[发明专利]一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，本发明在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，通过在Si衬底上外延生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并阻止回熔刻蚀反应。通过在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤部分穿透位错。采用该方法可以显著提高GaN外延薄膜材料的晶体质量，消除表面裂纹，得到可用于器件研制应用的GaN外延薄膜材料。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指在硅（Si）衬底上，利用氮化物复合缓冲层的方法异质外延生长表面无裂纹的氮化镓（GaN）薄膜材料。

背景技术

GaN材料作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、电子漂移速度大、耐高压、耐高温、耐腐蚀以及抗辐照等突出优点，特别适合研制制作高温高频大功率射频微波器件与电力电子器件，在无线通信、雷达、以及半导体照明等领域都具有广阔的应用前景。

但由于GaN材料缺少同质衬底，目前普遍采用异质外延的方式进行材料制备，最常用的衬底包括蓝宝石、碳化硅和Si衬底。相比于其它衬底，由于Si衬底价格低、制作工艺成熟、尺寸大、热导率高、并且可以很容易实现Si基光电集成，因此采用SI衬底外延生长GaN材料具有明显优势。

然而由于Si衬底和GaN两种材料的晶格常数和热膨胀系数差别很大，其晶格失配和热失配分别达到17%和56%，导致在GaN外延材料生长过程中会产生较大的张应力，从而在GaN外延材料中产生大量位错、甚至产生裂纹，严重降低GaN外延薄膜材料质量。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种在Si衬底上生长表面无裂纹的GaN外延薄膜材料的方法；具体技术方案为：

一种在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤1：选择一片单晶Si衬底；

步骤2：在Si衬底上外延生长一层氮化物复合缓冲层；

步骤3：在氮化物复合缓冲层上生长一层GaN过渡层；

步骤4：在GaN过渡层上生长一组超晶格；

步骤5：在超晶格上面生长GaN外延层，完成GaN薄膜的制备。

进一步，所述氮化物复合缓冲层包括： AlN层和在所述AlN层上生长的AlxInyGazN层，其中，0≦x≦1，0≦y≦1，0≦z≦1，x+y+z=1。

进一步，所述AlN层的厚度为50-250nm，生长温度为800-1100℃。

进一步，所述AlxInyGazN层的厚度为50-250nm，生长温度为800-1100℃。

进一步，所述GaN过渡层的厚度为100-400nm，生长温度为800-1100℃。

进一步，所述超晶格为(AlN/AlxGayN)×z，其中，0≦x≦1，0≦y≦1，x+y=1，1≦z≦50。

进一步，所述AlN层的厚度为3-15nm，生长温度为800-1100℃。

进一步，所述AlxGayN层的厚度为5-25nm，生长温度为800-1100℃。

进一步，所述GaN外延层的生长温度为800-1100℃。

本发明在硅衬底上生长氮化镓薄膜的方法，通过在Si衬底上外延生长一层氮化物复合缓冲层，该氮化物复合缓冲层可以缓解晶格失配，并阻止回熔刻蚀反应。通过在GaN过渡层上生长一组超晶格，该超晶格可以释放部分张应力，并能过滤部分穿透位错。采用该方法可以显著提高GaN外延薄膜材料的晶体质量，消除表面裂纹，得到可用于器件研制应用的GaN外延薄膜材料。

附图说明