半導體材料的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種半導體材料的制備方法，包括以下步驟：A)選擇初始襯底，將初始沉底放入金屬有機化合物化學氣相沉淀裝置的內(nèi)腔中對其外表面進行預處理；B)采用金屬有機化合物化學氣相沉淀法，初始襯底的外表面外延生長形成初始GaN層；C)暫停GaN的外延生長，在初始GaN層表面上原位淀積形成一具有孔狀結(jié)構(gòu)的SiNx介質(zhì)薄膜層；D)采用金屬有機化合物化學氣相沉淀法繼續(xù)GaN的外延生長，GaN先從SiNx介質(zhì)薄膜層的孔中外延長出后，GaN再橫向外延生長，直至覆蓋初始GaN層的外表面形成GaN外延層。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及到一種。
技術(shù)介紹
材料質(zhì)量是器件性能的關(guān)鍵雖然GaN材料和GaN基發(fā)光二極管已經(jīng)是大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，其市場規(guī)模達到百億美元以上；但是，現(xiàn)有的用于GaN基發(fā)光二極管制造的GaN晶體薄膜生長技術(shù)并不能直接移植于GaN功率電子器件的制造。這是因為GaN功率電子器件不同于GaN發(fā)光二極管等低電壓器件，對GaN外延層的晶體質(zhì)量有更加苛刻的要求(GaN功率電子器件的工作電壓在幾百伏以上；GaN發(fā)光二極管的工作電壓一般在±5伏內(nèi))。目前，市場上以發(fā)光二極管為主的GaN器件基本上都是生長在異質(zhì)襯底上(90%以上是藍寶石襯底，其余是碳化硅和少量的硅襯底)，受大晶格失配(> 10%，見圖I)和外延生長中熱膨脹失配的影響，所生長的GaN外延層具有較高的缺陷密度，其中位錯密度一般在IO8-IOicicnT2量級以上。已有的實驗證據(jù)表明GaN中的大部分缺陷是非輻射復合中心，是漏電通道，可以使GaN器件具有較大的漏電流，并且在遠低于GaN臨界電場的條件下被擊穿(見圖2a-圖2c) ο在以往的基礎和產(chǎn)業(yè)化研究中，人們已經(jīng)認識到單純依靠外延生長條件的優(yōu)化只能有限地提高GaN外延層中的晶體質(zhì)量，例如將GaN薄膜中的位錯密度從常見的IO9-IO10Cm-2降低到IO8CnT2量級。這種質(zhì)量改善的GaN外延薄膜對發(fā)光二極管應用非常有意義，可以有效提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率和可靠性，但仍然不能滿足高功率電子器件應用對材料晶體質(zhì)量的嚴格要求。因此，面向GaN高功率電子器件應用，人們需要開發(fā)新型的外延生長方法來大幅度地降低GaN外延薄膜中的缺陷密度。目前，一種已有的可大幅度降低GaN外延薄膜中缺陷密度的方法是GaN橫向外延生長(Lateral Epitaxial Overgrowth, LEO)技術(shù)。LEO生長技術(shù)的大致過程是在已經(jīng)生長了一定厚度的GaN層上淀積介質(zhì)層(常用材料為PECVD生長的SiOx或SiNx)，并通過光刻和刻蝕的方法制備出相比于襯底晶向具有特定朝向的條紋狀掩膜(mask);之后，繼續(xù)進行外延生長GaN就會選擇性地在mask的窗口區(qū)向上生長，當?shù)竭_掩膜高度時就會發(fā)生側(cè)向橫向生長，直到兩側(cè)橫向生長的GaN匯合成平整的薄膜。LEO技術(shù)可大致降低GaN外延層中位錯密度3-4個數(shù)量級，其作用原理是由于在高溫的外延生長環(huán)境中GaN在SiOx或SiNx上的粘滯系數(shù)幾乎為O，GaN在mask窗口區(qū)的淀積速度要比在SiOx或SiNx掩膜介質(zhì)上高得多；當GaN越過窗口區(qū)發(fā)生橫向生長后，掩膜區(qū)的位錯會被介質(zhì)層截斷而消失，而窗口區(qū)的部分位錯會向橫向生長區(qū)彎曲90度，也不能到達GaN外延薄膜表面。這樣，LEO GaN外延層中的位錯密度就可以大大降低。利用LEO技術(shù)來大幅度提高GaN材料的晶體質(zhì)量是成功的，已經(jīng)被利用來制備GaN基激光器；但該技術(shù)有一個突出的問題，就是工藝非常復雜制備過程中需要中斷外延生長、淀積介質(zhì)膜、光刻、刻蝕、二次生長等，導致制備成本過高(增加2-3倍)，難以大規(guī)模推廣。雖然由于制備成本問題，LEO技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的應用非常有限，但其橫向外延的作用原理卻非常清晰，給人們發(fā)展改進的低成本LEO技術(shù)提供了思路。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對上述問題，本專利技術(shù)的主要目的是提供一種，能夠大幅度降低GaN外延層中的缺陷密度，實現(xiàn)高晶體質(zhì)量GaN薄膜的低成本外延生長。為了解決上述難題，本專利技術(shù)采取的方案是一種，所述的方法包括以下步驟A)選擇初始襯底，將初始沉底放入金屬有機化合物化學氣相沉淀裝置中對其外表面進行預處理；B)采用金屬有機化合物化學氣相沉淀法，初始襯底的外表面外延生長形成初始GaN 層；C)暫停GaN的外延生長，在初始GaN層表面上原位淀積形成一具有孔狀結(jié)構(gòu)的SiNx介質(zhì)薄膜層；D)采用金屬有機化合物化學氣相沉淀法繼續(xù)GaN的外延生長，GaN先從SiNx介質(zhì)薄膜層的孔中外延長出后，GaN再橫向外延生長直至覆蓋初始GaN層的外表面直至形成GaN外延層。優(yōu)選地，在步驟A)中，所述初始襯底的材料為包括但不局限于藍寶石、碳化硅或娃襯底中的一種。優(yōu)選地，在步驟A)中，所述初始GaN層的厚度為O. 5-3. O微米。優(yōu)選地，在步驟A)中，所述初始襯底的材料為藍寶石，初始GaN層包括GaN低溫結(jié)核層和GaN緩沖層。優(yōu)選地，多次重復步驟B)至步驟D)直至達到制備器件的要求。優(yōu)選地，在步驟B)中，所述初始GaN層的位錯密度在IO8-IOiciCnT2之間。優(yōu)選地，在步驟D)中，所述GaN外延層的位錯密度在IO6-IO7CnT2之間。本專利技術(shù)采用以上結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點I、獲得了高度可重復性的結(jié)果，所獲得的GaN外延層的位錯密度可以穩(wěn)定地保持在107cm 2以下，材料的成品率在97%以上。2、成本很低；由于所有過程都在金屬有機化合物化學氣相沉淀裝置的內(nèi)腔中外延生長腔內(nèi)原位進行，和常規(guī)GaN外延生長過程相比，其成本只增加10-15%左右，但GaN外延層的位錯密度卻可以下降2-3個量級，材料質(zhì)量得到顯著提高。附圖說明圖I為GaN材料與常用藍寶石襯底的晶格失配關(guān)系。圖2顯示出微區(qū)表面形貌和漏電分布掃描研究證明螺旋位錯是GaN材料的主要漏電通道。圖2a中GaN表面的AFM微區(qū)形貌照片。圖2b中同時獲得的導電C-AFM漏電流分布照片。圖2c為圖a與圖b照片的對照疊加。(摘自JWP Hsu,Applied Physics Letters81，79，2002)圖3a為原位微孔模版GaN外延生長技術(shù)的過程中A)步驟示意圖。圖3b為原位微孔模版GaN外延生長技術(shù)的過程中B)步驟示意圖。 圖3c為原位微孔模版GaN外延生長技術(shù)的過程中C)步驟示意圖。 圖3d為原位微孔模版GaN外延生長技術(shù)的過程中D)步驟示意圖。圖4a描述了具體實例中所生長的GaN外延結(jié)構(gòu)。圖4bGaN外延結(jié)構(gòu)的電子掃描電鏡(SEM)照片。圖5a中陰極熒光掃描測量 表明采用原位微孔模版方法生長的CaN外延層的位錯密度約為6X106cm_2。圖5b中沒有采用原位微孔模版方法生長的對照GaN樣品的位錯密度約為I X 109cm-2 (右)。注CL掃描圖中每一個黑點代表一個位錯。圖6 :對GaN晶體材料的HR-XRD搖擺曲線測量結(jié)果。其中，A表示對照Ga材料，B表示采用本專利技術(shù)制備出的材料。附圖中1、襯底;2、初始GaN層;3、SiNx介質(zhì)薄膜層；4、GaN外延層。具體實施例方式下面結(jié)合說明書附圖對本專利技術(shù)的較佳實施例進行詳細闡述，以使本專利技術(shù)的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，從而對本專利技術(shù)的保護范圍作出更為清楚明確的界定。MOCVD 為Metal-organic Chemical Vapor Deposition (金屬有機化合物化學氣相沉淀是在氣相外延生長)縮寫，MOCVD是在氣相外延生長(VPE)的基礎上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術(shù)。本專利技術(shù)的實施例中，在商用生產(chǎn)型GaN MOCVD外延生長設備(Thomas Swan CCS19X2)上外延生長了以下薄膜結(jié)構(gòu)(圖4a和圖4b),如圖3a至圖3d所示,制備的步驟基本包括如圖3a所示，A)選擇藍寶石襯底，將藍寶石襯底放入MOCVD的內(nèi)腔中對藍寶石襯底的外表面進行預處理；如圖3b所示，B)采用MOCVD的外延法，在藍寶石襯底的外表面外延生本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種半導體材料的制備方法，其特征在于：所述的方法包括以下步驟：A)選擇初始襯底，將初始沉底放入金屬有機化合物化學氣相沉淀裝置的內(nèi)腔中對其外表面進行預處理；B)采用金屬有機化合物化學氣相沉淀法，初始襯底的外表面外延生長形成初始GaN層；C)暫停GaN的外延生長，在初始GaN層表面上原位淀積形成一具有孔狀結(jié)構(gòu)的SiNx介質(zhì)薄膜層；D)采用金屬有機化合物化學氣相沉淀法繼續(xù)GaN的外延生長，GaN先從SiNx介質(zhì)薄膜層的孔中外延長出后，GaN再橫向外延生長，直至覆蓋初始GaN層的外表面形成GaN外延層。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱廷剛，
申請(專利權(quán))人：江蘇能華微電子科技發(fā)展有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：