采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，涉及以衬底为特征的外延层生长方法【技术领域】。包括以下步骤：1）在Si衬底上生长SiGeC缓冲层；2）在SiGeC缓冲层上生长GaN层。所述方法在Si衬底上外延生长GaN材料时，能改善GaN材料的应力状态，降低位错密度，提高晶体质量；同时增大GaN材料的生长窗口，使外延生长更容易，进而减低工艺难度，改善器件的性能。
【专利说明】采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及以衬底为特征的外延层生长方法【技术领域】，尤其涉及一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法。
【背景技术】
[0002]以GaN为代表的第三代半导体材料正在兴起，以其禁带宽度大、低介电常数、电子饱和漂移速度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、抗辐射能力强等特性受到广泛重视。在电子器件方面，GaN材料可用于高频、高温和大功率器件，在光电器件方面，GaN基材料可以用于发光二极管、激光器、探测器，实现红外到紫外的全面覆盖。但是，由于GaN单晶还处于实验阶段，GaN材料的异质外延生长是不可避免的，衬底材料有蓝宝石、SiC和Si衬底等。与蓝宝石和SiC相比，Si衬底具有价格低、质量高、热导率高、电导率好、大直径单晶生长技术成熟等优势，并且Si衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统Si基器件工艺兼容，在Si衬底上外延GaN材料提供了一种新的技术平台，将加速和扩大GaN在光电子和微电子方面的应用。
[0003]由于Si衬底和GaN的晶格失配(大约17%)和热失配(大约54%)非常大，造成GaN外延层中的位错密度很高，GaN在高温生长后降温的过程中产生较大的张应力而出现微裂纹，随着外延尺寸的增大更为严重。缓冲层是决定Si衬底GaN材料质量的关键因素，随着近年来各种生长技术的突破，Si衬底GaN材料发展迅速，但是缓冲层主要采用GaN或AlN缓冲层，一直未有突破，随着Si衬底GaN材料外延尺寸的增大，缓冲层技术的研究迫在眉睫。
[0004]在传统Si衬底上外延GaN材料中，有用低温三族氮化物材料做缓冲层的，也有用高温三族氮化物材料做缓冲层的，但是随着Si衬底尺寸的增大，三族氮化物材料做缓冲层的临界厚度越来越小，而随着Si衬底尺寸的增大要求缓冲层厚度是越来越厚的，因此传统缓冲层的GaN材料晶体质量很难提高，位错密度会越来越大，甚至由于应力问题产生裂片。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，所述方法在Si衬底上外延生长GaN材料时，能改善GaN材料的应力状态，降低位错密度，提高晶体质量；同时增大GaN材料的生长窗口，使外延生长更容易，进而减低工艺难度，改善器件的性能。
[0006]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于包括以下步骤:
1)在Si衬底上生长SiGeC缓冲层；
2)在SiGeC缓冲层上生长GaN层。
[0007]优选的，在生长GaN层之前首先在SiGeC缓冲层上生长三族氮化物层，然后在三族氮化物层之上生长GaN层。
[0008]优选的，所述方法还包括步骤3):在生长的GaN层上进行微电或光电器件结构的多层生长。
[0009]优选的，所述步骤I)为:在Si衬底上生长Si^GexCy缓冲层，其中，O≤X≤1，O ^ y ^ 1,0^ x+y ^ I。
[0010]优选的，所述三族氮化物层为:A1N、AlGaN, AlInN, InGaN、AlInGaN中的一种或几种的混合物。
[0011]优选的，在生长过程中使用金属有机化学气相沉积和分子束外延生长系统。
[0012]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明通过SiGeC缓冲层技术解决Si衬底特别是大尺寸(大于6英寸)Si衬底上外延GaN材料现有技术中存在的问题。SiGeC合金是一种三元合金，C原子比Si和Ge小得多(Ge的晶格常数比Si大4.2%，比C大52%)，故形成SiGeC后，可实现与Si衬底的晶格匹配，Si1^yGexCy合金的晶格常数a与x、y有线性关系:a=a(Si) + [a(Ge) — a(Si) ]x+[a(C) 一 a (Si)] y,据此，当 x:y=8.2:1 时,可很好补偿晶格应变，实现无应力生长，当C继续增加时可进一步降低晶格常数，最终实现SiC的状态，进而生长GaN材料，并提闻材料晶体质量。
[0013]因此，利用本发明所述的方法在Si衬底上外延生长GaN材料时，能改善Si衬底GaN材料的应力状态，降低位错密度，提高材料的质量；同时增大GaN材料的生长窗口，使材料生长更容易，进而减低工艺难度，改善器件的性能，大大提高我国GaN器件的水平和应用领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0015]图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
其中:l、Si衬底2、Sih_yGexCy缓冲层3、GaN层4、三族氮化物层。
【具体实施方式】
[0016]本发明生长设备用的是金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)生长系统，GaN材料生长所用衬底为Si衬底。下面是实施例一和实施例二具体说明:其中，SiGeC缓冲层、GaN、三族氮化物层的生长方法均采用常规的生长方法，三族氮化物和GaN材料可以低温生长也可以高温生长。
[0017]实施例一:一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，包括以下步骤:
1)在Si衬底I上生长Si1^GexCy缓冲层2，其中，O≤X≤1，0≤y≤1,0^ x+y ^ I ；
2)在Si^GexCy缓冲层上生长GaN层3;
3)在生长的GaN层3上进行微电或光电器件结构的多层生长，生长后的结构如图1所
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[0018]实施例二:一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，包括以下步骤:
1)在Si衬底I上生长Si1^GexCy缓冲层2，其中，O≤X≤1，0≤y≤1,0^ x+y ^ I ；
2)在Si1^GexCy缓冲层上生长三族氮化物层4，所述三族氮化物层4为:A1N、AlGaN,AlInN、InGaN、AlInGaN中的一种或几种的混合物；
3)然后在三族氮化物层4之上生长GaN层3;4)在生长的GaN层3上进行微电或光电器件结构的多层生长，生长后的结构如图2所
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[0019]本发明通过SiGeC缓冲层技术解决Si衬底特别是大尺寸(大于6英寸)Si衬底上外延GaN材料现有技术中存在的问题。SiGeC合金是一种三元合金，C原子比Si和Ge小得多(Ge的晶格常数比Si大4.2%，比C大52%)，故形成SiGeC后，可实现与Si衬底的晶格匹配,Si1IyGexCy 合金的晶格常数 a 与 x、y 有线性关系:a=a(Si) + [a(Ge) — a(Si) ]x+[a(C)—a (Si)] y,据此,当x:y=8.2:1时,可很好补偿晶格应变,实现无应力生长，当C继续增加时可进一步降低晶格常数，最终实现SiC的状态，进而生长GaN材料，并提高材料晶体质量。
[0020]因此，利用本发明所述的方法在Si衬底上外延生长GaN材料时，能改善GaN材料的应力状态，降低位错密度，提高晶体质量；同时增大GaN材料的生长窗口，使外延生长更容易，进而减低工艺难度，改善器件的性能，大大提高我国GaN器件的水平和应用领域。
[0021]本文中应用了具体个例对本发明的原理及其实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于包括以下步骤: 1)在Si衬底(I)上生长SiGeC缓冲层； 2)在SiGeC缓冲层上生长GaN层(3)。
2.根据权利要求1所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于:在生长GaN层(3)之前首先在SiGeC缓冲层上生长三族氮化物层(4)，然后在三族氮化物层(4)之上生长GaN层(3)。
3.根据权利要求1或2所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于所述方法还包括步骤3):在生长的GaN层(3)上进行微电或光电器件结构的多层生长。
4.根据权利要求1或2所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于所述步骤I)为:在Si衬底上生长Si1^GexCy缓冲层(2)，其中，O≤X≤1，0≤y≤1，O ^ x+y < I。
5.根据权利要求2所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于所述三族氮化物层(4)为:AlN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1或2所述的采用SiGeC缓冲层在Si衬底上生长GaN的方法，其特征在于，在生长过程中使用金属有机化学气相沉积和分子束外延生长系统。
【文档编号】C30B29/40GK103646858SQ201310635523
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】刘波, 冯志红, 蔡树军 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所