[发明专利]一种氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可在高输出、低电压中驱动的高品质氮化镓基板的制作方法，即在多层结构的各个层改变其生长方式来获得电位缺陷密度低、结晶度高的氮化镓基板。

背景技术

近来，氮化镓(GaN)半导体不仅适用于发光元件，而且还广泛适用于电力半导体。这是因为它可以大大提高逆变器和转化器等电力变换器的效率并且可实现小型化。另外，因氮化镓(GaN)具有较宽的带隙(3.4eV)、较高的破坏绝缘电压、较宽的临界磁场、较高的热传导率等突出的性能，其氮化镓元件可在高压、高交换频率中运作以及针对高功率的密度可提供良好的输出效率而适用于高性能电机。

如上所述，为使氮化镓半导体适用于半导体元件，它必须是以结晶缺陷较少的单晶形态生长的，结晶缺陷尤其会对元件的特性和寿命造成负面的影响。

一般来说，氮化镓是在互不相同的异种基板上生长的，所以基板与氮化镓膜之间的晶格失配(lattice mismatch)以及热膨胀系数(coefficient of thermal expansion：CTE)差异会引发氮化镓膜内部的缺陷。这种缺陷会使所生长氮化镓的结晶度低下，因此为了缓和这种现象，都在致力于研究各种各样缓冲层。

对此，近来为了降低蓝宝石基板上所生长的氮化镓膜的电位缺陷密度，ELOG(Epitaxial Lateral Overgrowth)技术、侧向生长氮化镓的VAS(Void-Assisted Separation)技术等被开发并适用。此类方式是初期在蓝宝石基板上生长氮化镓膜后，使用SiO₂等面具来进行纹样刻制(patterning)并继续氮化镓的生长。但是，上述的缓冲层必然会伴随工序的增加，继而会影响到整个工艺的效率。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种可以缓和在氮化镓厚膜基板制作过程中产生的缺陷的缓冲层结构。

为了解决上述问题，本发明提供了一种氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1)：在生长温度为900～1000℃，反应管内部为正压且V/III ratio为10～80的条件下，在蓝宝石基板上生长第一氮化镓缓冲层；

步骤2)：在生长温度为900～1000℃，反应管内部为负压且V/III ratio为2～10的条件下，在步骤1)制得的第一氮化镓缓冲层上生长第二氮化镓缓冲层；

步骤3)：在步骤2)制得的第二氮化镓缓冲层(3)上，交替重复步骤1)和步骤2)，使第一氮化镓缓冲层(2)与第二氮化镓缓冲层(3)反复交替生长，得到氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构。

优选地，所述第一氮化镓缓冲层是经过以垂直生长为主的3次元生长形成的。

优选地，所述第二氮化镓缓冲层是经过以侧面生长为主的2次元生长形成的。

优选地，所述步骤3)中的交替重复步骤1)和步骤2)具体为：第一氮化镓缓冲层、第二氮化镓缓冲层交替生长，各生长2～10次，且两者的层数相同。

优选地，所述步骤1)的中正压具体为750～800torr；生长时间为1～5分钟。

优选地，所述步骤2)中的负压具体为700～750torr；生长时间为1～5分钟。

优选地，在1000～1040℃的生长温度下，可在所述步骤3)制得的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构上生长氮化镓厚膜。

进一步地，所述氮化镓厚膜的厚度至少300μm。

本发明的原理说明：较低的内部压力(负压＜760torr)

反应管内部的压力小于大气压时，将氨气(NH₃)的流量固定在100～4000sccm并调整氯化氢气体(HCl)来确认氮化镓的生长。在上述条件下，若氯化氢气体的流量大(即V/III ratio低)，那么氮化镓结晶是镓饱和(Ga rich)状态，而镓饱和状态会阻碍到氮化镓膜的单晶结晶度。，若氯化氢气体的流量小(即V/III ratio高)，那么生长率会较低，其2次元生长(2dimension growth)占优势形成侧面生长，因此结晶度会提高。

较高的内部压力(正压＞760torr)