[发明专利]消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，尤其是一种消除GaN厚膜材料表面 由于抛光等原因带来的表面缺陷的方法。

背景技术

近年来，以GaN及InGaN、AlGaN等合金材料为主的宽带隙III族氮化物半导体因其具有 连续可调的直接带隙、高电子饱和漂移速度、强击穿电场和高热导率等优异材料性能而成为 新型半导体光电子器件和高频高功率器件等应用领域的优选材料。各种相关技术与应用发展 迅速。

由于材料是器件的基础，提高GaN材料的晶体质量始终是GaN技术发展的主要攻关方向 之一。目前，GaN材料主要是利用金属有机源化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)等 方法生长在异质衬底上(如：蓝宝石、碳化硅和硅)。由于GaN和异质衬底之间的晶格失配较 大，所生长的GaN材料往往具有很高的缺陷密度，如位错密度可达到10⁸-10¹⁰每平方厘米。高 缺陷密度会严重影响GaN基器件的性能和可靠性，已经逐渐成为限制GaN基器件技术进一步 发展的瓶颈。

近年来，通过发展氢化物气相外延(HVPE)或其它高温高压技术，人们已经能够制备出具 有低缺陷密度的GaN厚膜材料衬底，并将其逐渐推广到器件应用。基于GaN厚膜材料衬底和 相应同质外延薄膜的各种器件也表现出了优异的性能。

但是，目前GaN厚膜材料技术尚处于发展的初期阶段，工艺不够成熟。其中GaN厚膜材 料应用的突出问题是：GaN厚膜材料在制备过程中，需要对其进行表面抛光(化学、机械或 化学机械抛光)以提高表面平整度；而抛光过程往往会在GaN厚膜材料表面或表面以下 (sub-surface)形成大量的损伤及缺陷态，如图1所示，一片经过抛光处理后的GaN厚膜材 料的表面扫描电子显微镜(SEM，左)和阴极射线(CL，右)扫描照片。从SEM照片可见：经 过抛光的GaN厚膜材料表面十分平滑；但在同一表面区域获得的CL照片则显示：在GaN厚膜 材料表面附近及以下实际存在大量的划痕状缺陷，即图中的暗色条纹。研究表明这些缺陷是 在抛光过程中由于机械损伤而形成的。由于缺陷在晶体生长过程中的传递作用，GaN厚膜材 料的表面缺陷会对后续外延生长过程产生非常不利的影响，造成同质外延薄膜晶体质量不高 等问题。

因此，在进行同质外延生长之前，必须对GaN厚膜材料表面进行必要的处理，减少或消 除GaN厚膜材料的表面缺陷，才能保证同质外延GaN薄膜的晶体质量。

发明内容

本发明提供一种消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法，工艺简单、有效。

所述消除GaN厚膜材料表面缺陷的方法为：将GaN厚膜材料置于含氢气和氨气的混合气 体气氛中，进行退火处理。

其中，混合气体气氛中，氢气体积百分比为0.1％-99.9％，氨气体积百分比为0.1％-99.9％， 退火处理在气压为1K～1M Pa的混合气体气氛中进行。

退火处理的温度为500～1500℃，时间为5秒到500分钟，视GaN厚膜材料表面损伤程 度而定。

GaN厚膜材料厚度为5～1000微米之间时，特别适用于本发明。

退火处理是在同质外延生长以前，将GaN厚膜材料原位放置在外延设备(如：MOCVD)的 生长腔体中或置于专门的退火装置(如退火炉)中进行，退火结束后可继续进行同质外延生 长等后续工艺，也可取出样品暂存待用。

本发明的基本原理如下：首先，虽然GaN材料本身在高温下可以分解，但分解速率非常 缓慢；而氢气(H₂)的存在则可在高温下诱导GaN表面加速分解，从而可以把GaN厚膜材料 的表面损伤层通过材料分解的方法去除掉；GaN分解形成的Ga原子一般会在材料表面积累， 必须及时去除或转换；混合气体中的氨气(NH₃)则可与GaN厚膜材料表面析出的Ga原子结 合，在材料表面重新生成GaN晶体。在这个分解与重新结晶的过程中，GaN厚膜材料表面的 缺陷与抛光损伤会被逐步消除，材料内部原来可能存在的应力也可得到一定程度的释放。此 外，退火气氛中氨气的存在还可以实现通过氮(既NH₃高温裂解形成的氮成分)分压来调节 GaN的分解及结晶速率(氮分压越高，GaN分解越慢，结晶越快)，加强对整个表面缺陷消除 过程的可控性。