專利名稱：氮化鎵生長方法
技術領域：
本發明屬于半導體技術領域，特別指在氮化鎵材料生長中結合了氧化鋅材料生長
而設計的一種生長方法，可以用于實現高質量非極性氮化鎵等的生長和低成本襯底上的氮 化鎵外延。
背景技術：
ni族氮化鎵多元系材料屬于直接帶隙的半導體材料，帶隙可以從0.7eV連續 調節到6. 2eV，顏色覆蓋從紅外到紫外波長，在光電子如藍光、綠光、紫外光發光二極管 (LED)、短波長激光二極管(LD)，紫外探測器、布拉格反射波導等方面具有重要的應用和發 展。另外氮化鎵(GaN)材料作為第三代半導體材料代表之一，具有直接帶隙、寬禁帶、高飽 和電子漂移速度、高擊穿電場和高熱導率、優異的物理化學穩定性等優異性能，在微電子應 用方面也得到了廣泛的關注，可以制作高溫、高頻和大功率器件，如高電子遷移率晶體管 (HEMT)、異質結雙極晶體管(HBT)等。由于氮化鎵材料在某些波段的發光基本不受材料缺 陷的影響，近些年來氮化鎵基的發光二極管照明迅猛發展，LED大量應用于顯示器、照明、指 示燈、廣告牌、交通燈等，在農業中作為加速光合成光源，在醫療中作為診斷和治療的工具。 表一為GaN和ZnO基本性質的比較。
表一
性質GaNZnO差別
晶格常數(nm)0. 31890. 32495-1. 86%
0. 51860. 52069-0. 40%
熱膨脹系數(/"c)5,59x10-66. 5X10-6-14%
3.17x10-63.0X10-65. 7% 氧化鋅(ZnO)同樣屬于寬禁帶半導體，其帶隙接近氮化鎵，同時晶格常數和熱膨 脹系數也非常接近氮化鎵(見表一 )。相比于氮化鎵來說氧化鋅具有活潑的化學性質和優 異的生長取向性，同時也易于形成可控的納米結構。由于晶格的接近，氮化鎵和ZnO常常互 相作為緩沖層用于提高晶體質量；由于ZnO的晶向相對容易控制，可以通過生長不同晶向 的ZnO來實現各種晶向的氮化鎵生長，包括極性的、半極性的和非極性的氮化鎵生長。同時 ZnO活潑的化學性質為工藝提供了更多的方便，可以作為氮化鎵生長的輔助剝離層。
本發明以前氮化鎵材料生長多以低溫氮化鎵或者氮化鋁等作為緩沖層，通過兩步 法獲得較高質量的氮化鎵材料。這種方式在藍寶石、SiC甚至Si上都獲得比較好的氮化鎵 材料，但是最近的嘗試表明如果在非c面氮化鎵的生長中單純的使用兩步法難于獲得高質 量的器件級氮化鎵材料。另外在更加廉價的多晶或者非晶襯底上生長氮化鎵材料也難于使 用兩步法實現。相比于氮化鎵來說，氧化鋅更加易于擇優取向，更加容易形成單晶納米圖 形，這就使得氧化鋅非常適合于在多晶或者非晶材料上形成擇優取向的定向生長，從而為
3后續的單晶生長提供必要條件。此外Zn0的引入還可以使得我們控制氮化鎵的生長取向， 可以生長出極性、半極性或者非極性的氮化鎵材料。 本發明旨在氮化鎵生長中引入ZnO緩沖層，提高氮化鎵的晶體質量；或者是形成 適合于不同極性的氮化鎵生長方法；或者是在Si、多晶、非晶等更加廉價的襯底上形成高 質量的氮化鎵生長。從而為發展高性能光電子和微電子材料提供新的選擇。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種氮化鎵生長方法，在生長氮化鎵材料時，首先生長氧 化鋅緩沖層，結合氧化鋅和氮化鎵相同晶格結構、相近晶格常數和熱膨脹系數以及氧化鋅 容易擇優取向生長和形成納米結構的優勢，從而實現氮化鎵材料的高質量生長和極性選擇 以及低成本襯底的使用。
本發明提供一種氮化鎵生長方法，其特征在于，包括如下步驟
步驟1 :取一襯底； 步驟2 :在襯底上采用磁控濺射、脈沖激光沉積或M0CVD的方法，生長緩沖層；
步驟3 :在緩沖層上采用M0CVD、HVPE或者脈沖激光沉積、磁控濺射的方法，生長外延層。 其中襯底的材料為SiC、藍寶石、Si或者石英玻璃。
其中緩沖層的材料為氧化鋅。
其中外延層的材料為氮化鎵。
其中緩沖層的厚度為20-5000nm。 本發明的氮化鎵生長方法，是在生長氮化鎵材料前首先在襯底上生長一層氧化鋅
材料，然后在氧化鋅上生長氮化鎵材料。生長該層氧化鋅材料可以利用氧化鋅易于取向的
特點實現不同的取向的生長；利用氧化鋅易于腐蝕的特點方便實現圖形化生長和選區外
延；利用氧化鋅和氮化鎵的良好晶格匹配和熱匹配實現高質量的氮化鎵材料生長。 本發明所采用的技術措施，可以實現高質量氮化鎵材料的低成本和高可控生長，
為實現氮化鎵材料體系的廣闊市場應用奠定基礎，最重要的應用包括非極性氮化鎵的高質
量生長，低成本多晶或者非晶襯底上的氮化鎵單晶生長等。
為進一步說明本發明的內容，以下結合具體實施例及附圖對本發明作一詳細的描 述，其中 圖1是發明的氮化鎵生長示意圖； 圖2是XRD測試結果圖使用氧化鋅鋅緩沖層的生長為(10-10)m面氮化鎵和不使 用氧化鋅緩沖層的生長為(10-1-3)面氮化鎵；
圖3為m面氮化鎵的XRD搖擺曲線圖。
具體實施例方式請參閱圖1，本發明一種氮化鎵生長方法，包括如下步驟 步驟1 :取一襯底IO，該襯 10的材料可以為SiC、藍寶石、Si或者石英玻璃，該襯底材料取向(如果有)將影響后續外延材料的取向，同時也將影響后續材料的性能；
步驟2 :在襯底10上采用磁控濺射、脈沖激光沉積或M0CVD的方法，生長緩沖層 20，該緩沖層20的材料為氧化鋅，通過不同溫度、壓力、氣氛等的控制可以得到不同性能的 氧化鋅材料，有利于后面外延氮化鎵的性能控制； 步驟3 :在緩沖層20上采用M0CVD、 HVPE或者磁控濺射、脈沖激光沉積的方法，生 長外延層30，該外延層30的材料為氮化鎵，可以通過HVPE快速生長厚膜或者MOCVD等生長 薄膜材料。
實施例 請結合參閱圖l所示，首先在m面的藍寶石襯底IO上使用磁控濺射的方法，生長 氧化鋅緩沖層20，該緩沖層的厚度為200nm，為了對照，我們同時也選擇不生長氧化鋅緩沖 層20的m面藍寶石進行實驗對照； 然后在生長了氧化鋅緩沖層20和沒有生長氧化鋅緩沖層20的藍寶石上使用HVPE 方法生長50微米的氮化鎵外延層30，為了避免氧化鋅在還原氣氛下的反應，載氣使用氮 氣； 隨后通過XRD對生長的氮化鎵進行表征，發現沒有生長氧化鋅緩沖層20的氮化 鎵外延層30為(10-1-3)面取向；而生長了氧化鋅緩沖層20的氮化鎵外延層30取向為 m(10-10)面取向，(如圖2所示)。這說明氮化鎵外延層30的取向受到氧化鋅緩沖層20的 控制，而不是通過襯底IO直接形成。同時XRD搖擺曲線也表明生長氧化鋅后氮化鎵的晶體 質量較好，見圖3。
權利要求
一種氮化鎵生長方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上采用磁控濺射、脈沖激光沉積或MOCVD的方法，生長緩沖層；步驟3在緩沖層上采用MOCVD、HVPE或者脈沖激光沉積、磁控濺射的方法，生長外延層。
2. 根據權利要求1所述的氮化鎵生長方法，其特征在于，其中襯底的材料為SiC、藍寶 石、Si或者石英玻璃。
3. 根據權利要求1所述的氮化鎵生長方法，其特征在于，其中緩沖層的材料為氧化鋅。
4. 根據權利要求1所述的氮化鎵生長方法，其特征在于，其中外延層的材料為氮化鎵。
5. 根據權利要求l所述的氮化鎵生長方法，其特征在于，其中緩沖層的厚度為 20-5000nm。
全文摘要
一種氮化鎵生長方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1取一襯底；步驟2在襯底上采用磁控濺射、脈沖激光沉積或MOCVD的方法，生長緩沖層；步驟3在緩沖層上采用MOCVD、HVPE或者脈沖激光沉積、磁控濺射的方法，生長外延層。本發明的氮化鎵生長方法，可以實現氮化鎵材料的高質量生長和極性選擇以及低成本襯底的使用。
文檔編號H01L21/02GK101728248SQ20081022410
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者曾一平, 李晉閩, 段瑞飛, 王國宏, 魏同波 申請人:中國科學院半導體研究所