[发明专利]半导体材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种半导体材料的制备方法。 

背景技术

材料质量是器件性能的关键：虽然GaN材料和GaN基发光二极管已经是大规模的产业化技术，其市场规模达到百亿美元以上；但是，现有的用于GaN基发光二极管制造的GaN晶体薄膜生长技术并不能直接移植于GaN功率电子器件的制造。这是因为GaN功率电子器件不同于GaN发光二极管等低电压器件，对GaN外延层的晶体质量有更加苛刻的要求(GaN功率电子器件的工作电压在几百伏以上；GaN发光二极管的工作电压一般在±5伏内)。 

目前，市场上以发光二极管为主的GaN器件基本上都是生长在异质衬底上(90％以上是蓝宝石衬底，其余是碳化硅和少量的硅衬底)，受大晶格失配(＞10％，见图1)和外延生长中热膨胀失配的影响，所生长的GaN外延层具有较高的缺陷密度，其中位错密度一般在10⁸-10¹⁰cm^-2量级以上。已有的实验证据表明：GaN中的大部分缺陷是非辐射复合中心，是漏电通道，可以使GaN器件具有较大的漏电流，并且在远低于GaN临界电场的条件下被击穿(见图2a-图2c)。 

在以往的基础和产业化研究中，人们已经认识到单纯依靠外延生长条件的优化只能有限地提高GaN外延层中的晶体质量，例如：将GaN薄膜中的位错密度从常见的10⁹-10¹⁰cm^-2降低到10⁸cm^-2量级。这种质量改善的GaN外延薄膜对发光二极管应用非常有意义，可以有效提高发光二极管的发光效率和可靠性，但仍然不能满足高功率电子器件应用对材料晶体质量的严格要求。因此，面向GaN高功率电子器件应用，人们需要开发新型的外延生长方法来大幅度地降低GaN外延薄膜中的缺陷密度。 

目前，一种已有的可大幅度降低GaN外延薄膜中缺陷密度的方法是GaN横向外延生长(Lateral Epitaxial Overgrowth，LEO)技术。LEO生长技术的大致过程是：在已经生长了一定厚度的GaN层上淀积介质层(常用材料为PECVD生长的SiOx或SiNx)，并通过光刻和刻蚀的方法制备出相比于衬底晶向具有特定朝向的条纹状掩膜(mask)；之后，继续进行外延生长：GaN就会 选择性地在mask的窗口区向上生长，当到达掩膜高度时就会发生侧向横向生长，直到两侧横向生长的GaN汇合成平整的薄膜。LEO技术可大致降低GaN外延层中位错密度3-4个数量级，其作用原理是：由于在高温的外延生长环境中GaN在SiOx或SiNx上的粘滞系数几乎为0，GaN在mask窗口区的淀积速度要比在SiOx或SiNx掩膜介质上高得多；当GaN越过窗口区发生横向生长后，掩膜区的位错会被介质层截断而消失，而窗口区的部分位错会向横向生长区弯曲90度，也不能到达GaN外延薄膜表面。这样，LEO GaN外延层中的位错密度就可以大大降低。利用LEO技术来大幅度提高GaN材料的晶体质量是成功的，已经被利用来制备GaN基激光器；但该技术有一个突出的问题，就是工艺非常复杂：制备过程中需要中断外延生长、淀积介质膜、光刻、刻蚀、二次生长等，导致制备成本过高(增加2-3倍)，难以大规模推广。 

虽然由于制备成本问题，LEO技术在产业化领域的应用非常有限，但其横向外延的作用原理却非常清晰，给人们发展改进的低成本LEO技术提供了思路。 

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的是提供一种半导体材料的制备方法，能够大幅度降低GaN外延层中的缺陷密度，实现高晶体质量GaN薄膜的低成本外延生长。 

为了解决上述难题，本发明采取的方案是一种半导体材料的制备方法，所述的方法包括以下步骤： 

A)选择初始衬底，将初始沉底放入金属有机化合物化学气相沉淀装置中对其外表面进行预处理； 

B)采用金属有机化合物化学气相沉淀法，初始衬底的外表面外延生长形成初始GaN层； 

C)暂停GaN的外延生长，在初始GaN层表面上原位淀积形成一具有孔状结构的SiNx介质薄膜层； 

D)采用金属有机化合物化学气相沉淀法继续GaN的外延生长，GaN先从SiNx介质薄膜层的孔中外延长出后，GaN再横向外延生长直至覆盖初始GaN层的外表面直至形成GaN外延层。 

优选地，在步骤A)中，所述初始衬底的材料为包括但不局限于蓝宝石、 碳化硅或硅衬底中的一种。 

优选地，在步骤A)中，所述初始GaN层的厚度为0.5-3.0微米。