[发明专利]一种在蓝宝石上外延GaN层的方法有效

专利信息
申请号: 201911117648.6 申请日: 2019-11-15
公开(公告)号: CN110938869B 公开(公告)日: 2020-12-15
发明(设计)人: 刘新科;刘治文;高博 申请(专利权)人: 深圳第三代半导体研究院
主分类号: C30B29/40 分类号: C30B29/40;C30B25/18;H01L21/02
代理公司: 北京中知法苑知识产权代理有限公司 11226 代理人: 阎冬
地址: 518055 广东省深圳市*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 一种 蓝宝石 外延 gan 方法
【说明书】:

发明公开了一种在蓝宝石上外延GaN层的方法,属于半导体技术领域。包括步骤1:对蓝宝石衬底进行预处理腐蚀,步骤2:在蓝宝石衬底上用化学气相沉积法(CVD)生长MoS2缓冲层,采用MoO3作为钼源,硫粉作为硫源;步骤3:利用NH3为氮源,TMGa为镓源,进行金属有机物化学气相沉积(MOCVD),在MoS2缓冲层上生长二维GaN薄膜;步骤4:利用AFM和PL表征GaN外延层。本发明采取强酸强碱并提高腐蚀温度的方法对蓝宝石衬底进行加工,以实现GaN薄膜的横向外延生长机制,同时选用与GaN晶格匹配的MoS2薄膜作为缓冲层,使得生长出低位错密度、无裂纹、原子级光滑表面具有外延层GaN。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种在蓝宝石上外延GaN层的方法。

背景技术

GaN即氮化镓,属第三代半导体材料,六角纤锌矿结构。GaN具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性,是现在世界上人们最感兴趣的半导体材料之一。氮化镓基材料在高亮度蓝、绿、紫和白光二极管,蓝、紫色激光器以及抗辐射、高温大功率微波器件等领域有着广泛的应用潜力和良好的市场前景。

每种新器件的诞生,都依赖于薄膜生长技术的发展。随着分子束外延(MBE)生长技术的日渐成熟和完善,为新一代半导体器件所需的微结构材料的生长,提供了必要条件,对推动新一代半导体技术的发展起了重要作用。由于缺乏与之匹配的衬底材料,外延GaN主要都是在异质衬底上进行,在其它衬底上多采用异质外延生长的方法,以MBE、MOCVD异质外延生长技术为主。选择的异质衬底主要材料为蓝宝石、SiC、Si、GaAs、GaP等。

蓝宝石是外延GaN薄膜的最为普遍的一种衬底材料,其结构为六方结构和斜方结构。作为衬底材料,蓝宝石具有高温下化学稳定,容易获得大尺寸,以及价格便宜等优点。其缺点是它与GaN之间存在着较大的晶格失配(16%)和热膨胀失配,大的晶格失配导致在GaN外延层中产生很高的位错密度(10cm-2量级),而高的位错密度降低了载流子迁移率和少数载流子寿命,降低所制备器件的工作性能;而热失配会在外延层冷却过程中产生应力,从而导致裂纹的产生,最终降低产品性能。因此,本发明提出一种利用单层MoS2作为外延生长GaN以及蓝宝石衬底之间的缓冲层的方法缓解GaN材料与异质衬底之间的失配。由于MoS2是二维材料,层间结合力是较弱的范德瓦尔斯力,同时MoS2的晶格常数为a=b=3.19,和GaN(a=b=3.18)的非常接近,因此会极大的降低失配应力对GaN外延层的影响,提高GaN外延层结晶质量。

发明内容

本发明的主要目的是应用单层MoS2缓冲层实现在蓝宝石上高质量外延GaN层的MOCVD生长。由于MoS2缓冲层与蓝宝石衬底以及GaN外延层之间的作用力较弱,为范德瓦尔斯力(分子间作用力)。因此,相比于传统的缓冲层,利用MoS2作为缓冲层可更有效的缓解衬底与外延层之间的失配,有利于在蓝宝石衬底上生长出具有低位错密度、无裂纹、原子级光滑表面的GaN外延层,为氮化镓的在蓝宝石上生长的进一步发展和应用提供了新的途径。具体发明内容如下:

一种在蓝宝石上外延GaN层的方法,包括以下步骤:

步骤1:对蓝宝石衬底进行预处理腐蚀,取适量浓H3PO4溶液倒入烧杯,使用加热炉升温加热腐蚀液至200℃以上,用耐高温温度计测量腐蚀液温度,待浓H3PO4溶液温度达到270±10℃并基本保持稳定后,确定腐蚀时间变化区间为30~60min。

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