CN1314081C - 在硅衬底上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在硅衬底上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法，其特征在于，采用了以下的方法来生长缓冲层，包括如下步骤：(A)首先在硅衬底表面形成一层薄的液态铝层，该液态铝层的主要作用是阻止无定形的氮化硅层的形成；(B)然后生长一层氮化铝缓冲层，该氮化铝缓冲层中铝的含量大于氮的含量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种硅(Si)衬底上生长无裂纹III族氮化物薄膜的方法
背景技术
三族氮化物半导体由于在显示、光学数据存储、高速大功率电子器件、紫外探测器等领域都有非常广阔的应用前景，因此是非常有前途的材料。
然而，由于缺乏合适的衬底，人们很难得到高质量的氮化镓(GaN)薄膜。目前大多数的GaN薄膜都是在蓝宝石(0001)上得到的，但是蓝宝石仍然有许多缺点，诸如绝缘、难得到大尺寸、非常坚硬等。由于硅具有廉价、大尺寸，电导性和热导性好以及有光电子器件集成的潜在前景，人们进行了大量的努力未尝试使用硅作为衬底生长加GaN，从而克服上述的蓝宝石的一些缺点。
但是，与蓝宝石相比，硅(Si)与GaN之间存在着更大的晶格失配(20％)和热失配(56％)，因此在Si上生长GaN非常困难。在过去的十年里，各种缓冲层如3C-SiC，AlN，GaAs，AlAs，Si3N4，γ-Al2O3等都被用作GaN外延层与Si之间的中间层进行过尝试。由于AlN在Si衬底上有较好的浸润性，实验结果表明与其它缓冲层相比，AlN缓冲层可以较好的解决Si基GaN生长的困难。
通过采用AlN作为缓冲层，Si基生长的GaN薄膜的晶体质量与在蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜的晶体质量已经可以接近了。目前，Si基三族氮化物的发光二极管，光探测器，场效应管均已制作出。但是由于Si和GaN的热膨胀系数不同而造成的热失配高达56％，因此在生长结束后的降温过程中，GaN薄膜中存在很大的热应力，并且由于是张应力因而造成GaN薄膜出现很多裂纹。这些裂纹严重影响了器件的性能和外延片的成品率。
日前世界上许多小组都在努力研究如何减少Si基GaN中的应力，消除引基GaN中的裂纹。主要有以下几种方法，这几种方法均有各自不同的优优缺点。
(1)选择区域外延法(SAG)，这种方法在Si衬底上利用光刻技术形成有图形的介质掩蔽膜，利用GaN在介质掩膜与衬底上的生长的选择性，把GaN外延层生长限制在没有介质掩膜的窗口区域中。由于此时每个分立的窗口中的GaN薄膜的面积非常小，虽有应力存在但是并不产生裂纹。这种方法生长的GaN晶体质量和发光特性均有较大提高，但是提高了生产成本，并且在每个窗口区的边缘的GaN薄膜的厚度容易不均匀，因而影响器件的性能。
(2)采用低温AlN插入层。在GaN外延膜中插入一层约有几十nm厚的低温AlN层，通过这一层可以释放一部分由于热失配造成的应力，实现无裂纹的GaN薄膜。但是这种方法的缺点是，有插入AlN的GaN外延膜的晶体质量总是要比没有插入AlN的外延膜的晶体质量要略差一些，这是由于在低温AlN与上层的GaN层之间又引入了新的缺陷的缘故，这些缺陷将会使得器件的性能下降。
(3)采用梯度渐变的AlGaN层。由于AlN的品格常数(0.3113nm)小于GaN的晶格常数(0.3189nm)，因此在AlGaN层上生长的GaN中呈压应力，此压应力将抵消一部分在温度下降的过程中产生的张应力，从而减少GaN外延膜中的裂纹。但是实验发现采用AlGaN剃度渐变层将导致大量的位错密度，这些位错将会进一步影响上层GaN的晶体质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在Si衬底上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法，这种方法简便易行，不会增加成本，能够有效的减少GaN薄膜中的应力，从而消除GaN薄膜的裂纹，并且还能大大提高GaN外延层的晶体质量。
为了实现本发明的目的，采用了以下的方法来生长缓冲层。
本发明一种在硅衬底上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法，其特征在于，采用了以下的方法来生长缓冲层，包括如下步骤：
(A)首先在硅衬底表面形成一层薄的液态铝层，该液态铝层的主要作用是阻止无定形的氮化硅层的形成；
(B)然后生长一层氮化铝缓冲层，该氮化铝缓冲层中铝的含量大于氮的含量。
其中所述的生长的氮化铝缓冲层的温度为：1050-1120度之间。
其中所述的氮化铝缓冲层中铝的含量大于氮的含量，其化学配比为：2-3∶1。
其中所述的氮化铝缓冲层的厚度为20-50nm。
其中三族氮化物薄膜的种类是氮化镓，铝镓氮，铟镓氮，铝铟镓氮等薄膜材料或者是它们组合形成的结构材料。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明在Si基生长无裂纹的GaN外延膜的结构示意图；
其中：1为Si衬底，2为超薄的液态Al层，3为富Al的AlN缓冲层，4为GaN外延层；
图2是用普通AlN缓冲层生长的GaN外延膜的表面(图a)与用本发明方法的富Al的AlN缓冲层生长的GaN外延膜的表面(图b)的对比，这两个样品的GaN外延膜的厚度均为1微米；
图3是用普通AlN缓冲层生长的GaN外延膜与用本发明方法的富Al的AlN缓冲层生长的GaN外延膜的GaN(0002)X射线摇摆曲线半宽的比较。
具体实施方式
我们以用金属有机物气相沉积方法为例。
(1)首先在高温1080℃通入大流量的TMAl，由于Al的熔点为660℃，因此在Si衬底1表面将形成一层很薄的液态Al层2；
(2)通入NH3，并且保持温度和TMAl的流量不变。通常生长高温AlN缓冲层3时的V/III比在3000～9000之间，而我们由于采用了大流量的TMAl，V/III比大大减少为450，因而这层AlN层中的铝的含量大于氮的含量，其化学配比为：2.4∶1，这层高温AlN层厚度约为30nm。
一般来说生长普通缓冲层时没有Al化的过程，或者时间非常短，加之TMAl的流量小，因此不能很好的形成薄的液态Al层2；
(3)生长一定厚度的三族氮化物的外延膜4。薄膜的种类可以是氮化镓，铝镓氮，铟镓氮，铝铟镓氮等薄膜材料或者是它们组合形成的结构材料。
本发明与背景技术相比所具有的有意义的效果
与其他的生长无裂纹GaN外延膜的技术相比，采用富Al缓冲层的方法具有简单方便，不增加生产成本的优点。同时发现采用富Al缓冲层生长的GaN外延膜的晶体质量还有大幅度的提高。这是与其他的方法相比最难能可贵的一点，而其他的生长方法往往是以牺牲一定的晶体质量来实现无裂纹的。
实现本发明的最好方式
1.实现本发明的主要设备
半导体薄膜制备设备，主要指金属有机物气相外延系统，分子束外延系统离子溅射，真空淀积等；
2.对于不同的半导体薄膜制备系统，各种生长参数应根据具体情况来进行调整。
实施例
我们以用金属有机物气相沉积方法为例。
(1)以Si(111)晶片作为衬底；
(2)首先在高温1080℃通入人流量的TMAl，时间为3分钟，由于Al的熔点为660℃，因此在Si衬底表面将形成一层很薄的液态Al层；
(2)通入NH3，并且保持温度和TMAl的流量不变，时间为3分钟。此时V/III比为450，这层高温AlN层厚度约为30nm；
(3)在富Al缓冲层的基础上继续生长1微米厚的GaN外延膜。
对比用这两种缓冲层生长的1微米厚的GaN外延层的表面可以看到(附图2)，用普通的缓冲层生长的GaN层表面在10微米的观察范围内就发现有许多裂纹，微裂密度可以达到1×103cm-1(定义单位面积的微裂线长度为微裂密度)，而采用富Al的缓冲层生长的GaN外延膜表面非常平整，在100微米的观察范围内都很少能找到裂纹。用X射线双品衍射对GaN外延膜的晶体质量进行测试，对GaN(0002)衍射峰进行ω扫描，用富Al缓冲层生长的GaN的GaN(0002)的摇摆曲线的半宽明显小于在普通AlN缓冲层上生长的GaN的半宽(附图3)，因此用富Al缓冲层生长的GaN的晶体质量要比用普通缓冲层生长的GaN的晶体质量好得多。
实验机理说明
实验结果发现富Al的缓冲层的晶体质量并不如普通的AlN缓冲层的晶体质量好，但是富Al的缓冲层中Al的含量是普通的AlN缓冲层的两倍，其中一部分形成AlN晶体，而另一部分并没有形成晶体，而是以非晶的形态存在。在生长GaN外延层的过程中，这部分没有完全形成化合物的Al原子将扩散至GaN外延层中，使得GaN外延层的下部实际成为了含一定Al浓度并且浓度梯度渐变的AlGaN层。由于GaN的品格常数小于AlN的品格常数，因此底部的AlGaN层对其上部的GaN外延层产生一定的压应力，而此压应力在温度下将时将会抵消一部由于热失配而产生的张应力，从而减少外延膜中总的应力，从而减少裂纹。同时富Al的缓冲层由于晶体质量要比普通AlN缓冲层差，含有更多偏离化学配比的Al，因此缓冲层的柔性增加，这在一定程度上也可以释放一部分应力。
该方法简单易行，并不增加成本，但从对应力释放的机制来看，并不是简单的变化V/III比，而是一个突变，所采用的TMAl的浓度是普通缓冲层的13倍。从应力释放的机制来看，不仅仅依靠具有更大柔性的缓；中层来释放应力，而且利用富Al缓冲层中的Al原子扩散至外延层中的特点，通过Al扩散形成AlGaN层所产生的压应力来缓解一部分GaN外延层中的张应力的方法未实现无裂纹的GaN的生长，通过此方法，至少可以得到1微米厚的无裂纹GaN外延薄膜。
另外值得一提是，这种方法生长的GaN的晶体质量大大优于普通缓冲层的生长的GaN的晶体质量。在GaN生长初期，GaN将在AlN晶粒上成核形成三维的小岛，在这些小岛合并的时候由于岛和岛之间晶向的偏差，往往会产生各种位错，因此AlN的成核密度与GaN外延层中的位错密度有着非常密切的关系。实验发现由于富Al缓冲层的成核密度要小于普通的缓冲层的戍核密度，这很有可能就是在富AlN的缓冲层上生长的GaN的晶体质量优于普通缓冲层的原因。
Claims (5)
1.一种在硅衬底上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法，其特征在于，采用了以下的方法来生长缓冲层，包括如下步骤：
(A)首先在硅衬底表面形成一层薄的液态铝层，该液态铝层的主要作用是阻止无定形的氮化硅层的形成；
(B)然后生长一层氮化铝缓冲层，该氮化铝缓冲层中铝的含量大于氮的含量。
2.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法，其特征在于，其中所述的生长氮化铝缓冲层的温度为：1050-1120度之间。
3.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法，其特征在于，其中所述的氮化铝缓冲层中铝的含量大于氮的含量，其化学配比为：2-3∶1。
4.根据权利要求1所述的在硅基上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法，其特征在于，其中所述的氮化铝缓冲层的厚度为20-50nm。
5.根据权利要求1所述的在硅衬底上生长无裂纹三族氮化物薄膜的方法，其特征在于，其中三族氮化物薄膜的种类是氮化镓，铝镓氮，铟镓氮，铝铟镓氮等薄膜材料或者是它们组合形成的结构材料。
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