一种SiC衬底生长GaN外延膜的方法与流程

本发明属于gan晶体生长技术领域，具体涉及一种在碳化硅（sic）基体上生长氮化镓（gan）外延膜的方法。

背景技术：

gan单晶衬底的制备非常困难，通常的gan外延都在异质衬底如蓝宝石上进行，但由于蓝宝石和gan具有较大的晶格失配（约13.8%）和热失配，因此生长的gan单晶具有较高的位错密度和较大的应力，严重损害了led器件的光学和电学性能。

sic衬底与gan的晶格失配度小，约3.4%，且具有优良的导电和导热性，是一种理想的gan异质外延衬底，但通常sic表面会覆盖一层氧化硅膜，氧化物与gan的粘附系数较小，一般外延前需要去除氧化层，同时gan晶体与sic衬底间存在的晶格失配和巨大的热失配会使得到的gan外延薄膜中含有大量的位错缺陷及裂纹，严重影响了gan外延膜的质量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种sic衬底生长gan外延膜的方法，利用sih4对衬底进行原位处理，去除了sic衬底表面的氧化层，同时在sic衬底表面可引来均匀的si-h键终端，提高了后续生长的gan外延膜的质量。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种sic衬底生长gan外延膜的方法，包括如下步骤：

（1）将6h-sic衬底开封后先用丙酮浸泡超声清洗去除油脂，然后浸入80℃的h2so4和hno3的混合溶液中以去除表面重金属，80℃~100℃干燥1h~3h后放置在n2保护气氛的mocvd手套箱中，随后利用吸盘将sic衬底移动到mocvd反应室的衬底托盘上；

（2）闭合mocvd反应室，反应室内升温到1050℃-1070℃，通入sih4气体对6h-sic进行原位处理，sih4的流量为1.2-1.8nmol/min，反应室的压力为50-60mbar，原位处理的时间为50-150s；

（3）沉积algan缓冲层：向反应室内同时通入tmga、tmal和nh3，其中，tmga的流量为20-25μmol/min，tmal的流量为3-4μmol/min，nh3的流量为3-3.5slm，sih4流量保持为1.2-1.8nmol/min，温度为1050℃~1070℃；

（4）沉积渐变algan层：将tmga的流量均匀增加至160-200μmol/min，nh3的流量保持为3-3.5slm，关闭tmal的输出，将sih4流量增至7-8nmol/min，温度保持在1050℃~1070℃；

（5）生长gan外延层，厚度为1.6μm~10μm，sih4流量保持在7-8nmol/min，生长过程中ⅴ/ⅲ为100~300，压强为250-300mbar，温度保持在1050℃~1070℃。

其中，步骤（1）中h2so4和hno3的体积比为1：1。

其中，步骤（2）中反应室的压力为50-60mbar，温度为1050℃-1070℃，预先通入sih4气体对sic衬底进行处理的时间长度为50-150s，其浓度由h2稀释为250ppm。

其中，步骤（3）-（5）中以h2为载气。

优选的，步骤（3）和（4）中沉积的algan缓冲层和渐变algan层的总厚度为80-100nm。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明制备工艺简单，省去了传统工艺需要对sic衬底上的氧化膜进行氢氟酸腐蚀去除的步骤，直接利用sih4对6h-sic衬底进行原位处理，不但去除了sic衬底表面的氧化层，同时引来均匀的si-h键终端，提高了后续gan外延膜的质量。

附图说明

图1为本发明实施例一中sih4原位处理sic衬底的机理图；

图2为本发明实施例一中生长的gan的外延结构图；

图3为本发明中不同sih4处理时间得到的gan外延膜的xrd图谱；

图4为本发明中不同sih4处理时间得到的gan外延膜的荧光图谱。

附图标记说明：

1、sic衬底；2、algan缓冲层；3、渐变algan层；4、gan外延层。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种sic衬底生长gan外延膜的方法，是在mocvd设备中进行的，tmal、tmga和nh3分别作为al源、ga源和n源，sih4为n型掺杂剂。本实施例的sic衬底生长gan外延膜的方法包括如下步骤：

（1-1）将6h-sic衬底开封后先用丙酮浸泡超声5min清洗去除油脂，然后浸入80℃的h2so4和hno3的体积比为1:1的混合溶液中10min以去除表面重金属，100℃干燥1h后放置在n2保护气氛的mocvd手套箱中，随后利用吸盘将sic衬底1移动到mocvd反应室的衬底托盘上；

（1-2）闭合mocvd反应室，反应室内升温到1050℃，通入sih4气体对6h-sic进行原位处理，sih4的流量为1.45nmol/min，反应室的压力为55mbar，原位处理的时间为50s，原位处理的机理如图1所示；

（1-3）沉积algan缓冲层2：向反应室内同时通入tmga、tmal和nh3，其中，三甲基镓tmga的流量为22μmol/min，三甲基铝tmal的流量为3.4μmol/min，氨气nh3的流量为3.2slm，sih4的流量保持为1.45nmol/min，温度为1050℃；

（1-4）沉积渐变algan层3：将三甲基镓tmga的流量均匀增加至180μmol/min，关闭三甲基铝tmal的输出，将sih4的流量增至7.40nmol/min，温度保持在1050℃；

（1-5）生长gan外延层4，厚度为1.6μm，sih4的流量保持在7.40nmol/min，生长过程中ⅴ/ⅲ为100，压强为250mbar，温度保持在1050℃，最终生长的gan的外延结构如图2所示；

其中，ⅴ表示第五主族的元素，ⅲ表示第三主族的元素。

实施例2

本实施例提供了一种在sic基体上生长gan外延膜来制备gan衬底的方法，是在mocvd设备中进行的，tmal、tmga和nh3分别作为al源、ga源和n源，sih4为n型掺杂剂。具体包括如下步骤：

（2-1）将购买的6h-sic衬底开封后先用丙酮浸泡超声5min清洗去除油脂，然后浸入80℃的h2so4:hno3（体积比1：1）混合溶液中10min以去除表面重金属，100℃干燥2h后放置在n2保护气氛的mocvd手套箱中，随后利用吸盘将sic衬底移动到mocvd反应室的衬底托盘上；

（2-2）闭合mocvd反应室，反应室内升温到1050℃，通入sih4气体对6h-sic进行原位处理，sih4的流量为1.50nmol/min，反应室的压力为60mbar，原位处理的时间为100s，原位处理的机理如图1所示；

（2-3）沉积algan缓冲层：向反应室内同时通入tmga、tmal和nh3，其中，三甲基镓tmga的流量为25μmol/min，三甲基铝tmal的流量为3.5μmol/min，氨气nh3流量为3.2slm，sih4的流量保持为1.50nmol/min，温度为1050℃；

（2-4）沉积渐变algan层：将三甲基镓tmga的流量均匀增加至190μmol/min，关闭三甲基铝tmal的输出，将sih4的流量增至7.50nmol/min，温度保持在1050℃；

（2-5）生长gan外延层，厚度为3μm，sih4的流量保持在7.50nmol/min，生长过程中ⅴ/ⅲ为200，压强为250mbar，温度保持在1050℃。

实施例3

本实施例提供了一种sic衬底生长gan外延膜的方法，是在mocvd设备中进行的，tmal、tmga和nh3分别作为al源、ga源和n源，sih4为n型掺杂剂。本实施例的sic衬底生长gan外延膜的方法包括如下步骤：

（3-1）将购买的6h-sic衬底开封后先用丙酮浸泡超声5min清洗去除油脂，然后浸入80℃的h2so4:hno3（体积比1：1）混合溶液中10min以去除表面重金属，80℃干燥2h后放置在n2保护气氛的mocvd手套箱中，随后利用吸盘将sic衬底移动到mocvd反应室的衬底托盘上；

（3-2）闭合mocvd反应室，反应室内升温到1060℃，通入sih4气体对6h-sic进行原位处理，sih4的流量为1.45nmol/min，反应室内压力为60mbar，原位处理的时间为150s；

（3-3）沉积algan缓冲层：向反应室内同时通入tmga、tmal和nh3，其中，三甲基镓tmga的流量为22μmol/min，三甲基铝tmal的流量为3.4μmol/min，氨气nh3的流量为3.2slm，sih4的流量保持为1.45nmol/min，温度为1060℃；

（3-4）沉积渐变algan层，将三甲基镓tmga的流量均匀增加至180μmol/min，关闭三甲基铝tmal的输出，将sih4的流量增至7.80nmol/min，温度保持在1060℃；

（3-5）生长gan外延层，厚度为5μm，sih4的流量保持在7.80nmol/min，生长过程中氨气和盐酸的比例为150，压强为250mbar，温度保持在1060℃。

图3给出了不同sih4处理时间得到的gan外延膜的xrd图谱，经过sih4原位处理50s的gan外延膜的半峰宽都增加明显，说明外延膜的晶体质量有所降低。而经过100s的sih4原位处理的gan外延膜xrd两个面的半峰宽则下降明显，为四个样品的最小值，预示着此样品具有最优的晶体质量。而将原位sih4处理的时间延长至150s后，gan外延膜xrd半峰宽增加显著，晶体质量变差。图3表明：处理时间位于50s~150s有利于提高gan外延膜的质量。

图4所示为不同sih4处理时间得到的gan外延膜的pl图谱，同样说明原位处理50s~150s有利于提高gan外延膜的质量，对应于提高的光学质量。

本发明制备工艺简单，省去了传统工艺需要对sic衬底上的氧化膜进行氢氟酸腐蚀去除的步骤，直接利用sih4对6h-sic衬底进行原位处理，不但去除了sic衬底表面的氧化层，同时引来均匀的si-h键终端，提高了后续gan外延膜的质量。

以上所述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来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。