專利名稱：射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)氮化鎵的雙緩沖層工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分子束外延生長(zhǎng)氮化鎵(GaN)過程中引入雙緩沖層工藝生長(zhǎng)GaN。屬于晶體外延生長(zhǎng)領(lǐng)域。
由于大面積的GaN體單晶很難獲得，目前GaN單晶仍以異質(zhì)外延生長(zhǎng)為主。在異質(zhì)外延生長(zhǎng)過程中，普遍存在的一個(gè)問題是襯底材料與GaN之間存在較大的晶格失配和熱脹系數(shù)失配，這對(duì)于生長(zhǎng)高質(zhì)量的GaN單晶是一大障礙。盡管可用作GaN生長(zhǎng)的襯底很多，諸如MgAl2O4(111)、ZnO(0001)、LiAlO2(100)、NdGaO3(101)、6H-SiC(0001)以及藍(lán)寶石(0001)等，但目前國(guó)際上采用最多的襯底仍然是藍(lán)寶石和SiC。盡管SiC與GaN的晶格系數(shù)較藍(lán)寶石與GaN更為匹配、更易解理而且是低阻材料，有利于器件制作，但是SiC材料價(jià)格太高，不適于大批量生長(zhǎng)。GaN與藍(lán)寶石之間雖有16％的晶格失配，但價(jià)格低廉，通過生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化，同樣可以得到器件質(zhì)量的III-N材料。
當(dāng)前，國(guó)際上普遍采用緩沖層工藝來緩解襯底與外延層之間的晶格失配和熱失配。緩沖層(或稱過渡層)的使用通常需滿足兩個(gè)條件其一，緩沖層在襯底和GaN外延層的界面處有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，且在高溫下基本不變；其二，緩沖層的晶格常數(shù)和熱脹系數(shù)應(yīng)與襯底及GaN外延層基本匹配，能起到減小晶格失配和熱失配的作用。據(jù)報(bào)道，在藍(lán)寶石襯底上使用的緩沖層有AlN、ZnO、低溫生長(zhǎng)的GaN等。Akasaki等人(J.Crystal Growth，98，209，1989)較早研究了使用AlN作緩沖層的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)低溫生長(zhǎng)的AlN緩沖層結(jié)晶質(zhì)量很差，幾乎是非晶，退火后AlN結(jié)晶化，變成高度取向的多晶，并認(rèn)為AlN緩沖層的作用主要在于結(jié)晶成核以降低襯底與外延層之間的界面自由能。隨后Nakamura等人(J.Appl.Phys 71(11)，5543，1992)采用低溫GaN作緩沖層，取得了與AlN大體一致的效果，但認(rèn)為緩沖層的作用除了結(jié)晶成核外，還應(yīng)該包括形成準(zhǔn)二維生長(zhǎng)的內(nèi)容，從而利于外延層二維生長(zhǎng)特性的提高。
同時(shí)，研究表明緩沖層對(duì)外延層質(zhì)量影響最大的兩個(gè)參數(shù)是緩沖層的生長(zhǎng)溫度和時(shí)間(厚度)。然而采用單緩沖層的生長(zhǎng)工藝，受到低溫成核以及單緩沖層結(jié)構(gòu)的限制，雖然對(duì)外延層質(zhì)量的提高有一定的改善作用，但仍然達(dá)不到原子級(jí)平整的外延層表面要求。
如何改變單緩沖層工藝，使其促進(jìn)外延層二維生長(zhǎng)的特性從而提高外延層的表面平整度，這是在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)GaN層的前提，也就引出了本發(fā)明的目的。
為了同時(shí)獲得緩沖層結(jié)晶成核以及形成準(zhǔn)二維生長(zhǎng)的較好效果，最有效的方法是改變當(dāng)前普遍使用的單緩沖層的生長(zhǎng)工藝，而提出雙緩沖層工藝的新思路即在較低溫度下生長(zhǎng)第一層低溫緩沖層以獲得較好的結(jié)晶成核基底，然后在較高的溫度下生長(zhǎng)第二層高溫緩沖層以獲得較好的準(zhǔn)二維生長(zhǎng)平面，以便為獲得原子級(jí)平整的GaN外延層提供更好的生長(zhǎng)基底。這就是本發(fā)明的目的所在。
本發(fā)明提供的射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)GaN的雙緩沖層工藝，包括(1)將濕法清洗后的藍(lán)寶石襯底送入MBE生長(zhǎng)室樣品架上，在900℃高溫?zé)嵬嘶鹬筮M(jìn)行Ga原子清洗藍(lán)寶石襯底的預(yù)處理工藝(另案申請(qǐng))，然后通入高純N2，并開啟射頻等離子體發(fā)生器，至500W，對(duì)襯底進(jìn)行10分鐘的氮化處理，然后將襯底溫度降低至450℃～550℃范圍；(2)開啟Ga束源爐快門，進(jìn)行較低溫度的緩沖層結(jié)晶成核生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間2分鐘，約10nm；(3)關(guān)閉Ga束源爐快門，襯底溫度升高至900℃，進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶鹨岳诘蜏厣L(zhǎng)的GaN晶核的繁衍與結(jié)晶化。熱退火時(shí)間5分鐘。然后將襯底溫度降至650℃～800℃范圍；(4)再次開啟Ga束源爐快門，進(jìn)行較高溫度的緩沖層準(zhǔn)二維生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間3分鐘，約15nm；(5)關(guān)閉Ga束源爐快門，升高襯底溫度以進(jìn)行外延層GaN的生長(zhǎng)。


圖1給出了本發(fā)明的工藝流程圖，同時(shí)給出傳統(tǒng)單緩沖層的工藝流程以便比較，分為(A)(B)(C)三個(gè)圖。其中圖(A)給出生長(zhǎng)過程中氮源的控制在緩沖層生長(zhǎng)前，高純氮?dú)?純度＞99.9999％)和金屬Ga源關(guān)閉，此時(shí)生長(zhǎng)室處于超高真空狀態(tài)，其壓力為～5×10-9Torr；在緩沖層生長(zhǎng)過程中，通入氮?dú)?，并開啟射頻等離子體發(fā)生器(500W)，生長(zhǎng)室壓力處在～6×10-5Torr范圍；外延層生長(zhǎng)時(shí)，氮?dú)馔窟M(jìn)一步加大，生長(zhǎng)室壓力為～8×10-5Torr。圖(B)給出生長(zhǎng)過程中Ga源的控制緩沖層生長(zhǎng)之前，Ga源快門關(guān)閉；緩沖層生長(zhǎng)時(shí)，Ga源溫度為850℃，開啟Ga源快門，對(duì)雙緩沖層而言，在低溫緩沖層進(jìn)行了高溫退火之后，第二次開啟Ga源快門(參見圖(C))；進(jìn)行外延層生長(zhǎng)時(shí)，Ga源溫度為880℃并開啟快門直至外延層生長(zhǎng)結(jié)束。圖(C)給出生長(zhǎng)過程中襯底溫度的控制緩沖層生長(zhǎng)之前，襯底溫度從室溫一直升到900℃，對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行高溫退火10分鐘，然后降低襯底溫度以便于緩沖層的生長(zhǎng)，對(duì)雙緩沖層而言，先降低至T1(450℃～550℃)，然后開啟Ga快門進(jìn)行低溫緩沖層生長(zhǎng)，之后升高襯底溫度(900℃)，對(duì)低溫緩沖層進(jìn)行高溫結(jié)晶化退火處理，然后再降低襯底溫度至T2(650℃～800℃)進(jìn)行較高溫度的第二層緩沖層生長(zhǎng)；最后升高襯底溫度(880℃)進(jìn)行外延層的生長(zhǎng)。
作為本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，可以從以下三個(gè)方面體現(xiàn)出來(1)和單緩沖層相比，雙緩沖層生長(zhǎng)完成后的形成了較好的準(zhǔn)二維生長(zhǎng)，表現(xiàn)為表面平整度有了明顯提高；圖2給出單(圖A)、雙(圖B)緩沖層的原子力顯微鏡測(cè)得的表面形貌圖。圖A單緩沖層的表面均方根粗糙度為43.4，表現(xiàn)出比較明顯的三維生長(zhǎng)特征；圖B雙緩沖層的左半部分是第一步低溫緩沖層的表面，可見結(jié)晶成核是以三維生長(zhǎng)模式進(jìn)行；右半部分是完成第二步高溫緩沖層后的表面形貌，其表面均方根粗糙度為25.3，表現(xiàn)出了準(zhǔn)二維生長(zhǎng)的特性，這對(duì)后續(xù)外延層的二維生長(zhǎng)將器重要地促進(jìn)作用。
(2)和單緩沖層相比，采用雙緩沖層工藝獲得的外延層GaN，其ω掃描的半峰寬進(jìn)一步降低，表明雙緩沖層對(duì)外延層的二維生長(zhǎng)有顯著地促進(jìn)作用；圖3給出使用單、雙緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延層XRDω掃描的搖擺曲線圖。從半峰寬的比較可以看出，采用雙緩沖層生長(zhǎng)的外延層GaN，其半峰寬只有單緩沖層生長(zhǎng)的GaN的半峰寬的一半，表明外延層的二維生長(zhǎng)特性有了非常明顯的提高。
(3)采用雙緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延層不但表面平整度有了進(jìn)一步的提高，而且外延層的位錯(cuò)密度也明顯下降，表明和單緩沖層相比，雙緩沖層不但形成了更好的準(zhǔn)二維生長(zhǎng)從而提高了外延層的表面平整度，而且其結(jié)晶成核并緩解晶格失配以及熱失配的作用也明顯得到了加強(qiáng)，從而進(jìn)一步降低了外延層GaN的位錯(cuò)密度。
圖4給出使用單、雙緩沖層生長(zhǎng)得到的GaN外延層的原子力顯微鏡表面形貌圖，其中圖A為采用單緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延層，圖B為采用雙緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延層?？梢钥闯鲭p緩沖層工藝得到的外延層GaN表面的平整度進(jìn)一步降低，并且圖A、B的表面形貌存在較大的差異，表現(xiàn)為圖A使用單緩沖層的外延層GaN表面存在明顯的缺陷終端及裂痕，表明其位錯(cuò)密度應(yīng)該比圖B雙緩沖層的外延層GaN高。圖5進(jìn)一步給出通過X射線衍射的二維三軸測(cè)量(TDTAM)圖譜，其中圖A為采用單緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延層的TDTAM圖，圖B為采用雙緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延層的TDTAM圖。根據(jù)Q.K.Yang等人(J.Crystal Growth，192，28，1998)所報(bào)道的計(jì)算方法，由圖5估算的位錯(cuò)密度分別為1.3×1010cm-2(圖A單緩沖層)，6.0×109cm-2(圖B雙緩沖層)。確認(rèn)了雙緩沖層的使用進(jìn)一步降低了外延層GaN的位錯(cuò)密度。
圖2是緩沖層的原子力顯微鏡表面形貌圖。圖中(A)為單緩沖層的表面形貌，在630℃襯底溫度下生長(zhǎng)5分鐘，表面均方根粗糙度rms＝43.4；(B)為雙緩沖層的表面形貌，左半部分是第一步低溫緩沖層，在500℃襯底溫度下生長(zhǎng)2分鐘，右半部分是第二步高溫緩沖層，在700℃襯底溫度下生長(zhǎng)3分鐘，其表面均方根粗糙度rms＝25.3。
圖3是外延層GaN的XRDω掃描搖擺曲線，其中曲線A為采用單緩沖層生長(zhǎng)獲得的GaN外延層，其半峰寬為2310arcsec(弧秒)；曲線B為采用雙緩沖層生長(zhǎng)獲得的GaN外延層，其半峰寬為1094aresec(弧秒)。
圖4是外延層GaN的原子力顯微鏡表面形貌圖。圖中(A)為采用單緩沖層生長(zhǎng)的外延層GaN，rms＝2.1；(B)為采用雙緩沖層生長(zhǎng)的外延層GaN，rms＝1.86。
圖5是外延層GaN的TDTAM圖譜。圖中(A)為采用單緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延層，由此估算的位錯(cuò)密度為1.3×1010cm-2；(B)為采用雙緩沖層生長(zhǎng)的GaN外延層，由此估算的位錯(cuò)密度為6.0
實(shí)施例2、3、4較高溫度的緩沖層生長(zhǎng)溫度分別為600、650、750℃，其余同實(shí)施例1，原子力顯微鏡(AFM)測(cè)定的表面粗糙度和X衍射測(cè)量的ω掃描搖擺曲線值列于表1。
表1不同溫度條件生成雙緩沖層的AFM和XRD結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)GaN的雙緩沖層工藝，包括藍(lán)寶石襯底放在分子束外延生長(zhǎng)室樣品架上，在900℃高溫?zé)嵬嘶鹬?，進(jìn)行Ga原子清洗的預(yù)處理以及氮化處理，其特征在于(1)預(yù)處理后襯底溫度降低至450-550℃；(2)開啟Ga束爐快門，進(jìn)行較低溫度的緩沖層結(jié)晶成核生長(zhǎng)；(3)關(guān)閉Ga爐快門，將襯底溫度升高至900℃，進(jìn)行高溫結(jié)晶化退火處理，然后將襯底溫度降至650℃～800℃；(4)再次開啟Ga束源快門，進(jìn)行較高溫度的緩沖層準(zhǔn)二維生長(zhǎng)；(5)關(guān)閉Ga束源爐快門，升高襯底溫度880℃進(jìn)行外延生長(zhǎng)。
2.按權(quán)利要求1所述的射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)GaN的雙緩沖層工藝，其特征在于在緩沖層生長(zhǎng)前，生長(zhǎng)室處于高真空狀態(tài)，壓力為～5×10-9Torr；在緩沖層生長(zhǎng)過程中，生長(zhǎng)室壓力處在～6×10-5Torr范圍；外延層生長(zhǎng)時(shí)，生長(zhǎng)室壓力為～8×10-5Torr范圍。
3.按權(quán)利要求1所述的射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)GaN的雙緩沖層工藝，其特征在于所述緩沖層生長(zhǎng)時(shí)的Ga源溫度為850℃。
4.按權(quán)利要求1所述的射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)GaN的雙緩沖層工藝，其特征在于較低溫度緩沖層生長(zhǎng)后，在900℃溫度條件下，退火時(shí)間為5分鐘。
5.按權(quán)利要求1所述的射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)GaN的雙緩沖層工藝，其特征在于較低溫度緩沖層結(jié)晶成核生長(zhǎng)，時(shí)間為2分鐘，厚度10nm；較高溫度生長(zhǎng)緩沖層生長(zhǎng)時(shí)間3分鐘，厚度15nm。
6.按權(quán)利要求1所述的射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)GaN的雙緩沖層工藝，其特征在于較低溫度緩沖層結(jié)晶成核生長(zhǎng)襯底溫度為500℃，較高溫度緩沖層二維生長(zhǎng)的襯底溫度為700℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及射頻等離子體分子束外延生長(zhǎng)GaN的雙緩沖層工藝，屬于晶體外延生長(zhǎng)領(lǐng)域。其特征在于(1)經(jīng)Ga原子清洗及氮化處理的藍(lán)寶石襯底溫度降低至450℃～550℃范圍；(2)開啟Ga束源爐快門，進(jìn)行較低溫度的緩沖層結(jié)晶成核生長(zhǎng)，時(shí)間2分鐘，約10nm；(3)關(guān)閉Ga束源爐快門，襯底溫度升高至900℃，進(jìn)行高溫?zé)嵬嘶穑粺嵬嘶饡r(shí)間5分鐘。然后將襯底溫度降至650℃～800℃范圍；(4)再次開啟Ga束源爐快門，進(jìn)行較高溫度的緩沖層準(zhǔn)二維生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)間3分鐘，約15nm；(5)關(guān)閉Ga束源爐快門，升高襯底溫度以進(jìn)行外延層GaN的生長(zhǎng)。與傳統(tǒng)單緩沖層相比，表面平整度明顯提高；ω掃描的半峰值進(jìn)一步降低，有利于外延層的二維成長(zhǎng)；外延層的位錯(cuò)密度也明顯下降。
文檔編號(hào)H01L21/205GK1395291SQ0211231
公開日2003年2月5日 申請(qǐng)日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月28日
發(fā)明者齊鳴, 李愛珍, 趙智彪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所