專利名稱：自適應柔性層制備無裂紋硅基Ⅲ族氮化物薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體領域，特別是一種自適應柔性層制備無裂紋硅基III族氮化物薄膜的方法。
背景技術：
以GaN為代表的III族氮化物半導體由于可用于藍光LED和LD，高密度光學存儲，高溫、大功率及高頻電子器件，紫外探測器等領域，因而具有非常廣闊的應用前景。
然而由于沒有同質襯底，難以得到優(yōu)質GaN薄膜。至今制備的器件級GaN薄膜大多是在藍寶石襯底上得到的。由于藍寶石襯底硬度大，不導電，且價格昂貴，難以大批量生產，迫使人們去嘗試在價謙、導熱、導電、大尺寸、易于解理和易于光電集成的硅襯底上生長優(yōu)質GaN，以克服藍寶石襯底的缺點。
但是Si和GaN之間晶格失配達到20％，而熱失配更高達56％，在硅襯底上外延生長GaN非常易于開裂，裂紋成為困擾在Si基上生長器件級優(yōu)質GaN的最主要問題。
目前解決Si基GaN中裂紋的主要方法有以下幾種1、在硅襯底上進行掩膜或直接刻蝕的橫向外延法。這種方法人為的將硅的連續(xù)表面割裂開來，將GaN外延生長限制在微小的窗口區(qū)域內，可以有效緩解大平面內的應力，阻止裂紋的產生。缺點是工藝復雜，無裂紋區(qū)域較小。
2、在GaN中插入低溫AlN層。通過一定厚度的低溫多晶AlN層，可部分釋放由于熱失配產生的應力，實現(xiàn)無裂紋薄膜。
3、采用梯度漸變的AlGaN層。利用AlN的晶格常數(shù)略小于GaN的晶格常數(shù)，使AlGaN層上生長的GaN中出現(xiàn)壓應力，可以部分抵消降溫過程中形成的張應力，減少裂紋的產生。
以上各種方法都很難生長出較厚的大面積無裂紋GaN薄膜。
另一方面，GaN的三元或四元化合物半導體的研究也在深入進行中。InAlGaN四元化合物半導體材料的主要優(yōu)勢在于，可以通過分別調節(jié)In和Al的含量，得到和GaN，或InGaN，AlGaN的晶格匹配的材料，同時也可以調節(jié)能帶差，得到設計所需的勢壘和勢阱。因此InAlGaN廣泛用于各種超晶格或量子阱結構中，在紫外短波長區(qū)域顯示出很高發(fā)光效率。
同時研究也發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，InGaN或InAlGaN中會發(fā)生相分離現(xiàn)象即不同區(qū)域出現(xiàn)富In區(qū)和貧In區(qū)；或是在生長過程中層與層之間In的含量發(fā)生變化，即自組裝超晶格現(xiàn)象。生長過程中In含量的變化主要和外延薄膜中的應力變化有關。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種自適應柔性層制備無裂紋硅基III族氮化物薄膜的方法。特指一種在硅襯底上插入自適應柔性層，以制備無裂紋III族氮化物薄膜，及InAlGaN或InGaN自適應柔性層的制備和在III族氮化物薄膜中插入多層InAlGaN自適應柔性層的結構，以制備厚度達到2微米無裂紋III族氮化物薄膜。
本發(fā)明提供了一種利用插入自適應柔性層的結構，在硅襯底上生長無裂紋III族氮化物薄膜。本方法工藝簡單，通過預先生長的成分自適應的InGaN或InAlGaN柔性層，可以有效消除大面積內硅基GaN薄膜中的裂紋；通過插入多層自適應柔性層，可以生長得到厚度約2微米，器件可用的無裂紋III族氮化物薄膜。同時此發(fā)明的工藝窗口較寬，對設備條件的依賴性較弱，是一種普適的消除硅基GaN裂紋的方法。
為了達到上述目的，按照本發(fā)明在硅襯底上生長無裂紋III族氮化物薄膜，其特征在于按常規(guī)方法在硅襯底上生長AlN緩沖層后，在生長III族氮化物之前插入一層自適應柔性層，這層自適應柔性層包括InAlGaN或InGaN，柔性層的厚度在50-500nm之間。
由于硅和III族氮化物之間有很大的晶格失配和熱失配，在硅表面外延生長自適應柔性層時，會產生較大的內應力，自適應柔性層可以根據內應力的大小自適應調節(jié)In組分含量，使晶格常數(shù)逐漸變化，從而減緩晶格失配應力；另一方面，同一層中由于應力分布不均勻，導至形成富In區(qū)和貧In區(qū)，由于In-N鍵強較弱，富In區(qū)能有效吸收部分熱應力，起到一定柔性層的作用。故本發(fā)明將此插入層命名為“自適應柔性層”。
按照本發(fā)明的自適應柔性層InGaN或InAlGaN包括2％至20％比例的In組分、10％至90％比例的Al組分，并且In、Al和Ga組分，或In和Ga組分的比例總和為100％。
自適應柔性層InAlGaN，其中In組分的比例是大于或等于10％。
按照本發(fā)明制備InGaN或InAlGaN自適應柔性層的方法包括InGaN或InAlGaN在800℃至950℃的生長溫度下進行晶體生長，其中氨、三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁用作原料氣體。
按照本發(fā)明制備InGaN或InAlGaN自適應柔性層的方法中，氨的流速為4L/min，三甲基鎵的流速為2umol/min至20umol/min，三甲基銦加合物的流速為20umol/min至60umol/min，三甲基鋁的流速是1umol/min至10umol/min。
按照本發(fā)明制備多層插入自適應柔性層，生長出厚度達到2微米無裂紋硅基III族氮化物薄膜，其特征包含在第一層自適應柔性層上生長一層厚度約為100-500nm的III族氮化物薄膜，然后生長第二層自適應柔性層，其上再生長III族氮化物薄膜，如此交替插入多層柔性層的結構。
各層自適應柔性層的生長溫度，層厚及In，Al的組分可以不相同，但都在權利要求4和權利要求5的范圍之內。


以下給出的詳細介紹和僅通過解釋給出的附圖，會使本發(fā)明更易于完全理解，但并不是由此限制本發(fā)明，其中圖1是本發(fā)明的自適應柔性層制備大面積無裂紋硅基III族氮化物薄膜的結構示意圖；圖2是按照本發(fā)明制備多層插入(In，Al)GaN柔性層生長厚度達到2微米無裂紋硅基III族氮化物薄膜的結構示意圖；圖3是插入自適應柔性層a和不插入自適應柔性層b硅基GaN外延膜表面形貌的對比圖；圖4是插入自適應柔性層a和不插入自適應柔性層b硅基GaN外延膜PL譜的對比圖；在下文中，將詳細介紹本發(fā)明的在硅襯底上預先插入自適應柔性層InAlGaN結構來生長無裂紋III族氮化物薄膜，以及制備它的方法，和采用多層插入InAlGaN自適應柔性層結構來生長厚度2微米無裂紋III族氮化物薄膜的一個實例。
具體實施例方式以金屬有機物化學氣相沉積方法為例1)如附圖1所示，在硅襯底1表面按常規(guī)方法生長完Al層2和20～30nm的高溫AlN緩沖層3后，降溫至850℃左右，載氣換為氮氣，通入氨、三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁等原料氣，生長InAlGaN或InGaN自適應柔性層4，這層的厚度根據原料氣的流速和溫度進行調節(jié)，可以在50～500nm范圍內變化，最后生長一定厚度的III族氮化物薄膜5。
2)如附圖2所示，在硅襯底1表面按常規(guī)方法生長完Al層2和20～30nm的高溫AlN緩沖層3后，降溫至850℃左右，載氣換為氮氣，通入氨、三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁等原料氣，生長InAlGaN自適應柔性層4，然后生長III族氮化物薄膜5。自適應柔性層4和III族氮化物外延層5交替生長，可以是兩層或更多層。自適應柔性層的生長溫度控制在800～900℃之間，而III族氮化物外延層的生長溫度則在1020～1080℃之間。兩層厚度必須控制在500nm以內，以避免裂紋的產生。
本發(fā)明利用了InGaN和InAlGaN化合物固有的特性其組分能按照生長時產生的各種內應力自發(fā)調節(jié)，自適應大失配異質外延中晶格失配，同時In-N鍵鍵強較弱，富In區(qū)實驗發(fā)現(xiàn)可明顯緩解熱失配產生的應變，減少裂紋的產生和擴展。
與其他生長硅基無裂紋III族氮化物外延膜的技術相比，本技術不需要掩膜、光刻等其他輔助技術，也不需引入多晶/單晶界面，工藝簡單，可自發(fā)調節(jié)大失配異質外延，其原理可適用于多種外延技術(包括MOCVD、MBE和HVPE等)和多種材料體系，有普適性。同時和常規(guī)方法相比，采用自適應(In，Al)GaN柔性層生長的GaN的發(fā)光性能有明顯增強(附圖4)，說明Si基GaN的性能有明顯改善。
實施本發(fā)明的主要方法包括各種半導體薄膜制備方法，如金屬有機物化學氣相外延(MOCVD)，分子束外延(MBE)，氫化物氣相外延(HVPE)和離子濺射等，對不同的半導體薄膜制備系統(tǒng)，各種生長參數(shù)根據具體情況進行調整。
III族氮化物包含氮化鎵、鋁鎵氮、銦鎵氮、銦鋁鎵氮等薄膜材料或者它們組合形成的結構材料。
實施例1以金屬有機物化學氣相沉積MOCVD法為例。
1)以單晶硅Si(111)面為襯底；2)升溫到1000～1100℃，通入三甲基鋁TMAl，在硅表面形成薄Al層；然后通入氨，形成30nm左右的AlN層；3)降溫到800～900℃，生長InAlGaN自適應柔性層。原料氣為氨、三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁用作原料氣體其中氨的流速為4L/min，三甲基鎵的流速為10umol/min，三甲基銦加合物的流速為30umol/min，三甲基鋁的流速是5umol/min。此層的厚度為300nm；4)升溫到1000～1100℃的高溫，生長GaN外延膜700nm，使外延膜總厚度達到1um。
實施例2采用多層InAlGaN自適應柔性層生長2微米厚度無裂紋III族氮化物薄膜，前四步和實施例1相同，只是將生長InAlGaN柔性層和GaN外延膜的厚度都定為500納米，接下去是第五步5)同3)生長500納米InAlGaN自適應柔性層；6)同4)生長500納米GaN處延膜。
對比采用插入自適應柔性層和不插入自適應柔性層1微米硅基GaN外延膜的表面形貌，附圖3所示，結果發(fā)現(xiàn)圖3b用常規(guī)方法生長的GaN表面有許多互相平行，縱橫交錯的裂紋，經過一定的工藝優(yōu)化后，可以大約在10um×10um平方范圍內沒有裂紋產生；而圖3a采用插入InAlGaN自適應柔性層法生長，按相同的工藝生長同樣厚度的GaN，其表面裂紋的數(shù)量有大幅度降低，在圖3a所示的觀察范圍內很少能找到裂紋。因為GaN薄膜主要用于光電器件，所以用光致熒光譜(PL譜)對GaN外延膜的光學性能進行測試，如附圖4所示。結果發(fā)現(xiàn)曲線a插入InAlGaN自適應柔性層后生長GaN薄膜的發(fā)光強度比曲線b沒有插入自適應柔性層的GaN薄膜發(fā)光強度顯著提高，發(fā)光強度大約提高十倍左右，因此用InAlGaN自適應柔性層法生長的GaN薄膜的發(fā)光性能有明顯的改善，而PL譜的半寬沒有顯著降低，說明用InAlGaN自適應柔性層法生長的GaN的晶體質量沒有顯著降低。
本發(fā)明與以往的技術相比，該發(fā)明具有以下意義1)適用于目前常用的各類外延生長設備，如金屬有機物化學氣相外延(MOCVD)，分子束外延(MBE)，氫化物氣相外延(HVPE)和離子濺射等。
2)利用了InGaN和InAlGaN化合物固有的特性其組分能按照生長時產生的各種內應力自發(fā)調節(jié)，自適應大失配異質外延中晶格失配，同時In-N鍵鍵強較弱，富In區(qū)實驗發(fā)現(xiàn)可明顯緩解熱失配產生的應變，減少裂紋的產生和擴展。
3)不需要掩膜、光刻等其他輔助技術，也不需引入多晶/單晶界面，工藝簡單，成本低，不需添加任何新的工藝設備即可完成。
4)能夠生長厚度達2微米的無裂紋硅基氮化鎵薄膜。
權利要求
1.一種自適應柔性層的結構，其結構如下硅襯底1表面生長Al層2和AlN緩沖層3后，生長InAlGaN或InGaN自適應柔性層4，最后生長一定厚度的III族氮化物薄膜5。
2.一種自適應柔性層的結構的生成方法，其步驟如下在硅襯底1表面按常規(guī)方法生長完Al層2和20～30nm的高溫AlN緩沖層3后，降溫至850℃左右，載氣換為氮氣，通入氨、三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁原料氣，生長InAlGaN或InGaN自適應柔性層4，這層的厚度根據原料氣的流速和溫度進行調節(jié)，可以在50～500nm范圍內變化，最后生長一定厚度的III族氮化物薄膜5。
3.根據權利要求1的自適應柔性層的結構，以制備無裂紋硅基III族氮化物薄膜，其特征包含在傳統(tǒng)的氮化物緩沖層和III族氮化物中間插入一層自適應柔性層，該自適應柔性層其組分能按照生長時產生的各種內應力自發(fā)調節(jié)，自適應大失配異質外延中晶格失配及熱失配，其主要作用是阻止界面裂紋源的產生和擴展。
4.根據權利要求1或3的自適應柔性層的結構，其特征在于，自適應柔性層包括InAlGaN，InGaN，包含2％至20％比例的In組分、10％至90％比例的Al組分，并且In、Al和Ga組分，或In和Ga組分的比例總和為100％；該自適應柔性層的厚度為50-500納米。
5.根據權利要求1或3的自適應柔性層的結構，其特征在于，自適應柔性層InAlGaN，其中In組分的比例是大于或等于10％。
6.根據權利要求2的自適應柔性層的結構的生成方法，其特征在于其中自適應柔性層InAlGaN或InGaN在800℃至950℃的生長溫度下進行晶體生長，其中氨、三甲基鎵、三甲基銦和三甲基鋁用作原料氣體。
7. 根據權利要求2的自適應柔性層的結構的生成方法，其特征在于，其中氨的流速為4L/min，三甲基鎵的流速為2umol/min至20umol/min，三甲基銦加合物的流速為20umol/min至60umol/min，三甲基鋁的流速是1umol/min至10umol/min。
8.一種多層交替插入自適應柔性層的結構，制備厚度達到2微米無裂紋硅基III族氮化物薄膜，其特征包含在第一層自適應柔性層上生長一層厚度約為100-500納米的III族氮化物薄膜，然后生長第二層自適應柔性層，其上再生長III族氮化物薄膜，如此交替插入多層自適應柔性層的結構；各層自適應柔性層的生長溫度，層厚及In，Al的組分可以不相同，但都在權利要求4、5或6的范圍之內。
全文摘要
一種在硅襯底上生長大面積無裂紋III族氮化物薄膜的新方法，其主要特征在于在傳統(tǒng)的Si基氮化物緩沖層和III族氮化物薄膜之間插入一層或多層三元或四元III族氮化物自適應柔性層，此柔性層可隨生長中應力的變化而自發(fā)調節(jié)其組分，自適應大失配異質外延晶格常數(shù)或熱應力的變化，該層的主要作用是阻止界面處裂紋源的產生。
文檔編號H01L21/20GK1713349SQ200410048229
公開日2005年12月28日 申請日期2004年6月15日 優(yōu)先權日2004年6月15日
發(fā)明者吳潔君, 黎大兵, 陸沅, 韓修訓, 李杰民, 王曉輝, 劉祥林, 王占國 申請人:中國科學院半導體研究所