[发明专利]硅衬底上生长氮极性Ⅲ族氮化物半导体薄膜的制备方法

说明书

本发明公开一种硅衬底上生长氮极性III族氮化物半导体薄膜的制备方法，其包括以下步骤，步骤S1：在硅衬底上制备硅的共晶合金层；步骤S2：在硅的共晶合金层的表面生长氮极性的氮化铝层。该共晶合金层使得生长在其之上的III族氮化物薄膜优先按氮极性原子结构排布，从而控制薄膜生长的氮极性，实现在硅衬底上原位生长氮极性III族氮化物半导体薄膜及氮极性高电子迁移率晶体管。

技术领域

本发明涉及氮极性氮化物半导体材料的制备方法，具体涉及一种硅衬底上生长氮极性Ⅲ族氮化物半导体薄膜的制备方法。

背景技术

近年来，随着人们对氮极性氮化物材料研究的深入，发现在近紫外和深紫外发光器件中，氮极性材料更有利于制作p-n隧道结；在电子器件中，基于氮极性材料的高电子迁移率晶体管具有更高的器件性能和更好的尺寸微缩优势。因此，氮极性Ⅲ族氮化物半导体材料的制备受到人们广泛的关注。

目前氮极性Ⅲ族氮化物半导体薄膜多基于在氮化的蓝宝石的表面或碳面的SiC衬底上采用金属有机气相外延或分子束外延的方法直接生长得到。事实上，硅衬底由于具有更大尺寸、更低制造成本和兼容互补金属氧化物半导体（Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS）工艺的优势，已经成为制造Ⅲ族氮化物半导体电子器件的主流衬底。然而，在硅衬底上直接生长氮极性Ⅲ族氮化物半导体薄膜的方法鲜有听闻，主要挑战在于其薄膜极性难以控制。

发明内容

为了解决难以在硅衬底上生长氮极性Ⅲ族氮化物半导体薄膜的问题，发明人在进行研究和实验的过程中偶然发现生长在硅的共晶合金层上的Ⅲ族氮化物薄膜可以表现出氮极性特性。因此，发明在硅衬底上引入了硅的共晶合金层，以解决难以在硅衬底上生长氮极性Ⅲ族氮化物半导体薄膜的问题。

为此，根据本发明的一个方面，提供了硅衬底上生长氮极性Ⅲ族氮化物半导体薄膜的制备方法，其包括以下步骤：

步骤S1：在硅衬底上制备硅的共晶合金层；

步骤S2：在硅的共晶合金层的表面生长氮极性的氮化铝层。

由于发明人发现在硅的共晶合金层上生长Ⅲ族氮化物半导体薄膜时，其薄膜极性表现为氮极性。因此，在硅衬底上引入了硅的共晶合金层，然后在该共晶层上沉积氮化铝，即可得到氮极性的氮化铝层。

在一些实施方式中，步骤S1和步骤S2均可通过金属有机气相外延（Metal-OrganicVapor Phase Epitaxy，简称MOVPE）或者分子束外延（Molecular beam epitaxy，简称MBE）方法在同一反应炉内连续进行。

在本发明中，硅的共晶合金层的生成，以及氮极性的氮化铝层的生长均可在MOVPE反应炉或者MBE反应炉中原位进行，制备效率高，制备工艺简便易行。

在一些实施例中，步骤S1实现为包括：

步骤S11：对硅衬底的表面进行氮化，在硅衬底的表面生成SiN_x层；

步骤S12：在SiN_x层的表面生长硅的共晶合金层。

由于在硅衬底上直接生长硅的共晶合金层时，会因为硅衬底中的硅原子扩散，导致其共晶合金中硅的含量无法精确控制，从而无法有效控制生长在其之上的Ⅲ族氮化物薄膜的极性。为此，发明人进行了大量的研究和实验，发现在硅衬底和硅的共晶合金层之间引入一SiN_x薄层，可有效减少免衬底中硅原子扩散对共晶层的影响，并提供较为平整的初始生长表面和对共晶层中硅含量的精确控制，从而有利于对极性的精确调控和形成更好的氮化铝结晶质量。

在一些实施例中，SiN_x层的厚度为1nm-2nm。