专利名称：一种Ⅲ族氮化物材料的生长方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料生长技术，尤其涉及in族氮化物材料的生长方法。
背景技术：
以氮化镓(GaN)材料为代表的III族氮化物材料由于在光电子和微电子 等领域有重大的应用前景，因此其材料生长和相关器件研制近年来受到了广 泛的关注，并取得了长足的发展。在光电子方面，由于ni族氮化物材料多数 是直接带隙半导体，可用于制作发光二极管、激光器、探测器等，在全色显 示、白光照明、高密度存储、紫外探测等方面有广泛的应用。另一方面，由 于III族氮化物材料有禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和速率高、热稳定性 好、抗腐蚀性强等优点，被广泛用于制作高电子迁移率晶体管、双极型晶体 管、场效应晶体管等微电子器件，适合在高温、大功率及恶劣环境下工作。
目前器件量级的III族氮化物通常都是生长在蓝宝石或SiC衬底上，但是 蓝宝石是绝缘的，硬度高且导电导热性差，使其器件使用功率受限，而SiC 的高成本使得器件生产成本大幅上升。相对蓝宝石和SiC而言，Si材料具有 低成本，大面积，高质量，导电导热性能好等优点，且硅工艺技术成熟，Si 衬底上生长GaN薄膜有望实现光电子和微电子的集成，因此Si衬底上生长 III族氮化物薄膜的研究受到广泛的关注。随着Si基III族氮化物材料生长技 术的逐渐进步，各种器件应用也取得较大进展。
以GaN生长为例，日本名古屋工业大学的B. Zhang等采用AIN/GaN超 晶格来释放应变，生长了厚度为1微米的无裂纹LED器件结构，电荧光测试 表明，其发光波长为453纳米，正向开启电压为3.7V， 20mA时的工作电压 为4.2V， 20mA工作电流下的发光强度在35(iW左右。德国马德堡大学的A. Dadgar等利用A1N插入层以及原位SixNy掩模技术，可以生长出厚度为2.8微米的无裂纹GaN器件结构，测试结果表明，其正向开启电压在2.5-2.8V之 间，最小的串联电阻为55Q，发光波长为455纳米，20mA工作电流下的发 光强度为152(iW。 2003年他们将20mA工作电流下的发光强度提高到 420pW，次年他们又将20mA工作电流下的发光强度提高到890^iW，发光波 长为477纳米，封装后的管芯在120mA的连续工作电流下输出功率达到了 3mW。
国内南昌大学、中国科学院半导体研究所等单位该项工作开展较早，并 取得了比较理想的结果2004年，中国科学院半导体研究所采用MOCVD工 艺在单晶硅上成功生长出了具有较高晶体质量的GaN外延材料；2005年， 南昌大学成功研制出硅基GaN蓝光LED结构，这些都推动了我国半导体照 明事业的快速发展。与蓝宝石衬底上生长的LED器件相比，虽然Si衬底上 生长的GaN基LED结构发光强度较弱，但是可以通过化学腐蚀的方法去除 Si衬底，减小衬底对光的吸收，从而大幅度地增加发光强度。可以预见，在 不久的将来，Si衬底上生长的GaN基LED器件将会显露出强劲的生命力。
Si基III族氮化物材料在场效应晶体管(FETs)方面也取得了很大的进
展。同时，m族氮化物材料在传感器方面的应用研究也已经展开，尤其是将
AlGaN/GaNFETs的压电和极化效应与成熟的Si基微电子机械系统(MEMS) 工艺相结合，能够为GaN材料在MEMS领域的应用提供更为灵活的设计和 工艺方案。美国佛罗里达大学的B.S.Kang等在Si衬底上生长了 AlGaN/GaN FETs结构，通过背面刻蚀衬底Si释放GaN薄膜，制成了电容式压力传感器， 灵敏度达到了 0.86pF/bar。德国University of Ulm的T. Zimmermann等人同样 利用干法刻蚀，在Si衬底上制作出了 AlGaN/GaN悬臂梁结构，并制得了悬 臂梁式压力传感器，测量因子达到90。随着Si基GaN外延技术的发展，Si 基GaN外延薄膜的晶体质量也将不断提高，这都将极大地促进Si基MEMS 器件与GaN材料的结合，并最终实现GaN基传感器在高温和恶劣环境下的 应用。
然而，以Si为衬底的III族氮化物材料生长还存在一些问题如III族氮 化物外延层与Si衬底之间巨大的晶格失配使得III族氮化物外延层中产生大 量的位错和内应力；另一方面III族氮化物与Si的热膨胀系数存在很大的差
4异(GaN与Si的晶格失配达57%)，这导致从生长温度降至室温时在III族
氮化物外延膜中产生大的张应力，从而引起m族氮化物外延片的龟裂。如在
Si衬底上外延生长GaN薄膜，需要生长多层中间缓冲层，工艺复杂且难度大。 本发明考虑到一端固支的悬臂梁结构可以释放III族氮化物外延层与衬底之 间巨大的晶格失配引起的应力，因而有望获得无龟裂和晶体质量良好的III 族氮化物外延片，从而提供了一种将III族氮化物材料与硅基或其他基的微机 械结构相结合以实现新型MEMS的新思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种III族氮化物材料的生长方法， 可以降低III族氮化物生长的残余张应力，防止发生龟裂，提高晶体质量。
为了解决上述问题，本发明提供了一种m族氮化物材料的生长方法，以 悬臂梁作为in族氮化物生长的衬底，包括如下步骤选择一悬臂梁，所述悬
臂梁具有一固定端和一自由端；在悬臂梁的上表面生长一缓冲层，最后在缓
冲层的表面生长in族氮化物外延层。
作为可选的技术方案，所述悬臂梁的材料优先为硅。其他如蓝宝石、碳
化硅或GaAs。
作为可选的技术方案，所述III族氮化物为GaN、 InN、 AlGaN和A1N 中任一种。优先考虑的是GaN， GaN外延层厚度为0.5-2|_im。
作为可选的技术方案，所述悬臂梁的厚度小于10pm，长度小于300pm， 宽度小于lOOjim。
作为可选的技术方案，所述缓冲层选自于A1N以及AlGaN中的一种或 者它们的组合，该组合为多层复合结构。优先的缓冲层材料为A1N，厚度为 20-100nm。
本发明的优点在于，采用悬臂梁作为生长III族氮化物的衬底，由于悬臂
梁仅一端固定，可以降低m族氮化物层中的应力，提高晶体质量。
图i为本发明提供的ni族氮化物材料的生长方法的具体实施方式
的实施 步骤。图2为本发明所选择的仅一端固定的悬臂梁示意图。
图3为图2所示的悬臂梁的扫描电镜图。
图4为在图2所示的悬臂梁上生长的缓冲层。
图5为在图4生长有缓冲层的悬臂梁上生长III族氮化物层。
图6为悬臂梁表面生长了 GaN后的扫描电镜图。
图中100悬臂梁、101悬臂梁的自由端、102悬臂梁固定端、110硅 衬底、120缓冲层、130in族氮化物层。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明提供的III族氮化物材料的生长方法的具体实施 方式做详细说明。
附图1为具体实施方式
的实施步骤示意图，包括步骤1，选择一悬臂 梁，所述悬臂梁具有一固定端和一自由端；步骤2，在悬臂梁的表面生长缓 冲层；步骤3，在缓冲层的表面生长III族氮化物层。
附图2所示，参考步骤1，选择一悬臂梁100，所述悬臂梁100具有一固 定端102和一自由端101。
本具体实施方式
中，所述悬臂梁100的材料为硅，原因在于硅材料的加 工工艺成熟，容易加工成如图2所示的形状。所述悬臂梁100的材料也可以 是蓝宝石、碳化硅或者GaAs等其他材料。
所述悬臂梁100的厚度小于10pm，长度小于300(im，宽度小于100(im。 悬臂梁的三维尺寸越小，越有利于在后续生长III族氮化物的步骤中获得低应 力的III族氮化物晶体。上述是一种优选的悬臂梁100的三维尺寸。
所述悬臂梁IOO具有一固定端102和一自由端101。所述固定端102固 定于基座110。所述基座110为晶圆级硅衬底，例如可以是直径25mm以上 的体硅衬底，或者边长大于lcm的方形硅衬底层等。对于悬臂梁100的尺寸 而言，晶圆级别的基座110可以看作是绝对的固定结构，在生长III族氮化物 的过程中是不会发生形变的。
附图3所示为本具体实施方式
中所述悬臂梁的扫描电镜图，可以清晰的 看到所述悬臂梁一段是固定的，而另一端是自由的。
附图4所示，参考步骤2，在悬臂梁100的上表面生长缓冲层120。
本具体实施方式
中，所述缓冲层120的材料为A1N。所述A1N缓冲层采 用MOCVD的方法生长。生长温度1090°C，源瓶压力786mbar，源温为10°C，金属有机源(MO)流量7ml/min，氨气流量0.31/min，氢气流量2.11/min， 反应室压力50mbar。 A1N缓冲层厚度范围为20-100nm。由于MOCVD的
方法是使混有反应物质的气体流过需要生长的表面，使反应物质在所述表面 发生反应，达到外延生长的目的，因此在采用这种方法生长A1N的情况下， 仅在一个表面具有A1N缓冲层。
所述缓冲层120的材料也可以是AlGaN或者由A1N和AlGaN组成的多 层复合结构(Multi-layer)的材料。
生长缓冲层的目的在于缓解衬底和外延层之间的晶格失配和热失配，可 以进一步降低外延层的应力，具有额外的技术效果，因此是一种可选的技术 方案。
附图5所示，参考步骤3，于缓冲层120的表面生长III族氮化物层130。 本具体实施方式
中，所述III族氮化物为GaN。 GaN外延层厚度范围 0.5-2pm。所述III族氮化物外延层130采用MOCVD (金属有机物化学气相 沉积)方法生长。生长温度1070°C，源瓶压力806mbar，温度0.5°C，金属 有机源(MO)流量5ml/min，氨气流量2.01/min，氢气流量1.21/min，反应室 压力为100mbar。
由于所述悬臂梁100仅具有一个自由端，且三维尺寸较小。因此在生长 GaN层之后，可以降低GaN层中的应力。
附图6所示为本具体实施方式
中所述悬臂梁表面生长了 GaN之后的扫描 电镜图，可以看出悬臂梁表面的GaN层是无裂纹的。测试表明，悬臂梁区域 的GaN层张应力最大值为0.423GPa，较不采用悬臂梁的情况下，应力降低 了 50%左右。
上述GaN层可以用于生长LED、激光器、HEMT等微电子或者光电子 器件。
本具体实施方式
中所述的工艺同样适用于InN、 AlGaN、 A1N等其他III 族氮化物半导体材料的生长。只是缓冲层生长和III族氮化物外延层的生长参 数和厚度略有改变，而且所选用的悬臂梁不只局限于硅，其他如蓝宝石、碳 化硅或GaAs悬臂梁均适用于III族氮化物材料的生长。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种III族氮化物材料的生长方法，其特征在于采用悬臂梁作为III族氮化物层生长的衬底，包括以下步骤1)选择一悬臂梁，所述的悬臂梁具有一固定端和一自由端；2)在步骤1选择的悬臂梁的上表面生长缓冲层；3)在步骤2的缓冲层的表面生长III族氮化物外延层；所述的悬臂梁的材料为硅、蓝宝石、碳化硅或GaAs；所述的缓冲层的材料为AlN、AlGaN或电AlN和AlGaN组成的多层复合结构的材料；所述的III族氮化物外延层为GaN、InN、AlGaN或AlN。
2、 按权利要求i所述的m族氮化物材料的生长方法，其特征在于所述的悬臂梁的厚度小于10pm、长度小于300jam、宽度小于100pm。
3、 按权利要求1所述的III族氮化物材料的生长方法，其特征在于所述的悬臂梁材料为硅。
4、 按权利要求3所述的III族氮化物材料的生长方法，其特征在于(1) 所述的悬臂梁硅一端固定于基座上，所述的基座为晶圆级硅衬底；(2) 所述的晶圆级硅衬底为直径25mm以上的体硅衬底，或边长大于 lcm的方形硅衬底。
5、 按权利要求i所述的m族氮化物材料的生长方法，其特征在于所述的缓冲层材料为A1N。
6、 按权利要求1或5所述的III族氮化物材料的生长方法，其特征在于 所述的缓冲层AIN采用金属有机物化学气相沉积的方法生长。
7、 按权利要求1或5所述的III族氮化物材料的生长方法，其特征在于 AIN缓冲层的厚度为20-100nm。
8、 按权利要求l所述的III族氮化物材料的生长方法，其特征在于所述 的III族氮化物层为GaN层。
9、 按权利要求1或8所述的III族氮化物材料的生长方法，其特征在于 所述的GaN外延层是采用金属有机物化学气相沉积方法。
10、 按权利要求1或8所述的III族氮化物材料的生长方法，其特征在于 GaN外延层厚度为0.5-2(xm。
全文摘要
本发明涉及一种III族氮化物材料的生长方法，其特征在于包括如下步骤选择一悬臂梁，所述悬臂梁具有一固定端和一自由端；在悬臂梁的上表面生长缓冲层，在缓冲层的表面生长III族氮化物层。本发明的优点在于，采用悬臂梁作为生长III族氮化物的衬底，由于悬臂梁仅一端固定，可以降低III族氮化物层中的应力，提高晶体质量。
文档编号B81C1/00GK101428752SQ20081020286
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者孙佳胤, 武爱民, 曦 王, 静 陈 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所