一种氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，在蓝宝石基板上在反应管内部为正压且V/III ratio为10～80的条件下生长第一氮化镓缓冲层；在第一氮化镓缓冲层上在反应管内部为负压且V/III ratio为2～10的条件下生长第二氮化镓缓冲层；交替重复上述步骤，使第一氮化镓缓冲层与第二氮化镓缓冲层反复交替生长。木发明提供的是一种反复交替生长具有2种不同的生长模式的两种氮化镓缓冲层来获得高生长率、低缺陷密度的高品质氮化镓厚膜的方法，且通过本发明提供的缓冲结构制备氮化镓厚膜其厚度可达300μm以上。
【专利说明】一种氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可在高输出、低电压中驱动的高品质氮化镓基板的制作方法，SP在多层结构的各个层改变其生长方式来获得电位缺陷密度低、结晶度高的氮化镓基板。
【背景技术】
[0002]近来，氮化镓(GaN)半导体不仅适用于发光元件，而且还广泛适用于电力半导体。这是因为它可以大大提高逆变器和转化器等电力变换器的效率并且可实现小型化。另外，因氮化镓(GaN)具有较宽的带隙(3.4eV)、较高的破坏绝缘电压、较宽的临界磁场、较高的热传导率等突出的性能，其氮化镓元件可在高压、高交换频率中运作以及针对高功率的密度可提供良好的输出效率而适用于高性能电机。
[0003]如上所述，为使氮化镓半导体适用于半导体元件，它必须是以结晶缺陷较少的单晶形态生长的，结晶缺陷尤其会对元件的特性和寿命造成负面的影响。
[0004]一般来说，氮化镓是在互不相同的异种基板上生长的，所以基板与氮化镓膜之间的晶格失配(lattice mismatch)以及热膨胀系数(coefficient of thermal expans1n:CTE)差异会引发氮化镓膜内部的缺陷。这种缺陷会使所生长氮化镓的结晶度低下，因此为了缓和这种现象，都在致力于研究各种各样缓冲层。
[0005]对此，近来为了降低蓝宝石基板上所生长的氮化镓膜的电位缺陷密度，ELOG(Epitaxial Lateral Overgrowth)技术、侧向生长氮化嫁的 VAS(Void-AssistedSeparat1n)技术等被开发并适用。此类方式是初期在蓝宝石基板上生长氮化镓膜后，使用S12等面具来进行纹样刻制(patterning)并继续氮化镓的生长。但是，上述的缓冲层必然会伴随工序的增加，继而会影响到整个工艺的效率。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的问题是提供一种可以缓和在氮化镓厚膜基板制作过程中产生的缺陷的缓冲层结构。
[0007]为了解决上述问题，本发明提供了一种氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
[0008]步骤I):在生长温度为900?1000°C，反应管内部为正压且V/III rat1为10?80的条件下，在蓝宝石基板上生长第一氮化镓缓冲层；
[0009]步骤2):在生长温度为900?1000°C，反应管内部为负压且V/III rat1为2?10的条件下，在步骤I)制得的第一氮化镓缓冲层上生长第二氮化镓缓冲层；
[0010]步骤3):在步骤2)制得的第二氮化镓缓冲层(3)上，交替重复步骤I)和步骤2)，使第一氮化镓缓冲层(2)与第二氮化镓缓冲层(3)反复交替生长，得到氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构。
[0011]优选地，所述第一氮化镓缓冲层是经过以垂直生长为主的3次元生长形成的。
[0012]优选地，所述第二氮化镓缓冲层是经过以侧面生长为主的2次元生长形成的。
[0013]优选地，所述步骤3)中的交替重复步骤I)和步骤2)具体为:第一氮化镓缓冲层、第二氮化镓缓冲层交替生长，各生长2?10次，且两者的层数相同。
[0014]优选地，所述步骤I)的中正压具体为750?800torr ;生长时间为I?5分钟。
[0015]优选地，所述步骤2)中的负压具体为700?750torr ;生长时间为I?5分钟。
[0016]优选地，在1000?1040°C的生长温度下，可在所述步骤3)制得的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构上生长氮化镓厚膜。
[0017]进一步地,所述氮化镓厚膜的厚度至少300 μ m。
[0018]本发明的原理说明:较低的内部压力(负压< 760torr)
[0019]反应管内部的压力小于大气压时，将氨气(NH3)的流量固定在100?4000sccm并调整氯化氢气体(HCl)来确认氮化镓的生长。在上述条件下，若氯化氢气体的流量大(即V/III rat1低)，那么氮化镓结晶是镓饱和(Ga rich)状态，而镓饱和状态会阻碍到氮化镓膜的单晶结晶度。，若氯化氢气体的流量小(即V/III rat1高)，那么生长率会较低，其2次元生长(2dimens1n growth)占优势形成侧面生长，因此结晶度会提高。
[0020]较高的内部压力(正压> 760torr)
[0021]反应管内部的压力高于大气压时，将氨气(NH3)的流量固定在1000到4000sCCm并调整氯化氢气体(HCl)来确认氮化镓的生长。在上述条件下，若氯化氢气体的流量大(即V/III rat1低)，那么氮化镓结晶的生长率会显著提高,其三次元生长(3dimens1ngrowth)占优势形成垂直生长，因此生长率会提高。相反，若氯化氢气体的流量大(即V/III rat1高)，那么氮化镓结晶是氮饱和状态，而氮饱和状态会阻碍到氮化镓膜的单晶的生长。
[0022]在较高的内部压力下，若增加氯化氢气体的流量，那么垂直生长会占优势以3次元模式生长，此时生长率会明显提高，但是其内部的缺陷密度会很高。这时，若在较低的内部压力下，减少氯化氢气体的流量，那么侧面生长会占优势以2次元模式生长，此时结晶度是提高了的，但是其生长率较低，单独靠它来生长氮化镓厚膜是远远不足的。
[0023]进一步而言，交替生长两种不同生长模式的缓冲层来更有效地去缓和电位缺陷以及界面应力，从而制得高品质的氮化镓厚膜。
[0024]本发明所设计的缓冲层结构是通过控制反应管内部的压力以及氯化氢气体的流量可改变生长模式的缓冲层。本发明提供的是根据反应管内部的压力和氯化氢气体的相关机理制定一种能提高氮化镓结晶度并且可缩短工艺时间生长时间，由此制得高品质氮化镓厚膜的方法。因此，本发明提供的是一种反复交替生长具有2种不同的生长模式的两种氮化镓缓冲层来获得高生长率、低缺陷密度的高品质氮化镓厚膜的方法，且通过本发明提供的缓冲结构制备氮化镓厚膜其厚度可达300 μ m以上。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0026]1.相比以往单一的缓冲层的形成方式，通过反复交叉2次元生长和3次元生长可以获得缺陷密度低裂痕(crack)较少的氮化镓薄膜。
[0027]2.通过将3次元生长反复交叉于厚膜生长过程，可以提高生长率，也由此可以缩短氮化镓厚膜生长中的工艺流程时间。
[0028]3.缺陷密度低的氮化镓厚膜可通过后加工制得单晶氮化镓基板，所以在利用氮化镓制作相应元件时，其高效性是可见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为通过本发明提供的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构制备的氮化镓厚膜的截面示意图；
[0030]图2为实施例1制得的氮化镓厚膜其结晶度的XRD半值幅(Full width at halfmaximum:FffHM)的数据图。
[0031]图2 中:(002)面为 67arcsec, (102)面为 92arcsec。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0033]对比例I
[0034]蓝宝石基板放置在压力为780torr的HVPE反应管，将V/III rat1设置为8之后在高温下(10(TC)使氮化镓生长5分钟；生长出来的氮化镓其结晶颗粒(grain)小，是垂直生长为主的3次元氮化镓结晶，此时氮化镓的电位缺陷密度为111CnT2 ;接着，在此缓冲层上面以V/III rat1 30，在1000?1040°C生长温度下生长300 μ m的氮化镓厚膜，其电位缺陷密度为17CnT2。
[0035]对比例2
[0036]蓝宝石基板放置在压力为730torr的HVPE反应管，将V/III rat1设置为60之后在高温下(ΙΟΟΟ? )使氮化镓生长5分钟；生长出来的氮化镓其结晶颗粒(grain)大，是侧面生长为主的2次元氮化镓结晶，此时氮化镓的电位缺陷密度为为19CnT2 ;接着，在此缓冲层上面以V/III rat1 30，在1000?1040°C生长温度下生长300 μ m的氮化镓厚膜，其电位缺陷密度为为107cm_2。
[0037]实施例1
[0038]蓝宝石基板I放置在压力为780torr的HVPE反应管，将V/III rat1设置为8之后在高温下(1000°c)使氮化镓生长5分钟，这时候的氮化镓是垂直生长为主的第一缓冲层2 ;接着，在第一缓冲层2的上面，在压力为780torr的HVPE反应管内，将V/III rat1设置为8之后在高温下(1000°C)使氮化镓生长5分钟，这时候的氮化镓是侧面生长为主的第二缓冲层3 ;然后，在第二缓冲层3上交替生长各5次同样缓冲层；最后，在生长完成的最上层的缓冲层上面，以V/III rat130、1000?1040°C的生长温度下生长厚度为300 μ m的氮化镓厚膜4，其电位缺陷密度仅仅为15?106cm_2。
[0039]如图1所示，为实施例1制得的氮化镓厚膜的交截面示意图。首先在蓝宝石基板I上将内部压力设为正压且调高V/III比率高来启动3次元垂直生长，以此可以减少与作为异种基板的蓝宝石基板I之间的晶格失配以及热膨胀系数的差异。然后，在这上面将内部压力降低为负压且调低V/III比率来启动2次元生长，以此可通过侧面生长来减少其下端3次元氮化镓结晶造成的缺陷。紧接着，为了提高后续厚膜的生长率，再进行3次元垂直生长。再接着，利用2次元垂直生长来再一次减少上一过程中产生的缺陷。通过上述的交叉生长方法可确保最终获得的氮化镓厚膜4具有高品质的结晶度，并且除去蓝宝石基板I后可制得氮化镓厚膜4基板。
[0040]如图2所示，为对于由2种不同的生长模式反复交叉形成的缓冲结构来生长出的氮化镓厚膜，测得的表示其结晶度的XRD半值幅(Full width at half maximum:FWHM)。
(002)面为67arcsec，(102)面为92arcsec，具有较窄的半值幅。这个值说明，通过本发明中所提出的方法生长缓冲层并生长氮化镓厚膜时，结晶内部几乎不存在缺陷，是具有高品质结晶度的氮化镓厚膜。
【权利要求】
1.一种氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，具体包括以下步骤: 步骤I):在生长温度为900?1000°C，反应管内部为正压且V/III rat1为10?80的条件下，在蓝宝石基板(I)上生长第一氮化镓缓冲层(2); 步骤2):在生长温度为900?1000°C，反应管内部为负压且V/III rat1为2?10的条件下，在步骤I)制得的第一氮化镓缓冲层(2)上生长第二氮化镓缓冲层(3): 步骤3):在步骤2)制得的第二氮化镓缓冲层(3)上，交替重复步骤I)和步骤2)，使第一氮化镓缓冲层(2)与第二氮化镓缓冲层(3)反复交替生长，得到氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构。
2.如权利要求1所述的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，所述第一氮化镓缓冲层(2)是经过以垂直生长为主的3次元生长形成的。
3.如权利要求1所述的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，所述第二氮化镓缓冲层(3)是经过以侧面生长为主的2次元生长形成的。
4.如权利要求1所述的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，所述步骤3)中的交替重复步骤I)和步骤2)具体为:第一氮化镓缓冲层、第二氮化镓缓冲层交替生长，各生长2?10次，且两者的层数相同。
5.如权利要求1所述的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，所述步骤I)的中正压具体为750?800torr ;生长时间为I?5分钟。
6.如权利要求1所述的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，所述步骤2)中的负压具体为700?750torr ;生长时间为I?5分钟。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，在1000?1040°C的生长温度下，可在所述步骤3)制得的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构上生长氮化镓厚膜。
8.如权利要求7所述的氮化镓厚膜生长所需的缓冲层结构的形成方法，其特征在于，所述氮化镓厚膜的厚度至少300 μ m。
【文档编号】H01L21/02GK104392900SQ201410568186
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】金施耐, 许桢, 金东植, 朴昌蓝 申请人:上海世山科技有限公司, 上海正帆科技有限公司