一种在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103255389A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103255389103255389A(43)申请公布日2013.08.21(21)申请号201310145404.5(22)申请日2013.04.24(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区清华园北京100084-82信箱(72)发明人郝智彪胡健楠钮浪汪莱罗毅(74)专利代理机构北京路浩知识产权代理有限公司11002代理人王朋飞(51)Int.Cl.C23C16/34(2006.01)C30B25/18(2006.01)H01L21/20(2006.01)H01L21/02(2006.01)权权利要求书1页利要求书1页说明书4页说明书4页附图2页附图2页(54)发明名称一种在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的方法(57)摘要本发明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，首先在硅衬底表面形成晶态Si3N4层；然后通入铝源将晶态Si3N4层转化为AlN成核层；最后在AlN成核层上外延生长III族氮化物半导体材料。本发明提供的生长方法通过将硅衬底表面氮化形成晶态Si3N4层再铝化形成AlN成核层，解决了硅衬底与III族氮化物半导体材料之间晶格失配的问题，在硅衬底上实现了高质量III族氮化物半导体材料的外延生长。本发明提供的生长方法工艺简便、操作简单，在一个反应室即可完成整个外延生长过程，具有大规模应用的前景。CN103255389ACN1032589ACN103255389A权利要求书1/1页1.一种在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氮源为氮气、氨气、氮气等离子体或氨气等离子体。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2所述铝源为金属铝蒸气、二甲基铝或三甲基铝。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，在800～1500℃的温度下通入铝源。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述III族氮化物半导体材料的厚度为1nm～100μm。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶态Si3N4层的厚度为0.5～20nm，优选1～10nm。10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述硅衬底的横向尺寸为1～20英寸，晶面为（001）、（111）或（110）晶面。2CN103255389A说明书1/4页一种在硅衬底上外延生长III族氮化物半导体材料的方法技术领域[0001]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[0002]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。[0003]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。[0004]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