释放层，GaN薄膜层为最终生长层。其外延生长GaN薄膜的方法包括以下步骤：

步骤1：将Si衬底在高温和H₂状态下进行解吸附/脱附作用（Desorption），时间为8-15min,以起到还原Si片氧化物的作用；

步骤2：在Si衬底上进行预铺铝层，该预铺铝层起到防止SiN非晶体以及GaSi合金形成的作用；

步骤3：在步骤2的预铺铝层上生长低温AlN三维成核层，生长厚度为10-40 nm；

步骤4：在步骤3的低温AlN三维成核层上继续生长高温AlN二维成核层，生长厚度为50-200 nm；

步骤5：在步骤4的高温AlN二维成核层上继续生长Al_xGa_1-xN应力释放层，生长厚度为300-600 nm；