一种提升含Al氮化物半导体材料的晶体质量的方法技术

本发明专利技术公开了一种提升含Al氮化物半导体材料的晶体质量的方法。所述方法包括：在衬底上沉积形成作为成核层的含Al氮化物半导体材料底层；在所述含Al氮化物半导体材料底层上生成形成AlON层，之后继续生长含Al氮化物半导体材料层，制得高质量含Al氮化物半导体材料外延薄膜。本发明专利技术通过在含Al氮化物半导体材料薄膜上生长AlON，进而在下一步的外延生长时利用形成的AlON来进一步阻挡和湮灭穿透位错，从而改善晶体质量，同时并不存在AlN侧向外延的难合并等问题。同时，本发明专利技术的方法工艺简单，可以适应于各类外延生长，同时也完全适合规模化生产。产。产。

【技术实现步骤摘要】
一种提升含Al氮化物半导体材料的晶体质量的方法


[0001]本专利技术涉及一种提升含Al氮化物半导体材料的晶体质量的方法，属于半导体材料生长


技术介绍

[0002]AlN薄膜材料具有禁带宽度大、直接带隙结构、化学键稳定、击穿电压高、压电效应强等优异特性，因此在光电子、功率电子、及通信领域有着广泛的应用前景。以AlN为底层的AlGaN基深紫外发光器件和探测器件可以广泛应用在消毒杀菌、净化、医疗、通信等领域等领域，市场前景非常大。同时，AlN成核层还是硅衬底上外延生长GaN基光电子器件所必不可少的缓冲层，AlN薄膜材料的质量直接影响上述光电子器件的性能。AlN作为超宽禁带半导体，可以制备高压功率电子器件，其中的位错等缺陷密度将影响电子器件性能。此外，基于AlN材料的声表面波和体声波滤波器的性能也与AlN材料质量密切相关。因此提升AlN薄膜材料质量的价值重大。
[0003]然而，由于AlN自支撑衬底价格非常昂贵，而且晶圆尺寸很小。目前商用AlN薄膜材料大多是在蓝宝石、硅、SiC等衬底上异质外延生长的。但由于AlN与衬底材料存在很大的晶格失配和热膨胀系数失配，因此异质外延生长出来的AlN薄膜材料常常晶体质量很差，存在高密度的位错缺陷，而且应力大极易产生裂纹。这些问题极大限制了AlN薄膜材料的应用。
[0004]传统的AlN薄膜异质外延生长通常是先生长AlN成核层，再生长高温AlN合并层。但由于AlN之间键能很大，Al原子表面迁移能力低下，使得这种在GaN生长中能高效降低位错密度的方法并不太适用于AlN材料生长，因此异质外延生长的AlN薄膜材料的质量仍然较差、位错密度高。而且，AlN生长过程中因为应力大而易产生裂纹这个问题也无法通过传统生长手段解决。此外，一些其他方法，例如侧向外延法、脉冲原子层外延法，虽然可以一定程度上改善AlN外延层质量，但往往耗时长、工艺复杂，导致实际生产中成本高昂。因此，开发一种高效低成本的提升AlN外延薄膜晶体质量的方法至关重要。
[0005]对于现有的提升AlN外延薄膜晶体质量的方案，一般采用类似GaN外延生长的两步法生长方案，如专利CN 109065438 A所示。首先，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)生长或是溅射等方法在衬底上生长AlN成核层，其次，在MOCVD内经过高温退火后再高温生长AlN。由于Al原子表面迁移能力低，导致两步法生长AlN对晶体质量效果很有限，因此生长过程中往往会增加一些表面活性剂例如Ga、In等，如专利CN 105543969 B、CN 103695999 B所示。此外，也可以通过连续通入Al源的同时脉冲式通入NH3来增加Al原子表面迁移率，来改善两步法生长AlN的晶体质量，如专利CN 106252211 A所示。然而，这些方法只能一定程度上增加Al原子表面迁移能力，对AlN晶体质量的改善还是相对低效。
[0006]侧向外延生长法是一种效果明显的改善AlN外延薄膜晶体质量生长方法，如专利CN 108155090 A。这种方法首先在原衬底或是已经生长AlN成核层的衬底上，通过光刻、纳米压印等方面做出各种凹凸不平的图形，然后在放入MOCVD中进行高温生长，利用生长过程
中不同区域AlN合并时位错的拐弯和湮灭，来降低位错密度，改善晶体质量。此类方法虽然可以有效改善AlN薄膜材料的晶体质量，然而工艺复杂，工序繁多。导致AlN薄膜产品不仅成本增加许多，而且良率低，均匀性不好，因此此方法很难实际运用到大规模生产中。
[0007]此外，还有一些其他技术方案，例如高低温交替生长AlN(CN 107083539 A)和高低V/III比交替生长AlN(CN 104392909 A)。这类技术方案是通过某种生长条件交替变化的方式，在生长过程中促使外延表面粗糙化
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平整化的交替演变。这样部分位错就会受到一些倾斜生长晶面的镜像力的作用发生弯折，导致位错之间相互作用，成环、湮灭，不再向上延伸，进而减少后面生长的AlN中的位错密度。但由于AlN之间键能很大(AlN为2.88eV，GaN为2.2eV)，很难像生长GaN那样实现高质量的大尺寸有效三维生长，因此这类方法改善晶体质量的效果也十分有限。
[0008]可以发现，上述现有的高质量AlN外延薄膜生长方法，要么效果不明显，生长出的AlN质量仍然较差，要么工艺复杂，需要图形化衬底、二次外延等工序，导致成本和均匀性等一系列问题，无法做到实用性和效果良好兼顾。

技术实现思路

[0009]本专利技术的主要目的在于提出一种提升含Al氮化物半导体材料的晶体质量的方法，以克服现有技术的不足。
[0010]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0011]本专利技术实施例提供了一种提升含Al氮化物半导体材料的晶体质量的方法，其包括：
[0012]在衬底上沉积形成作为成核层的含Al氮化物半导体材料底层；
[0013]在所述含Al氮化物半导体材料底层上生成形成AlON层，之后继续生长含Al氮化物半导体材料层，制得高质量含Al氮化物半导体材料外延薄膜。
[0014]在一些实施例中，所述含Al氮化物半导体材料包括AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN、BAlN中的任意一种或两种以上的组合。
[0015]在一些实施例中，所述方法包括：在含氧性气氛下，或者，在含氧化学试剂或含氧等离子的作用下，在所述含Al氮化物半导体材料底层上形成AlON层。
[0016]本专利技术实施例还提供了由前述方法制得的高质量含Al氮化物半导体材料外延薄膜。
[0017]与现有技术相比，本专利技术提出的提升含Al氮化物半导体材料的晶体质量的方法具有以下优点：
[0018]本专利技术通过在含Al氮化物半导体材料薄膜上生长AlON，进而在下一步的外延生长时利用形成的AlON来进一步阻挡和湮灭穿透位错，从而改善晶体质量，同时并不存在AlN侧向外延的难合并等问题。同时，本专利技术的方法工艺简单，可以适应于各类外延生长，同时也完全适合规模化生产。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1是本专利技术一典型实施方案中在衬底上沉积AlN底层的示意图；
[0021]图2是本专利技术一典型实施方案中在AlN表面形成AlON的示意图；
[0022]图3是本专利技术一典型实施方案中继续生长AlN后的示意图；
[0023]图4是本专利技术一典型实施方案中AlON阻挡位错的原理示意图。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例中附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升含Al氮化物半导体材料的晶体质量的方法，其特征在于，包括：在衬底上沉积形成作为成核层的含Al氮化物半导体材料底层；在所述含Al氮化物半导体材料底层上生成形成AlON层，之后继续生长含Al氮化物半导体材料层，制得高质量含Al氮化物半导体材料外延薄膜。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含Al氮化物半导体材料包括AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN、BAlN中的任意一种或两种以上的组合。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：至少采用MOCVD、MBE、HVPE、溅射中任一种方法，在所述衬底上形成所述含Al氮化物半导体材料底层，或者含Al氮化物半导体材料层；和/或，所述含Al氮化物半导体材料底层的厚度为50nm～2000nm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：在含氧性气氛下，或者，在含氧化学试剂或含氧等离子的作用下，在所述含Al氮化物半导体材料底层上形成AlON层。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述含氧性气氛包括氧气气氛、由氮气与氧气组成的混合气体气氛、O3气氛中的任一种，其中，所述由氮气与氧气组成的混合气体气氛中氧气的体积比大于1％；和/或，所述含氧化学试剂包括浓硫酸与双氧水的组合，或者双氧水。6.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述AlON层的厚度在5nm以下，优选为1～2nm；和/或，所述AlON层的数量为一层或多层。7.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙秀建，黄应南，孙钱，刘建勋，詹晓宁，高宏伟，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：