[发明专利]一种氮化物材料的外延方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是为了低成本实现高质量氮化物外延结构材料的生长而设计的一种生长方法，可以结合金属有机物氢化物气相外延(MOHVPE)或者独立卤化物源金属有机物化学气相沉积(SHMOCVD)实现。

背景技术

氮化物多元系材料的光谱从0.7ev到6.2ev，可以用于带间发光，颜色覆盖从红外到紫外波长，在光电子应用方面，如蓝光、绿光、紫外光发光二极管(LED)、短波长激光二极管(LD)，紫外探测器、布拉格反射波导等方面获得了重要的应用和发展。另外氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率、优异的物理化学稳定性等优异性能，在微电子应用方面也得到了广泛的关注，可以制作高温、高频和大功率器件，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。由于氮化物材料在某些波段的发光基本不受材料缺陷的影响，近些年来氮化物基的发光二极管照明迅猛发展，LED大量应用于显示器、照明、指示灯、广告牌、交通灯等，在农业中作为加速光合成光源，在医疗中作为诊断和治疗的工具。

但是由于氮化物材料的特殊性质，采用传统的单晶生长方法很难生长出体单晶；使用异质衬底，如蓝宝石、SiC、Si等存在着由于晶格失配和热失配带来的外延材料缺陷密度大等的问题，这一结果极大的影响了GaN系材料在微电子领域、激光器领域和紫外LED领域等的实用化进展。在常规III-V族化合物半导体中降低外延层缺陷密度效果非常明显的缓冲层在GaN系材料的生长中效果并不明显，生长2-3微米缓冲层并不能够显著降低缺陷密度。最近氢化物气相外延(HVPE)生长厚膜GaN的实验表明，生长20微米以上的GaN可以显著降低缺陷密度，而且随着厚度的增加，缺陷密度还将逐步下降。常规的分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等氮化物外延手段由于其生长速率低很难应用于生长非常厚的外延层，而利用氢化物气相外延的高生长速率和较高结晶质量可以实现氮化物材料的厚膜生长。

但是HVPE由于生长速度和热壁反应炉等的限制，其成核层往往很难做到很高的质量，需要借助MOCVD生长的氮化物模板等才能够真正实现高质量厚膜的生长，使得HVPE对于MOCVD有较大的依赖性；同时HVPE生长速度对于生长精细的器件结构来说又显得过快，这时有要利用MOCVD的高精度控制来实现，这也是人们开发和设计金属有机物氢化物气相外延(MOHVPE)或者独立卤化物源金属有机物化学气相沉积(SHMOCVD)的原因。

另外，限于异质外延GaN的临界厚度较小(如蓝宝石上GaN的临界厚度小于8微米)，要生长超过20微米的GaN就需要横向外延等手段，这时有需要对MOCVD生长的氮化物外延膜进一步处理才行，这样导致HVPE生长GaN厚膜生产成本大幅增加，生产效率显著降低，另外这种二次外延还使得氮化物材料生长受污染的几率极大增加。要想实现厚膜GaN的一次生长，必须在衬底上实现外延材料的应力释放，这样就可以在初始的衬底上形成应力释放层，或者是形成能够横向外延的结构，目前应用于高亮度LED中的图形衬底就是一种横向外延结构，只是它主要被用于提高发光，而本发明中采用它来释放应力。

发明内容

本发明的目的是设计一种高性能氮化物材料的低成本外延方法，解决HVPE、MOCVD等设备尤其是结合了HVPE和MOCVD的MOHVPE或者SHMOCVD设备用于生长高质量氮化物外延材料的生长工艺问题，从而降低氮化物外延材料的生产成本并提高外延结构的材料质量。

本发明提出的高性能氮化物材料的低成本外延方法，包括：

采用图形衬底或者应力释放层作为衬底；

采用金属有机物化学气相沉积模式生长成核层；

采用氢化物气相外延模式生长铝镓铟氮缓冲层；

采用金属有机物化学气相沉积模式生长光电子材料的器件结构。

进一步，所述图形衬底是图形化的蓝宝石衬底，或硅衬底，或碳化硅衬底，或铝酸锂衬底。

进一步，所述应力释放层是具备释放异质外延应力结构的衬底。

进一步，所述成核层是氮化铝或者氮化镓的低温成核层和初始氮化物薄层材料。

进一步，所述成核层和薄层氮化物由金属有机物化学气相沉积生长，作为后续的氢化物气相外延生长成核层。

进一步，所述光电子器件是利用金属有机物化学气相沉积精确控制的生长模式在作为后续的氢化物气相外延生长的缓冲层上实现的。