專(zhuān)利名稱(chēng)：氮化鎵生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指在氮化鎵材料生長(zhǎng)中結(jié)合了氧化鋅材料生長(zhǎng)
而設(shè)計(jì)的一種生長(zhǎng)方法，可以用于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量非極性氮化鎵等的生長(zhǎng)和低成本襯底上的氮 化鎵外延。
背景技術(shù)：
ni族氮化鎵多元系材料屬于直接帶隙的半導(dǎo)體材料，帶隙可以從0.7eV連續(xù) 調(diào)節(jié)到6. 2eV，顏色覆蓋從紅外到紫外波長(zhǎng)，在光電子如藍(lán)光、綠光、紫外光發(fā)光二極管 (LED)、短波長(zhǎng)激光二極管(LD)，紫外探測(cè)器、布拉格反射波導(dǎo)等方面具有重要的應(yīng)用和發(fā) 展。另外氮化鎵(GaN)材料作為第三代半導(dǎo)體材料代表之一，具有直接帶隙、寬禁帶、高飽 和電子漂移速度、高擊穿電場(chǎng)和高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在微電子應(yīng) 用方面也得到了廣泛的關(guān)注，可以制作高溫、高頻和大功率器件，如高電子遷移率晶體管 (HEMT)、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)等。由于氮化鎵材料在某些波段的發(fā)光基本不受材料缺 陷的影響，近些年來(lái)氮化鎵基的發(fā)光二極管照明迅猛發(fā)展，LED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。 表一為GaN和ZnO基本性質(zhì)的比較。
表一
性質(zhì)GaNZnO差別
晶格常數(shù)(nm)0. 31890. 32495-1. 86%
0. 51860. 52069-0. 40%
熱膨脹系數(shù)(/"c)5,59x10-66. 5X10-6-14%
3.17x10-63.0X10-65. 7% 氧化鋅(ZnO)同樣屬于寬禁帶半導(dǎo)體，其帶隙接近氮化鎵，同時(shí)晶格常數(shù)和熱膨 脹系數(shù)也非常接近氮化鎵(見(jiàn)表一 )。相比于氮化鎵來(lái)說(shuō)氧化鋅具有活潑的化學(xué)性質(zhì)和優(yōu) 異的生長(zhǎng)取向性，同時(shí)也易于形成可控的納米結(jié)構(gòu)。由于晶格的接近，氮化鎵和ZnO常常互 相作為緩沖層用于提高晶體質(zhì)量；由于ZnO的晶向相對(duì)容易控制，可以通過(guò)生長(zhǎng)不同晶向 的ZnO來(lái)實(shí)現(xiàn)各種晶向的氮化鎵生長(zhǎng)，包括極性的、半極性的和非極性的氮化鎵生長(zhǎng)。同時(shí) ZnO活潑的化學(xué)性質(zhì)為工藝提供了更多的方便，可以作為氮化鎵生長(zhǎng)的輔助剝離層。
本發(fā)明以前氮化鎵材料生長(zhǎng)多以低溫氮化鎵或者氮化鋁等作為緩沖層，通過(guò)兩步 法獲得較高質(zhì)量的氮化鎵材料。這種方式在藍(lán)寶石、SiC甚至Si上都獲得比較好的氮化鎵 材料，但是最近的嘗試表明如果在非c面氮化鎵的生長(zhǎng)中單純的使用兩步法難于獲得高質(zhì) 量的器件級(jí)氮化鎵材料。另外在更加廉價(jià)的多晶或者非晶襯底上生長(zhǎng)氮化鎵材料也難于使 用兩步法實(shí)現(xiàn)。相比于氮化鎵來(lái)說(shuō)，氧化鋅更加易于擇優(yōu)取向，更加容易形成單晶納米圖 形，這就使得氧化鋅非常適合于在多晶或者非晶材料上形成擇優(yōu)取向的定向生長(zhǎng)，從而為
3后續(xù)的單晶生長(zhǎng)提供必要條件。此外Zn0的引入還可以使得我們控制氮化鎵的生長(zhǎng)取向， 可以生長(zhǎng)出極性、半極性或者非極性的氮化鎵材料。 本發(fā)明旨在氮化鎵生長(zhǎng)中引入ZnO緩沖層，提高氮化鎵的晶體質(zhì)量；或者是形成 適合于不同極性的氮化鎵生長(zhǎng)方法；或者是在Si、多晶、非晶等更加廉價(jià)的襯底上形成高 質(zhì)量的氮化鎵生長(zhǎng)。從而為發(fā)展高性能光電子和微電子材料提供新的選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種氮化鎵生長(zhǎng)方法，在生長(zhǎng)氮化鎵材料時(shí)，首先生長(zhǎng)氧 化鋅緩沖層，結(jié)合氧化鋅和氮化鎵相同晶格結(jié)構(gòu)、相近晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)以及氧化鋅 容易擇優(yōu)取向生長(zhǎng)和形成納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)氮化鎵材料的高質(zhì)量生長(zhǎng)和極性選擇 以及低成本襯底的使用。
本發(fā)明提供一種氮化鎵生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括如下步驟
步驟1 :取一襯底； 步驟2 :在襯底上采用磁控濺射、脈沖激光沉積或M0CVD的方法，生長(zhǎng)緩沖層；
步驟3 :在緩沖層上采用M0CVD、HVPE或者脈沖激光沉積、磁控濺射的方法，生長(zhǎng)外延層。 其中襯底的材料為SiC、藍(lán)寶石、Si或者石英玻璃。
其中緩沖層的材料為氧化鋅。
其中外延層的材料為氮化鎵。
其中緩沖層的厚度為20-5000nm。 本發(fā)明的氮化鎵生長(zhǎng)方法，是在生長(zhǎng)氮化鎵材料前首先在襯底上生長(zhǎng)一層氧化鋅
材料，然后在氧化鋅上生長(zhǎng)氮化鎵材料。生長(zhǎng)該層氧化鋅材料可以利用氧化鋅易于取向的
特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同的取向的生長(zhǎng)；利用氧化鋅易于腐蝕的特點(diǎn)方便實(shí)現(xiàn)圖形化生長(zhǎng)和選區(qū)外
延；利用氧化鋅和氮化鎵的良好晶格匹配和熱匹配實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的氮化鎵材料生長(zhǎng)。 本發(fā)明所采用的技術(shù)措施，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量氮化鎵材料的低成本和高可控生長(zhǎng)，
為實(shí)現(xiàn)氮化鎵材料體系的廣闊市場(chǎng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，最重要的應(yīng)用包括非極性氮化鎵的高質(zhì)
量生長(zhǎng)，低成本多晶或者非晶襯底上的氮化鎵單晶生長(zhǎng)等。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作一詳細(xì)的描 述，其中 圖1是發(fā)明的氮化鎵生長(zhǎng)示意圖； 圖2是XRD測(cè)試結(jié)果圖使用氧化鋅鋅緩沖層的生長(zhǎng)為(10-10)m面氮化鎵和不使 用氧化鋅緩沖層的生長(zhǎng)為(10-1-3)面氮化鎵；
圖3為m面氮化鎵的XRD搖擺曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一種氮化鎵生長(zhǎng)方法，包括如下步驟 步驟1 :取一襯底IO，該襯 10的材料可以為SiC、藍(lán)寶石、Si或者石英玻璃，該襯底材料取向(如果有)將影響后續(xù)外延材料的取向，同時(shí)也將影響后續(xù)材料的性能；
步驟2 :在襯底10上采用磁控濺射、脈沖激光沉積或M0CVD的方法，生長(zhǎng)緩沖層 20，該緩沖層20的材料為氧化鋅，通過(guò)不同溫度、壓力、氣氛等的控制可以得到不同性能的 氧化鋅材料，有利于后面外延氮化鎵的性能控制； 步驟3 :在緩沖層20上采用M0CVD、 HVPE或者磁控濺射、脈沖激光沉積的方法，生 長(zhǎng)外延層30，該外延層30的材料為氮化鎵，可以通過(guò)HVPE快速生長(zhǎng)厚膜或者M(jìn)OCVD等生長(zhǎng) 薄膜材料。
實(shí)施例 請(qǐng)結(jié)合參閱圖l所示，首先在m面的藍(lán)寶石襯底IO上使用磁控濺射的方法，生長(zhǎng) 氧化鋅緩沖層20，該緩沖層的厚度為200nm，為了對(duì)照，我們同時(shí)也選擇不生長(zhǎng)氧化鋅緩沖 層20的m面藍(lán)寶石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)照； 然后在生長(zhǎng)了氧化鋅緩沖層20和沒(méi)有生長(zhǎng)氧化鋅緩沖層20的藍(lán)寶石上使用HVPE 方法生長(zhǎng)50微米的氮化鎵外延層30，為了避免氧化鋅在還原氣氛下的反應(yīng)，載氣使用氮 氣； 隨后通過(guò)XRD對(duì)生長(zhǎng)的氮化鎵進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有生長(zhǎng)氧化鋅緩沖層20的氮化 鎵外延層30為(10-1-3)面取向；而生長(zhǎng)了氧化鋅緩沖層20的氮化鎵外延層30取向?yàn)?m(10-10)面取向，(如圖2所示)。這說(shuō)明氮化鎵外延層30的取向受到氧化鋅緩沖層20的 控制，而不是通過(guò)襯底IO直接形成。同時(shí)XRD搖擺曲線(xiàn)也表明生長(zhǎng)氧化鋅后氮化鎵的晶體 質(zhì)量較好，見(jiàn)圖3。
權(quán)利要求
一種氮化鎵生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上采用磁控濺射、脈沖激光沉積或MOCVD的方法，生長(zhǎng)緩沖層；步驟3在緩沖層上采用MOCVD、HVPE或者脈沖激光沉積、磁控濺射的方法，生長(zhǎng)外延層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中襯底的材料為SiC、藍(lán)寶 石、Si或者石英玻璃。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中緩沖層的材料為氧化鋅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中外延層的材料為氮化鎵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氮化鎵生長(zhǎng)方法，其特征在于，其中緩沖層的厚度為 20-5000nm。
全文摘要
一種氮化鎵生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上采用磁控濺射、脈沖激光沉積或MOCVD的方法，生長(zhǎng)緩沖層；步驟3在緩沖層上采用MOCVD、HVPE或者脈沖激光沉積、磁控濺射的方法，生長(zhǎng)外延層。本發(fā)明的氮化鎵生長(zhǎng)方法，可以實(shí)現(xiàn)氮化鎵材料的高質(zhì)量生長(zhǎng)和極性選擇以及低成本襯底的使用。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101728248SQ20081022410
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者曾一平, 李晉閩, 段瑞飛, 王國(guó)宏, 魏同波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所