[发明专利]一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，属于半导体技术领域。

背景技术

III族氮化物（包括氮化镓、氮化铝、氮化铝镓、氮化铟、氮化铟镓、氮化铟铝镓等），其禁带宽度可在0.7eV-6.28eV间调节，覆盖整个中红外、可见光和紫外波段。在光电子应用方面，如白光二极管（LED）、蓝光激光器（LD），紫外探测器等方面获得了重要的应用和发展。另外，作为第三代半导体代表之一的氮化镓（GaN）材料，具有直接带隙、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率，同时具有很高的热稳定性和化学稳定性，可用于制作高温、高频、大功率微波器件，如高电子迁移率晶体管（HEMT）、异质结双极晶体管（HBT）等。

氮化镓材料因为其具有较大的共价键能（E=9.12eV/atom），在熔点（2500℃）处的分解压很高（大约4.5GPa）。因此，氮化镓单晶很难用Czochralski 方法或Bridgman方法从同成分熔体中生长出来，制备高质量氮化镓体材料比较困难。在过去几十年中，由于氮化镓体材料的缺乏，绝大多数氮化镓基材料通过在异质衬底上外延获得，常用的异质衬底如：蓝宝石，碳化硅，砷化镓，硅等。由于这些异质衬底与氮化镓存在很大的晶格常数失陪和热膨胀系数差异，所以异质外延生长的氮化镓外延层中存在很大的应力和很多缺陷如位错等，进而影响了器件性能的提高。近年来，氮化镓同质衬底技术得到了快速发展，其中以氢化物气相外延（HVPE）技术最为成熟，市场上销售的高质量GaN衬底大多由HVPE方法获得。但该方法制备的GaN衬底仍有许多问题，比如：剩余应力大，翘曲严重，位错密度相对较高（大于10⁵cm^-2）等。同时，GaN衬底的后期抛光和清洗过程中，会在衬底表面引入Si、C、O等杂质，同质外延过程中，杂质离子扩散到外延层中，形成缺陷，影响同质外延材料的光电性质[Appl. Phys. Lett. 92, 133513 (2008)]。因此，在同质外延技术中，对GaN衬底表面进行高温处理，对进一步的提高外延材料的晶体质量，释放衬底的剩余应力以及避免衬底表面杂质离子的引入，具有十分重要的作用。

发明内容

本发明提出的是一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，其目的是克服现有技术所存在的缺陷，利用MOCVD设备原位刻蚀GaN衬底，制备高质量GaN外延材料，具有工艺简单、易推广应用。

本发明的技术解决方案：一种基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，包括如下步骤：

1）选择一氮化镓衬底，转移入MOCVD系统中；

2）在衬底上进行短时间快速刻蚀；

3）在快速刻蚀后进行长时间慢速刻蚀，在衬底表面形成六棱锥微结构；

4）侧向生长合并六棱锥微结构；

5）在上述合并后的薄膜层上继续生长高质量GaN外延层。

本发明的优点：通过高温的原位刻蚀技术，刻蚀深度达250nm，有效的去除了GaN衬底表面的污染杂质，该过程无需使用其他设备，经济简便；同时本方法中刻蚀过程分为两个阶段，能在GaN衬底表面刻蚀形成大量的六棱锥微结构，六棱锥结构侧向外延生长能有效降低位错密度、提高外延层晶体质量，并且彻底释放应力，消除衬底剩余应力对外延薄膜的影响。本发明方法简单易行，生长周期短，材料性能好，是实现GaN外延薄膜高质量、低成本生长的有效方法。

附图说明

图1 是本发明的一个实施例的工艺流程。

图2 是本发明原位刻蚀GaN衬底表面后形成的六棱锥微结构扫描电子显微镜图像。

图3 是本发明同质外延GaN薄膜的高强度X射线双晶衍射（002）晶面摇摆曲线。

图4 是本发明同质外延的高质量GaN外延薄膜在原子力显微镜下的表面形貌图像。

具体实施方式

基于原位刻蚀的氮化镓同质外延方法，分为以下四个阶段（如图1所示）：

1）快速刻蚀阶段：氢气（H₂）气氛下，高温刻蚀约1分钟，刻蚀速率5μm/h；

2）慢速刻蚀阶段：氢气和氨气的混合气体氛围下，高温刻蚀约30分钟，刻蚀速率500nm/h；

3）侧向外延阶段：通入反应源三甲基镓和氨气，在高温，低压，高V/III比条件下，侧向外延生长；

4）外延生长阶段：降低反应腔温度，升高压强，通入三甲基镓，以每小时1.5μm的生长速度生长外延层GaN薄膜，厚度2μm。