一种在Si衬底上采用碳纳米管作为周期性介质掩膜制备低位错密度GaN薄膜的方法技术

本发明专利技术提供一种在Si衬底上采用碳纳米管作为周期性介质掩膜制备低位错密度GaN薄膜的方法：使用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH3)作为V族源，硅烷(SiH4)作为n型掺杂源，在Si衬底上先生长高温AlN成核层后，在其上面制备两层或三层或四层单向(交叉)碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层；其后，采用选区外延方法，在该图形化AlN/Si衬底模板上生长低Al组分的AlxGa1-xN合并层(0.3～0.5微米厚，Al组分x≤0.25)；然后，分别生长四层GaN，在其两GaN层间插入三层其Al组分y随层次增加而递减的低温AlyGa1-yN应力调控层(1≥y≥0.5)；从而获得低位错密度、无裂纹、高晶体质量的GaN/Si薄膜(2微米厚，其(002)面半峰宽为500aresec、(102)面半峰宽为610aresec)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体光电子
，涉及一种在Si衬底上制备低位错密度GaN薄膜的方法，尤其涉及一种采用碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底模板，并在GaN生长过程中采用插入生长多层其Al组分随层次增加而递减的低温AlGaN层作为应力调控层的技术，在Si衬底上制备低位错密度、无裂纹、高晶体质量的GaN薄膜的方法。
技术介绍
Si衬底尺寸大、价廉，可以降低外延生长成本。与硬度大、导热差的绝缘蓝宝石衬底相比，导电的Si衬底可以有效简化衬底减薄加工工艺，可以降低光电子器件制作中工艺成本。然而，在Si衬底上用金属有机物气相外延(metalorganicvaporphaseepitaxy，MOVPE)方法生长GaN中的问题及难点在于：①GaN纤维锌矿结构的(0001)与金刚石结构的Si(111)衬底的晶格失配为20.4％，会产生大量的位错；②GaN与Si之间的热失配高达56％，外延生长结束后的降温工程中，外延层将承受很大的张应力。由于外延层厚度远小于衬底厚度，所以在外延层中会产生微裂纹，严重影响GaN器件特性。③在Si衬底上直接生长GaN时，NH3容易与衬底Si发生反应而在衬底表面形成非晶态的SiN，影响GaN的生长质量。④金属Ga与衬底Si之间也有很强的化学反应，会对衬底造成回溶，从而破坏界面的平整。⑤在高温生长时，衬底中的Si会扩散至缓冲层表面，如果控制不当，将会影响GaN的生长模式，从而破坏晶体质量。⑥此外，由于Si是非极性半导体，在其上生长GaN、AlN或其他极性半导体时将会产生一些化合物极性相关的问题。采用合适的缓冲层是解决Si衬底生长GaN时晶格失配、Si扩散和极性问题的有效手段，同时在一定程度上也可以缓解薄膜中的应力。为此人们尝试过许多方法，如AlAs、AlN、以及AlGaN/AlN等复合缓冲层。其中AlN结果最好，其主要优点是既可以和GaN在同一反应室进行生长，又可以避免高温生长时SiN的形成。根据其应力释放机理提出许多解决方法：(1)缓冲层应力补偿法：通过缓冲层对上层GaN提供一个压应力来补偿热失配造成的张应力。如采用AlxGa1-xN缓冲层，结果表明龟裂密度明显减少，且光学特性也有较大提高。(2)插入层应力剪裁法：通过插入层来调节薄膜内部的应力状态，或阻挡由于热失配从衬底传入的张应力的传播。如超晶格插入层法：插入多周期的AlN/GaN超晶格作插入层，生长GaN总厚度为2μm,随着超晶格插入层层数的增加，张应变减少。TEM显示位错密度随厚度变化而减小。采用插入层法可以有效消除应力，实现在Si衬底上用MOCVD生长厚的无裂纹GaN层。但是位错密度依然很高。在此基础上，利用碳纳米管作为掩膜层可以沉积在外延层上。碳纳米管掩膜层是微纳米级的尺寸和空间分布，对GaN岛的合并厚度和外延层晶体质量有很大的影响。由于GaN无法直接在碳纳米管的掩膜层上生长，碳纳米管的掩膜让GaN生长的成核点急剧减少，相应低密度大间隙的岛分布会使生长模式由二维向三维转变，随后GaN岛长大、合并，生长模式又从三维转向二维，形成表面平整、质量高的GaN层。
技术实现思路
一种在Si衬底上采用碳纳米管作为周期性介质掩膜制备低位错密度GaN薄膜的方法。使用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)作为III族源，氨气(NH3)作为V族源，硅烷(SiH4)作为n型掺杂源，首先，在Si衬底上，先生长AlN成核层后，制备由周期性平行排列的碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层，并采用选区外延(SAG)方法，在所述周期性介质掩膜膜图形化AlN/Si衬底层上，生长低Al组分的AlxGa1-xN合并层(x≤0.25)，如此，利用该低Al组分AlxGa1-xN合并层在所述碳纳米管周期性介质掩膜和AlN成核层上生长的选择性，将后续生长的GaN外延层限制在没有隐蔽膜的分立的窗口区域中，以释放对整体外延层的张应力、降低位错密度；其次，在所述低Al组分的AlxGa1-xN合并层上面，继续生长四层GaN时，在其两GaN层间，插入生长三层其Al组分y随层次增加而递减的低温AlyGa1-yN应力调控层(1≥y≥0.5)，以此进一步释放对外延层的张应力、降低位错密度；从而获得低位错密度、无裂纹、高晶体质量的Si衬底GaN薄膜。该方法包括以下步骤：步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H2)气氛、温度1000℃～1500℃、反应室压力50torr-100torr下,取V/III比为50～1000，通入TMAl作为III族源，NH3作为V族源，在Si衬底上，生长0.1～0.3微米厚AlN成核层；步骤二，采用低压化学气相沉积法(LPCVD)，以乙炔作为载气、Fe作为催化剂，在所述AlN成核层上，生长排列整齐的多层碳纳米管，其直径为15-30nm；通过生长和编织，制备由平行排列的两层单向(交叉)、三层单向(交叉)、四层单向(交叉)碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层；步骤三，在氢气(H2)气氛、温度1050℃～1500℃、反应室压力50torr-100torr下,取V/III比为1000～2000，通入TMAl、TMGa作为III族源，NH3作为V族源，在碳纳米管薄膜周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层上，生长0.3～0.5微米厚低Al组分的AlxGa1-xN合并层，Al组分x≤0.25；步骤四，在氢气(H2)气氛、温度1050℃～1500℃、反应室压力75torr-100torr下,取V/III比为1000～2000，通入TMGa作为III族源，NH3作为V族源，在低Al组分的AlxGa1-xN合并层上，生长0.2～0.5微米厚的第一GaN外延层；步骤五，在氢气(H2)气氛、温度800℃～900℃、反应室压力75torr-100torr下,取V/III比为100～1000，通入TMAl作为III族源，NH3作为V族源，在第一GaN外延层上，生长10-30纳米厚的第一层低温Aly1Ga1-y1N应力调控层(1≥y1≥0.9，取y1＝1时Aly1Ga1-y1N即AlN)；步骤六，在氢气(H2)气氛、温度1050℃～1500℃、反应室压力75torr-100torr下,取V/III比为1000～2000，通入TMGa作为III族源，NH3作为V族源，在第一层低温Aly1Ga1-y1N应力调控层上，生长0.3～0.5微米厚的第二GaN外延层；步骤七，在氢气(H2)气氛、温度800℃～900℃、反应室压力75torr-100torr下,取V/III比为100～1000，通入TMAl、TMGa作为III族源，NH3作为V族源，在第二GaN外延层上，生长10-30纳米厚的第二层低温Aly2Ga1-y2N应力调控层(y1＞y2＞y3，且y2≈(y1+y3)/2)；步骤八，在氢气(H2)气氛、温度1050℃～1500℃、反应室压力75torr-100torr下,取V/III比为1000～2000，通入TMGa作为III族源，NH本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在Si衬底上采用碳纳米管作为周期性介质掩膜制备低位错密度GaN薄膜的方法，其特征在于，①在Si衬底上先生长AlN成核层上后，在其上面制备由周期性平行排列的碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层，并采用选区外延(SAG)方法，在所述周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层上，生长低Al组分的AlxGa1‑xN合并层(x≤0.25)，如此，利用该低Al组分AlxGa1‑xN合并层在所述碳纳米管周期性介质掩膜和AlN成核层上生长的选择性，将后续生长的GaN外延层限制在没有隐蔽膜的分立的窗口区域中，以释放对整体外延层的张应力、降低位错密度；②在所述低Al组分的AlxGa1‑xN合并层上继续生长四层GaN时，在其两GaN层间插入生长三层其Al组分y随层次增加而递减的低温AlyGa1‑yN应力调控层(1≥y≥0.5)，以此进一步释放对外延层的张应力、降低位错密度；从而获得低位错密度、无裂纹、高晶体质量的Si衬底GaN薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种在Si衬底上采用碳纳米管作为周期性介质掩膜制备低位错密度GaN薄膜的方法，其特征在于，①在Si衬底上先生长AlN成核层上后，在其上面制备由周期性平行排列的碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层，并采用选区外延(SAG)方法，在所述周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层上，生长低Al组分的AlxGa1-xN合并层(x≤0.25)，如此，利用该低Al组分AlxGa1-xN合并层在所述碳纳米管周期性介质掩膜和AlN成核层上生长的选择性，将后续生长的GaN外延层限制在没有隐蔽膜的分立的窗口区域中，以释放对整体外延层的张应力、降低位错密度；②在所述低Al组分的AlxGa1-xN合并层上继续生长四层GaN时，在其两GaN层间插入生长三层其Al组分y随层次增加而递减的低温AlyGa1-yN应力调控层(1≥y≥0.5)，以此进一步释放对外延层的张应力、降低位错密度；从而获得低位错密度、无裂纹、高晶体质量的Si衬底GaN薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种在Si衬底上采用碳纳米管作为周期性介质掩膜制备低位错密度GaN薄膜的方法，如①中所述制备由碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层的方法、所述生长低Al组分的AlxGa1-xN合并层的方法、如②中所述在两GaN层间插入生长三层其Al组分y随层次增加而递减的低温AlyGa1-yN应力调控层的方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中，在氢气(H2)气氛、温度1000℃～1500℃、反应室压力50torr-100torr下,取V/III比为50～1000，通入TMAl作为III族源，NH3作为V族源，在Si衬底上，生长AlN成核层(其厚度为0.1～0.3微米)；
步骤二，采用低压化学气相沉积法(LPCVD)，以乙炔作为载气、Fe作为催化剂，在所述AlN成核层上，生长排列整齐的多层碳纳米管(其直径为15-30nm)，通过生长和编织，制备由平行排列的两层单向(交叉)、三层单向(交叉)、四层单向(交叉)碳纳米管阵列形成连续的碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层；
步骤三，在氢气(H2)气氛、温度1050℃～1500℃、反应室压力50torr-100torr下,取V/III比为1000～2000，通入TMAl、TMGa作为III族源，NH3作为V族源，在所述碳纳米管周期性介质掩膜图形化AlN/Si衬底层上，生长低Al组分的AlxGa1-xN合并层(其厚度为0.3～0.5微米，Al组分x≤0.25)；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾传宇，殷淑仪，张国义，
申请(专利权)人：东莞市中镓半导体科技有限公司，北京大学，
类型：发明
国别省市：广东;44