專利名稱：在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指在大失配的硅襯底上，利用新型氧化物緩沖層生長無裂紋的氮化鎵外延材料。
背景技術(shù)：
第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)基器件，如紫外探測器(UV-detectors)、高電子遷移率三極管(HEMTs)、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管(HFETs)、可見-紫外光激光器(LDs)和發(fā)光二極管(LEDs)等已經(jīng)用于商業(yè)，尤其是近些年來，LEDs照明迅猛發(fā)展，大量應(yīng)用于顯示器，照明，指示燈，廣告牌，交通燈等，在農(nóng)業(yè)中作為加速光合成光源，在醫(yī)療中作為診斷和治療的工具。同時也用于重要的軍事方面，高性能的雷達(dá)器件需要器件提供X波段和S波段的頻率發(fā)射，GaN基微波器件因為其高擊穿電場、高電子飽和速率和高工作溫度不僅用于軍事上極端條件下的雷達(dá)探測系統(tǒng)，還用于無線基站、信息傳送等方面。
然而，氮化鎵材料最大的問題是缺少同質(zhì)襯底，目前一般采用異質(zhì)材料作為襯底，其中硅襯底因其價格低、晶體質(zhì)量好，技術(shù)成熟、易解理、易切割，便于光電集成等優(yōu)點具有較大的優(yōu)勢。但是，因為硅與氮化鎵之間存在較大的晶格失配和熱失配，因此生長出的氮化鎵層會出現(xiàn)裂紋，這是目前硅基氮化鎵的最主要的問題，同時也是影響器件工藝的重要因素，因此解決裂紋問題是硅襯底上外延氮化鎵薄膜的首要目標(biāo)。本發(fā)明提出利用新型氧化物作為緩沖層，能夠有效的防止裂紋產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，該方法是在硅襯底上，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積的方法生長一層氧化物緩沖層，然后利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法或者分子束外延方法生長氮化鎵薄膜，用該方法生長的氮化鎵薄膜材料消除了在硅襯底上生長氮化鎵普遍存在的裂紋情況，表面平整度高。
本發(fā)明一種在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)選擇一大失配襯底；(2)在大失配襯底上生長氧化物緩沖層，氧化物緩沖層可以緩解襯底與氮化鎵薄膜之間的晶格失配，阻隔金屬鎵與襯底反應(yīng)；(3)在氧化物緩沖層上生長外延層。
其中大失配襯底為硅襯底。
其中所述的在大失配硅襯底上生長氧化物緩沖層的方法是利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延方法或者分子束外延方法制備。
其中緩沖層的材料為氧化物緩沖層。
其中在大失配襯底上生長氧化物緩沖層，其生長溫度在900-1200℃。
其中所述的氧化物緩沖層的厚度在10nm-200nm之間。
其中所述的外延層的材料為氮化鎵薄膜材料。
其中所述的外延層的厚度為0.5μm-3μm。
其中所述的外延層的表面均方根粗糙度小于6nm。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合具體實施方式
及附圖對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中圖1是本發(fā)明的硅襯底上氧化物緩沖層結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的外延層氮化鎵薄膜示意結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明在光學(xué)顯微鏡下的表面形貌圖；圖4是本發(fā)明在原子力顯微鏡下的形貌圖；圖5是本發(fā)明在掃描電子顯微鏡下截面圖。
具體實施例方式
請參閱圖1及圖2，本發(fā)明一種在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜21的方法，包括如下步驟(1)選擇一大失配襯底11，該大失配襯底11為硅襯底；(2)在大失配襯底11上生長氧化物緩沖層12，氧化物緩沖層12可以緩解襯底11與氮化鎵薄膜21之間的晶格失配，阻隔金屬鎵與襯底11反應(yīng)；其中所述的在大失配硅襯底11上生長氧化物緩沖層12的方法是利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延方法或者分子束外延方法制備，該緩沖層12的材料為氧化物緩沖層，該氧化物緩沖層12的厚度在10nm-200nm之間；其中在大失配襯底11上生長氧化物緩沖層12，其生長溫度在900-1200℃；(3)在氧化物緩沖層12上生長外延層21，該外延層21的材料為氮化鎵薄膜材料，該外延層21的厚度為0.5μm-3μm，該外延層21的表面均方根粗糙度小于6nm。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下請結(jié)合參閱圖1至圖5所示；(1)如圖1所示，首先在硅襯底11上利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延方法沉積一層氧化物緩沖層12，該氧化物緩沖層12的厚度約10nm-200nm之間，生長溫度為900-1200℃。
(2)如圖2所示，在氧化物緩沖層12上繼續(xù)生長外延層21，該外延層21的材料為氮化鎵薄膜，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延方法或者分子束外延方法生長，外延層21的厚度為0.5μm-3μm(如圖3所示為氮化鎵薄膜外延層21在光學(xué)顯微鏡下的表面形貌照片，在整個表面沒有裂紋)。
圖4所示為氮化鎵薄膜外延層21在原子力顯微鏡下形貌圖，表面均方根粗糙度小于6nm。
圖5所示為掃描電子顯微鏡下結(jié)構(gòu)截面圖，分別為硅襯底11，氧化物緩沖層12，氮化鎵薄膜外延層21。
表1為緩沖層12和外延層21的厚度、生長溫度及表面粗糙度。
表1

下面舉一例子加以說明(1)如圖1所示，在硅襯底11(晶向為(001))上使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延方法沉積一層γ-Al2O3氧化物緩沖層12，厚度約100nm，生長溫度為1000℃，反應(yīng)源分別為三甲基鋁和氧氣。
(2)如圖2所示，接著生長氮化鎵薄膜外延層21，生長溫度為1050℃，反應(yīng)源為三甲基鎵和氨氣，生長厚度為2μm(如圖3所示，光學(xué)顯微鏡觀測了氮化鎵薄膜外延層21表面形貌，整個表面沒有裂紋產(chǎn)生)。
圖4所示，原子力顯微鏡表征了氮化鎵薄膜外延層21形貌，表面均方根粗糙度為5.468nm。
圖5所示，掃描電子顯微鏡表征了氮化鎵薄膜外延層21截面，自下而上分別是硅襯底11，γ-Al2O3氧化物緩沖層12，氮化鎵薄膜外延層21，其中氮化鎵薄膜外延層21厚度為2μm。
權(quán)利要求
1.一種在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)選擇一大失配襯底；(2)在大失配襯底上生長氧化物緩沖層，氧化物緩沖層可以緩解襯底與氮化鎵薄膜之間的晶格失配，阻隔金屬鎵與襯底反應(yīng)；(3)在氧化物緩沖層上生長外延層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，其中大失配襯底為硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，其中所述的在大失配硅襯底上生長氧化物緩沖層的方法是利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延方法或者分子束外延方法制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，其中緩沖層的材料為氧化物緩沖層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，其中在大失配襯底上生長氧化物緩沖層，其生長溫度在900-1200℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，其中所述的氧化物緩沖層的厚度在10nm-200nm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，其中所述的外延層的材料為氮化鎵薄膜材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，其中所述的外延層的厚度為0.5μm-3μm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、7或8所述的在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，其中所述的外延層的表面均方根粗糙度小于6nm。
全文摘要
本發(fā)明一種在硅襯底上生長無裂紋氮化鎵薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)選擇一大失配襯底；(2)在大失配襯底上生長氧化物緩沖層，氧化物緩沖層可以緩解襯底與氮化鎵薄膜之間的晶格失配，阻隔金屬鎵與襯底反應(yīng)；(3)在氧化物緩沖層上生長外延層。
文檔編號C01G15/00GK1967778SQ200510086899
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者劉喆, 李晉閩, 王軍喜, 王曉亮, 王啟元, 劉宏新, 王俊, 曾一平 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所