CN1313655C - 生长高迁移率氮化镓外延膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：先在衬底上采用金属有机物化学气相沉积生长一层低温氮化镓成核层；随后升高衬底的温度，在低温氮化镓成核层上生长氮化镓恢复层；最后在生长室压力为400-600torr条件下，在氮化镓恢复层上生长非有意掺杂氮化镓层，室温迁移率不小于400cm2/V.s。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别指室温迁移率不小于400cm2/V.s的氮化镓外延膜的外延生长方法。
背景技术
III-V族氮化镓材料作为第三代半导体材料的典型代表，由于具有独特的物理、化学和机械性能，在光电子和微电子领域有着巨大的应用前景。氮化镓材料可用于制备HEMT、HFET、HBT、JFET、MOSFET、SAW等器件。迁移率是表征材料质量的重要参数，高迁移率材料的获得对材料研究和器件研制具有很大的益处。但是由于缺少与氮化镓材料相匹配的异质衬底材料，材料的纯度难以提高，因此难以获得高迁移率的GaN材料。
在本发明以前，经常采用的高迁移率氮化镓材料的生长方法是：先在衬底蓝宝石(0001)或其它适于生长氮化物的衬底的晶面上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长一层低温氮化镓成核层，然后升高衬底温度，生长不掺杂或者Si掺杂的氮化镓层以提高迁移率。如果使用掺杂的方法，掺杂的原子虽然能提高GaN材料的迁移率，但是掺杂的原子破坏了GaN原本的晶格，导致GaN材料的晶体质量下降。因此这种方法会影响材料本身和由其制备的器件性能。对于非掺杂直接生长本征GaN的方法，目前迁移率大多在200～500cm2/V.s范围。因此如何进一步提高非掺杂的GaN材料的迁移率，是氮化物材料发展的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，其方法是通过非有意掺杂，通过控制生长条件，如温度、压力以及加入氮化镓恢复层的新结构，有效缓解了晶格失配带来的应力，提高了晶体质量。生长出了高迁移率的本征氮化镓材料。本发明还提高了样品表面的平整度。
本发明一种生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
先在衬底上采用金属有机物化学气相沉积生长一层低温氮化镓成核层；
随后升高衬底的温度，在低温氮化镓成核层上生长氮化镓恢复层；
最后在生长室压力为400-600torr条件下，在氮化镓恢复层上生长非有意掺杂氮化镓层，室温迁移率不小于400cm2/V.s。
其中所述的衬底为蓝宝石或硅或碳化硅或GaLiO3、ZnO。
其中在衬底上生长低温氮化镓成核层时，衬底的温度为500-600℃，压力为400-600torr，生长厚度为0.01-0.06μm。
其中氮化镓恢复层的生长温度1000-1100℃之间，生长压力100-300torr，生长厚度为0.1-0.3μm。
其中非有意掺杂高迁移率氮化镓层生长温度为1000-1100℃之间，氮化镓膜厚为0.5-6μm。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明的本征高迁移率GaN层生长结构示意图；
图2是本发明的高迁移率GaN材料的迁移率及载流子浓度随温度的变化曲线；
图3是本发明的高迁移率GaN X射线摇摆曲线半峰宽测试结果；
图4是本发明的高迁移率GaN表面粗糙度RMS测试结果。
具体实施方式
本发明关键在于加入氮化镓恢复层的新结构和生长了非有意掺杂的高迁移率氮化镓外延膜。通过控制生长条件，如温度、压力到最佳的条件，配合加入的氮化镓恢复层新结构，最大限度的消除了晶格与衬底失配带来的应力，而应力正是产生晶体位错的主要原因。另一方面，非有意掺杂的氮化镓外延层有效降低了由于掺杂而引起的电离杂质，从而提高了晶体质量，生长出了高迁移率的本征氮化镓材料。本发明还提高了样品表面的平整度。
请参阅图1所示，本发明一种生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，包括如下步骤：
先在衬底10上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长一层低温氮化镓成核层20；其中所述的衬底10为蓝宝石或硅或碳化硅或GaLiO3、ZnO；其中在衬底10上生长低温氮化镓成核层20时，衬底10的温度为500-600℃，压力为400-600torr，生长厚度为0.01-0.06μm；
随后升高衬底10的温度，在低温氮化镓成核层20上生长氮化镓恢复层30；其中氮化镓恢复层30的生长温度1000-1100℃之间，生长压力100-300torr，生长厚度为0.1-0.3μm；
最后改变生长室压力，在氮化镓恢复层30上生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层40；其中非有意掺杂高迁移率氮化镓层40生长温度为1000-1100℃之间，生长压力为400-600torr，氮化镓膜厚为0.5-6μm。
用此方法生长的氮化镓为高迁移率氮化镓，室温迁移率不小于400cm2/V.s。
实施例
结合参阅图1，本发明一种生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，包括如下步骤：
1、在衬底10蓝宝石(0001)或硅(111)或碳化硅(0001)或其它适于生长氮化物的衬底如GaLiO3、ZnO等的晶面上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长一层低温氮化镓成核层。衬底温度约500-600℃，压力为400-600torr，生长厚度0.01-0.06μm。
2、之后升高衬底10温度，生长氮化镓恢复层，氮化镓恢复层的生长温度1000-1100℃之间，生长压力100-300torr，生长厚度为0.1-0.3μm。
3、最后改变生长室压力，非有意掺杂高迁移率氮化镓层，生长温度在1000-1100℃之间，生长压力为400-600torr，氮化镓膜厚约0.5-6μm。
对由以上步骤获得的样品进行测试分析，证明用此方法生长的氮化镓为高迁移率氮化镓材料。使用范德堡HALL测试方法证实在室温300K时该材料迁移率大于730cm2/V.s，载流子浓度1.8×1016cm-3，77K时迁移率1580cm2/V.s，载流子浓度4.0×1015cm-3(图2)；同时晶体质量得到了改善，使用双晶X射线衍射方法证实该材料的(0002)面的摇摆曲线半峰宽小于6arcmin.(图3)；原子力显微镜(AFM)测试方法证实该材料表面粗糙度(RMS)为0.159nm(图4)。本发明降低了工艺难度，减少了工艺步骤，一次性地生长出了高质量的本征高迁移率氮化镓材料，优化了生长工艺。
Claims (5)
1.一种生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
先在衬底上采用金属有机物化学气相沉积生长一层低温氮化镓成核层；
随后升高衬底的温度，在低温氮化镓成核层上生长氮化镓恢复层；
最后在生长室压力为400-600torr条件下，在氮化镓恢复层上生长非有意掺杂氮化镓层，该层氮化镓室温迁移率不小于400cm2/V.s。
2.根据权利要求1所述的生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，其特征在于，其中所述的衬底为蓝宝石或硅或碳化硅或GaLiO3、ZnO。
3.根据权利要求1所述的生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，其特征在于，其中在衬底上生长低温氮化镓成核层时，衬底的温度为500-600℃，压力为400-600torr，生长厚度为0.01-0.06μm。
4.根据权利要求1所述的生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，其特征在于，其中氮化镓恢复层的生长温度1000-1100℃之间，生长压力100-300torr，生长厚度为0.1-0.3μm。
5.根据权利要求1所述的生长高迁移率氮化镓外延膜的方法，其特征在于，其中在氮化镓恢复层上生长非有意掺杂高迁移率氮化镓层时，生长温度为1000-1100℃之间，氮化镓膜厚为0.5-6μm。
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