[发明专利]一种在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料和器件领域，具体涉及一种在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的方法。

背景技术

以GaN、AlN等为代表的III族氮化物半导体材料具有优良的光电特性和稳定的物化特性，在制作发光二极管以及高频大功率电子器件和大功率开关器件中具有广泛的应用。但是在其制备过程中缺乏可实用化的同质衬底，目前III族氮化物半导体材料大多外延生长在其它衬底材料上，如蓝宝石、SiC、硅衬底等。

硅衬底面积大，价格便宜，是一种理想的衬底材料。但是，由于硅衬底的化学性质较为活泼，在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的初始阶段时，硅衬底表面与所用氮源发生非故意反应而形成无定形氮化硅，这都会使硅衬底原有的晶体结构恶化，致使III族氮化物半导体材料的生长受到影响。其次，在外延生长的过程中，由于晶格失配的存在，所得的III族氮化物半导体材料中通常会产生大量位错。此外，在高温外延生长结束后的降温过程中，由于硅衬底和III族氮化物半导体材料的热膨胀系数差别较大，III族氮化物半导体外延层将承受很大的应力，这会使外延层产生裂纹。除此以外，还存在外延层和衬底之间的互扩散等问题。

为了在硅衬底上获得高质量的III族氮化物半导体材料，近年来，研究人员采用分子束外延技术发展出了硅衬底故意氮化技术，即在外延开始阶段，仅通入氮源对硅衬底进行氮化，通过控制工艺参数，在其上获得了六方相晶态Si₃N₄薄层。以此Si₃N₄薄层作为过渡层，可避免无定形氮化硅的产生，这使得在其上生长的III族氮化物半导体材料的晶体质量与发光性能都有所提高。尽管如此，Si₃N₄薄层的存在对后续生长的半导体材料质量仍有较大影响，而且由于晶态Si₃N₄与III族氮化物半导体之间仍然存在较大的晶格失配，无法根本解决晶格失配的问题。此外，由于晶态Si₃N₄的厚度通常小于10nm，因此对热失配应力的影响也微乎其微。

发明内容

为克服现有的在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体的技术缺陷，本发明的目的是提供一种在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的方法。

本发明提供的在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的方法，包括以下步骤：

S1：在所述硅衬底表面形成0.1～50nm的晶态Si₃N₄层；

S2：在500～1500℃的温度下通入铝源，将所述晶态Si₃N₄层转化为AlN成核层；

S3：在所述AlN成核层上外延生长III族氮化物半导体材料。

上述技术方案中，所述S1步骤为：将所述硅衬底置于外延反应室中，升温至700～1000℃去除其表面的自然氧化层，然后将温度控制为300～1000℃，通入氮源使硅衬底表面形成晶态Si₃N₄层。

上述技术方案中，所述氮源为氮气、氨气、氮气等离子体或氨气等离子体。

优选地，所述S1步骤中，将温度控制在500～900℃，通入氮源使硅衬底表面形成晶态Si₃N₄层。

上述技术方案中，步骤S2所述铝源为金属铝蒸气、二甲基铝或三甲基铝。

优选地，所述步骤S2中，在800～1500℃的温度下通入铝源。

上述技术方案中，步骤S3所述外延方法为金属有机物气相外延法、分子束外延法、化学气相沉积法、氢化物气相外延法或原子层沉积法。

上述技术方案中，所述III族氮化物半导体材料的厚度为1nm～100μm。所述III族氮化物半导体材料优选为GaN或AlN。