一种氮化物材料的外延方法

xiaoxiao2020-09-10  1

专利名称:一种氮化物材料的外延方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域,特别是为了低成本实现高质量氮化物外 延结构材料的生长而设计的一种生长方法,可以结合金属有机物氢化物气
相外延(MOHVPE)或者独立卤化物源金属有机物化学气相沉积 (SHMOCVD)实现。
背景技术
氮化物多元系材料的光谱从0.7ev到6.2ev,可以用于带间发光,颜色 覆盖从红外到紫外波长,在光电子应用方面,如蓝光、绿光、紫外光发光 二极管(LED)、短波长激光二极管(LD),紫外探测器、布拉格反射波导 等方面获得了重要的应用和发展。另外氮化镓(GaN)材料作为第三代半 导体材料代表之一,具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击 穿电场和高热导率、优异的物理化学稳定性等优异性能,在微电子应用方 面也得到了广泛的关注,可以制作高温、高频和大功率器件,如高电子迁 移率晶体管(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。由于氮化物材料在 某些波段的发光基本不受材料缺陷的影响,近些年来氮化物基的发光二极 管照明迅猛发展,LED大量应用于显示器、照明、指示灯、广告牌、交通 灯等,在农业中作为加速光合成光源,在医疗中作为诊断和治疗的工具。
但是由于氮化物材料的特殊性质,采用传统的单晶生长方法很难生长 出体单晶;使用异质衬底,如蓝宝石、SiC、 Si等存在着由于晶格失配和 热失配带来的外延材料缺陷密度大等的问题,这一结果极大的影响了 GaN 系材料在微电子领域、激光器领域和紫外LED领域等的实用化进展。在 常规m-v族化合物半导体中降低外延层缺陷密度效果非常明显的缓冲层 在GaN系材料的生长中效果并不明显,生长2-3微米缓冲层并不能够显著 降低缺陷密度。最近氢化物气相外延(HVPE)生长厚膜GaN的实验表明,生长20微米以上的GaN可以显著降低缺陷密度,而且随着厚度的增加, 缺陷密度还将逐步下降。常规的分子束外延(MBE)和金属有机物化学气 相沉积(MOCVD)等氮化物外延手段由于其生长速率低很难应用于生长 非常厚的外延层,而利用氢化物气相外延的高生长速率和较高结晶质量可 以实现氮化物材料的厚膜生长。
但是HVPE由于生长速度和热壁反应炉等的限制,其成核层往往很难 做到很高的质量,需要借助MOCVD生长的氮化物模板等才能够真正实现 高质量厚膜的生长,使得HVPE对于MOCVD有较大的依赖性;同时HVPE 生长速度对于生长精细的器件结构来说又显得过快,这时有要利用 MOCVD的高精度控制来实现,这也是人们开发和设计金属有机物氢化物 气相外延(MOHVPE)或者独立卤化物源金属有机物化学气相沉积 (SHMOCVD)的原因。
另外,限于异质外延GaN的临界厚度较小(如蓝宝石上GaN的临界 厚度小于8微米),要生长超过20微米的GaN就需要横向外延等手段, 这时有需要对MOCVD生长的氮化物外延膜进一步处理才行,这样导致 HVPE生长GaN厚膜生产成本大幅增加,生产效率显著降低,另外这种二 次外延还使得氮化物材料生长受污染的几率极大增加。要想实现厚膜GaN 的一次生长,必须在衬底上实现外延材料的应力释放,这样就可以在初始 的衬底上形成应力释放层,或者是形成能够横向外延的结构,目前应用于 高亮度LED中的图形衬底就是一种横向外延结构,只是它主要被用于提 高发光,而本发明中采用它来释放应力。

发明内容
本发明的目的是设计一种高性能氮化物材料的低成本外延方法,解决 HVPE、 MOCVD等设备尤其是结合了 HVPE和MOCVD的MOHVPE或 者SHMOCVD设备用于生长高质量氮化物外延材料的生长工艺问题,从 而降低氮化物外延材料的生产成本并提高外延结构的材料质量。
本发明提出的高性能氮化物材料的低成本外延方法,包括
采用图形衬底或者应力释放层作为衬底;
采用金属有机物化学气相沉积模式生长成核层;采用氢化物气相外延模式生长铝镓铟氮缓冲层; 采用金属有机物化学气相沉积模式生长光电子材料的器件结构。 进一步,所述图形衬底是图形化的蓝宝石衬底,或硅衬底,或碳化硅
衬底,或铝酸锂衬底。
进一步,所述应力释放层是具备释放异质外延应力结构的衬底。 进一步,所述成核层是氮化铝或者氮化镓的低温成核层和初始氮化物
薄层材料。
进一步,所述成核层和薄层氮化物由金属有机物化学气相沉积生长, 作为后续的氢化物气相外延生长成核层。
进一步,所述光电子器件是利用金属有机物化学气相沉积精确控制的 生长模式在作为后续的氢化物气相外延生长的缓冲层上实现的。
实现本发明最好能够结合HVPE和MOCVD,实现MOHVPE或者是 SHMOCVD的方式进行,能够最好地利用HVPE高速生长和MOCVD高 质量成核以及对于精细结构的生长控制,可以一次性的生长出高质量的外 延材料,同时兼顾生长效率,节约成本,提高性能。本发明具有工艺简单, 生长周期短,材料性能好等优点,是实现氮化物材料高质量、低成本生长 的有效解决方案。


图1是本发明的一个实施例的工艺流程。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实 施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
如图1所示,是本发明的实施案例示意图。首先需要能够缓解异质外 延应力,增加外延层临界厚度的衬底如图形衬底或者结构如应力释放层; 其次是MOCVD模式的成核层的生长;然后是HVPE模式的高质量厚层 (AlGaln)N缓冲层生长;最后通过MOCVD模式实现器件结构的生长。具
5体如下
图形蓝宝石衬底主要用于实现横向外延释放异质外延产生的应力,从
而提高氮化物在蓝宝石上的可生长厚度;利用MOCVD生长模式,实现高 温或者低温成核层的生长并为HVPE准备薄层的氮化物生长成核层,本过 程可以在半小时最多一小时内完成;切换到HVPE生长模式进行快速的氮 化物厚膜生长,本过程根据生长速率的调节可以在几分钟到最多1小时内 完成,相比MOCVD方式不仅厚度增加一个量级而且可以大大节约氨气; MOCVD生长模式生长器件结构,对于一般结构的器件,这是常规生长中 消耗时间最少的部分。
总体计算最快l-2小时即可以完成常规MOCVD需要3-4小时的生长, 而且理论上讲位错密度极大降低,材料性能将有较大的提升。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解,本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以进行各种其它的改 变、替换和添加。因此,本发明的范围不局限于上述特定实施例,而应由 所附权利要求所限定。
权利要求
1. 一种高性能氮化物材料的低成本外延方法,包括采用图形衬底或者应力释放层作为衬底;采用金属有机物化学气相沉积模式生长成核层;采用氢化物气相外延模式生长铝镓铟氮缓冲层;采用金属有机物化学气相沉积模式生长光电子材料的器件结构。
2. 根据权利要求1所述的外延方法,其特征在于,所述图形衬底是 图形化的蓝宝石衬底,或硅衬底,或碳化硅衬底,或铝酸锂衬底。
3. 根据权利要求1所述的外延方法,其特征在于,所述应力释放层 是具备释放异质外延应力结构的衬底。
4. 根据权利要求1所述的外延方法,其特征在于,所述成核层是氮 化铝或者氮化镓的低温成核层和初始氮化物薄层材料。
5. 根据权利要求1所述的外延方法,其特征在于,所述成核层和薄 层氮化物由金属有机物化学气相沉积生长,作为后续的氢化物气相外延生 长成核层。
6. 根据权利要求1所述的外延方法,其特征在于,所述光电子器件 是利用金属有机物化学气相沉积精确控制的生长模式在作为后续的氢化 物气相外延生长的缓冲层上实现的。
全文摘要
本发明是一种高性能氮化物材料的低成本外延方法。包括采用图形衬底或者应力释放层作为衬底;采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)模式生长成核层;采用氢化物气相外延(HVPE)模式生长铝镓铟氮(AlGaIn)N缓冲层;采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)模式生长光电子材料的器件结构。通过本发明可以实现高性能氮化物外延材料的低成本生长,发挥HVPE和MOCVD结合的最大性能。
文档编号C30B29/10GK101469451SQ200710304210
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者曾一平, 李晋闽, 段瑞飞, 王军喜, 王国宏 申请人:中国科学院半导体研究所

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