[发明专利]硅衬底上以三族氮化物为主材的半导体晶体生长方法及器件

说明书

技术领域

一种硅衬底上以三族氮化物为主材的半导体晶体生长方法及器件，具体地说，是关于用金属有机物化学气相外延法(以下简称MOCVD方法)在硅衬底上生长三族氮化物半导体的晶体的方法及器件。属于半导体材料及器件技术领域。

背景技术

近年来，为制备高效率，高亮度的绿，蓝，紫及紫外发光二极管(简称LED)和激光器，三族氮化物半导体材料受到极大的关注和研发。而作为生长三族氮化物半导体材料的方法，MOCVD方法得到广泛的应用。

目前在一个典型的MOCVD生长过程中，三族氮化物半导体材料一般是外延生长在异质的蓝宝石(sapphire)衬底上。但是，由于蓝宝石是一种高硬度的绝缘体物质，在蓝宝石上制作三族氮化物半导体器件是一件很不简单的事情。为克服这一缺点，硅作为一种高质量，大尺寸，低成本及具有与其它光电子器件集成能力的材料，已经被提议用作生长三族氮化物半导体材料及器件的衬底。然而，因为在三族氮化物半导体材料和硅衬底之间，存在着巨大的晶格常数和热膨胀系数的不匹配，在硅衬底上生长三族氮化物半导体材料确实是一件更加困难的事情。为了解决这一难题，在过去的十年里，人们尝试了在硅衬底和三族氮化物半导体材料之间加入多种不同的缓冲中间层材料。其中包括非晶硅及多重缓冲层的复合体(参见参考文献当中的美国专利6,524,932和论文Appl.Phys.Lett.Vol.74，1999，pp.1984-1986)，氮化铝(美国专利5,239,188及5,389,571和论文Appl.Phys.Lett.Vol.72，1998，pp.415-417)，碳化硅(论文Appl.Phys.Lett.Vol.69，1996，pp.2264-2266)，氮化的砷化镓(论文Appl.Phys.Lett.Vol.69，1996，pp.3566-3568)，氧化的砷化铝(论文Appl.Phys.Lett.Vol.71，1997，pp.3569-3571)，以及嘎玛相的氧化铝(论文Appl.Phys.Lett.Vol.72，1998，pp.109-111)。特别是，通过采用氮化铝作为缓冲中间层和MOCVD外延技术，最近有人报导已成功地在硅衬底上长出了三族氮化物半导体蓝色发光二极管(论文Appl.Phys.Lett.Vol.80，2002，pp.3670-3672)。但是，该蓝色发光二极管的起动电压及亮度，都还达不到用MOCVD外延技术生长的蓝宝石基蓝色发光二极管的水平。这主要是因为氮化铝是一种绝缘材料，导致高起动电压。另外也因为硅衬底本身会吸收发光二极管发出的从绿色到紫外色的光，导致亮度变小。为了解决这一问题，最近有人尝试用二硼化锆(ZrB₂)单晶体作为衬底，来生长三族氮化物半导体材料(论文Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40，2001，pp.L1280-L1282)。与氮化铝和硅相比，二硼化锆具有与氮化镓非常接近的晶格常数和相当良好的导电性。尤其是二硼化锆对从绿色到紫外色的光具有100％的反射率，因而被认为是一种理想的衬底材料，用于生长三族氮化物半导体材料。然而，制备二硼化锆单晶体需要在极端的高温条件下(大于1,700℃)，且单晶体的直径通常小于1厘米。所以在目前情况下，二硼化锆单晶体还并不能够替代蓝宝石或硅来作为生长三族氮化物半导体的衬底材料。因此，为了提高三族氮化物半导体的晶体品质和制作高质量的发光二极管，激光器等光电器件，我们有必要进一步改善三族氮化物半导体的晶体生长方法。

发明内容

本发明的目的是在针对上述存在的问题，和提供三族氮化物半导体材料和相关器件的生长方法的目的下作出的。三族氮化物半导体材料是生长在高质量，大尺寸，低成本(与蓝宝石，碳化硅或二硼化锆相比)的硅衬底上，可以发射和探测波长范围从绿色到紫外色的光，并可运用成熟的器件制备工艺流程生产，还具有与其它光电子器件共同集成在同一个硅晶片上的潜在应用能力。

本发明的另一目的是提供硅基三族氮化物半导体材料的晶体生长方法和相关器件的制作方法，制备高质量的p型和n型半导体薄层，以形成优良的p-n结，用于生产低起动电压，高输出功率(高亮度)的优质三族氮化物半导体发光器件，激光器，光探测器，场效应三极管和其它光电子器件。

本发明的技术方案：所提供的晶体生长方法，硅衬底上的三族氮化物为主材的半导体的晶体生长步骤为：

将(111)面硅衬底放入MOCVD反应炉，在氢气氛围中，加热至高温(在900℃以上)，热处理至少10分钟；