[发明专利]一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法

说明书

本发明公开了一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法，包括如下步骤：步骤S1、硅衬底的表面清洁；步骤S2、碳化硅中间层的生长；步骤S3、氮极性III族氮化物半导体层的生长，其中：所述硅衬底的上表面为（111）晶面、（100）晶面或（110）晶面的一种，所述硅衬底的表面清洁包括硅衬底的表面清洗，以及在≥1000supgt;o/supgt;C下通入Hsubgt;2/subgt;进行的表面处理。本发明的优点在于：在硅衬底上生长晶格常数匹配III族氮化物半导体层的碳化硅中间层，且通过控制生长条件可在碳化硅中间层的表面形成碳悬挂键，并搭配后续III族氮化物半导体层的生长调控，在氮气氛富集的环境下进行生长，从而可以同时实现III族氮化物半导体层的高晶体质量和氮极性。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体层的方法。

背景技术

III族氮化物半导体材料是近年来非常热门的研究领域。以GaN、AlGaN和InGaN为主的GaN基材料所制备的发光二极管（LED），在照明和显示领域已经取得广泛的应用。另外由于GaN/AlGaN基材料的极化效应作用可形成高浓度二维电子气，从而非常适合应用于各类电力电子和高频微波器件。以上各类半导体器件中所用到的III族氮化物半导体材料的晶体结构类型为六方纤锌矿结构，在沿常规的c面法线方向生长的纤锌矿结构的晶体可以具有两种不同的原子堆垛类型。一种是金属极性晶体的生长，其表面形成为金属悬挂键，另一种是氮极性晶体的生长，其表面形成为氮悬挂键。

由于金属极性和氮极性的III族氮化物半导体材料的原子排列方式不同、极化电场方向相反，从而具有不同的物理化学性能。目前的GaN基发光二极管（LED）和GaN基高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）普遍是在金属(镓)极性面上实现的，但是大量研究者从理论和实验结果证明氮极性GaN基LED和氮极性GaN基HEMT具有诸多优良特性，因此近年来氮极性GaN基材料的制备研究获得了越来越多研究人员的关注。

大量研究发现，GaN晶体生长的极性类型与衬底材料类型、以及初始晶体生长时的生长条件有明显的关联性。例如在GaN衬底和碳化硅衬底上的GaN外延生长，由于GaN晶体与衬底材料的晶格失配度非常小（GaN与碳化硅的晶格失配度为3.5%），从而衬底的极性类型能够主导后续所外延生长的GaN晶体的极性类型，因此使用氮极性GaN衬底和碳极性碳化硅衬底即可以轻易获得氮极性GaN晶体（参照下列文献：1. Zauner, A. R. A. et al.Journal of Crystal Growth 240, 14–21 (2002). 2. Sasaki, T.  Matsuoka, T.Journal of Applied Physics 64, 4531–4535 (1988).）。但是要使用晶格失配度比较大的蓝宝石衬底（GaN与蓝宝石的晶格失配度为13.8%）实现氮极性GaN晶体的生长，需要调控晶体初始生长条件（例如氮化处理）以实现衬底表面存在氮气氛的富集，从而在衬底表面存在氮悬挂键的基础上生长出的GaN晶体的原子堆垛类型可以实现氮极性（参照以下文献：Sumiya, M. et al. Journal of Applied Physics 88, 1158–1165 (2000).）。进而若要在具有更大晶格失配度的硅衬底（GaN与硅的晶格失配度为21%）上实现氮极性GaN晶体的生长，目前还未有有效方法。只有部分研究者通过用大量镁掺杂将镓极性GaN晶体转换为氮极性GaN晶体，并实现了在硅衬底上的氮极性GaN基HEMT器件（参照以下文献：Keller, S. etal. Applied Physics Letters 97, 142109 (2010).），但是这一极性转换的方法存在转换不完全、晶体表面形貌改变、以及晶体质量变差等问题。

基于硅衬底的半导体器件具有明显的成本和集成化优势，是GaN基LED和GaN基HEMT等器件衬底的最优选择，然而由于硅衬底和GaN基晶体存在巨大的晶格失配，从而目前还难以实现高晶体质量的氮极性GaN基半导体层的生长。

发明内容

（一）解决的技术问题