公开/公告号CN105655238A
专利类型发明专利
公开/公告日2016-06-08
原文格式PDF
申请/专利权人 西安电子科技大学;
申请/专利号CN201610130918.7
申请日2016-03-08
分类号H01L21/02(20060101);C23C14/35(20060101);C23C14/06(20060101);C23C16/34(20060101);C23C28/04(20060101);
代理机构61205 陕西电子工业专利中心;
代理人田文英;王品华
地址 710071 陕西省西安市太白南路2号
入库时间 2023-12-18 15:46:39
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2018-05-15
授权
授权
2016-07-06
实质审查的生效 IPC(主分类):H01L21/02 申请日:20160308
实质审查的生效
2016-06-08
公开
公开
技术领域
本发明属于电子技术领域,更进一步涉及微电子技术领域中的一种基于石 墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法。本发明可用于生长硅基氮化镓, 获得的硅基氮化镓可进一步制作成半导体器件。
背景技术
氮化镓由于禁带宽度大、电子迁移率高、击穿电场大等优势在光电器件和 电子器件等领域有广泛的应用。所以,生长高质量氮化镓是制作微波功率器件的 关键。
硅在微电子领域有极其成熟的发展与应用,硅的单晶质量高,成本低,尺 寸大,且可以实现光电集成,因此非常适合在其上制备III族氮化物的外延薄 膜。但是,由于较大的晶格适配和热适配,直接在硅衬底上生长III族氮化物 薄膜,存在较高的晶格缺陷,严重影响薄膜质量。
石墨烯是一种新颖的二维材料。其迁移率非常高。石墨烯和氮化镓的晶格 失配不超过3%。因此,非常适合在其上面生长III族氮化物。
中国科学院半导体所在其申请的专利“一种以石墨烯作为缓冲层外延氮化 镓的结构及其制备方法”(申请号:201110112819.3,公布号:CN102769081A) 中公开了一种石墨烯作为缓冲层外延氮化镓的结构和制备方法。该方法通过采用 石墨烯层作为衬底与氮化镓外延层之间的缓冲层,在石墨烯层和氮化镓层之间插 有氮化物薄层,以获得低应力、高质量的氮化镓外延层,有效缓解了衬底与氮化 镓之间的晶格失配和热膨胀系数失配的难题。但是,该方法仍然存在的不足之处 是:1、该方法采用碳化硅作为衬底,衬底成本太高。2、该方法直接在碳化硅衬 底上生长石墨烯,生长困难,并且石墨烯质量较差。3、该方法在石墨烯层和氮 化镓层之间直接插入的氮化物薄层成核困难,结晶质量差,影响下一步氮化镓的 生长。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的存在不足,提供一种基于石墨烯和 磁控溅射氮化铝的硅衬底上氮化镓的金属有机物化学气相淀积MOCVD生长方法, 以提高氮化镓质量。
为实现上述目的,本发明的具体思路是:首先,将单层石墨烯进行转移到 硅衬底上;然后,磁控溅射一层氮化铝,以缓解衬底与氮化镓之间由于晶格失配 产生的应力;接下来,用金属有机物化学气相淀积MOCVD采用脉冲法外延一层氮 化铝作为过渡层,以提升材料的质量;最后,再将样品放入金属有机物化学气相 淀积MOCVD中依次外延氮化铝过渡层、低V/III比GaN外延层和高V/III比GaN 外延层。
实现本发明目的技术关键是:采用石墨烯、磁控溅射氮化铝成核层和金属 有机物化学气相淀积MOCVD脉冲法外延氮化铝的方式,首先在硅衬底上制备石墨 烯,然后磁控溅射氮化铝成核层、最后在通过金属有机物化学气相淀积MOCVD外 延氮化铝缓冲层和氮化镓外延层;通过调节各层生长的压力、流量、温度以及厚 度生长条件,提高氮化镓的质量。
本发明的具体步骤包括如下:
(1)转移石墨烯:
(1a)采用化学气相淀积法,在金属衬底上生长单层石墨烯;
(1b)将单层石墨烯置于1M氯化铁和2M盐酸的混合溶液中12小时;
(1c)去除金属衬底后将单层石墨烯转移到硅衬底上,得到覆盖石墨烯的 硅衬底;
(2)磁控溅射氮化铝:
(2a)将覆盖石墨烯的硅衬底置于磁控溅射系统中,反应室压力为1Pa, 通入氮气和氩气5min;
(2b)以5N纯度的铝为靶材,采用射频磁控溅射,在覆盖石墨烯的硅衬底 上溅射氮化铝,得到溅射氮化铝的基板;
(3)热处理:
(3a)将溅射氮化铝的基板置于金属有机物化学气相淀积金属有机化合物 化学气相沉淀MOCVD反应室中,向反应室通入氢气与氨气的混合气体5min;
(3b)通入氢气与氨气的混合气体5min后,将反应室加热到600℃,对溅 射氮化铝的基板进行20min热处理,得到热处理后的基板;
(4)生长氮化铝过渡层:
(4a)保持反应室压力为40Torr,将温度升到650℃,依次通入氢气、氨 气和铝源,低温生长7nm的氮化铝缓冲层;
(4b)在氢气、氨气和铝源的气氛下,将温度升到1050℃,采用脉冲式的 MOCVD生长方法,得到氮化铝基板;
(5)生长低V-III比氮化镓层:
(5a)将反应室压力降为20Torr,温度降到1000℃,依次通入氢气、氨气 和镓源;
(5b)在氢气、氨气和镓源的气氛下,采用化学气相淀积法在氮化铝基板 上生长氮化镓外延层,得到低V-III比氮化镓基板;
(6)生长高V-III比氮化镓层:
(6a)保持反应室温度为1000℃,将压力升高到为40Torr,依次通入氢气、 氨气和镓源;
(6b)在氢气、氨气和镓源的气氛下,采用化学气相淀积法在低V-III比氮 化镓基板上生长氮化镓外延层;
(6c)将反应室温度降至室温后取出样品,得到基于石墨烯和磁控溅射氮 化铝的氮化镓。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
第一,由于本发明采用石墨烯转移技术在硅衬底上制备石墨烯,克服了现有 技术直接在硅衬底上石墨烯生长困难,质量差的不足,使得本发明具有易得到覆 盖石墨烯的硅衬底的优点。
第二,由于本发明采用磁控溅射生长氮化铝,克服了现有技术氮化物材料在 石墨烯上成核困难的不足,使得本发明具有氮化物材料在石墨烯上成核易的优 点。
第三,由于本发明采用脉冲法生长氮化铝,克服了现有技术生长氮化铝位错 密度大,质量差的不足,使得本发明具有易得到高质量的氮化铝插入层的优点。
附图说明
图1是本发明的流程图;
图2是本发明的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案和效果做进一步的说明。
参照附图1,本发明的具体步骤如下:
步骤1:转移石墨烯。
采用化学气相淀积法,在金属衬底上生长0.34nm的单层石墨烯,然后将单 层石墨烯置于1M氯化铁和2M盐酸的混合溶液中12小时,最后去除金属衬底后 将单层石墨烯转移到硅衬底上,得到覆盖石墨烯的硅衬底。
步骤2:磁控溅射氮化铝。
将覆盖石墨烯的硅衬底置于磁控溅射系统中,反应室压力为1Pa,通入氮气 和氩气5min。以5N纯度的铝为靶材,采用射频磁控溅射,在覆盖石墨烯的硅衬 底上溅射30-100nm的氮化铝,得到溅射氮化铝的基板,其中氨气流量为 1000sccm;铝源流量为5-100μmol/min。
步骤3:热处理。
将溅射氮化铝的基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中,向反应 室通入氢气与氨气的混合气体5min,通入氢气与氨气的混合气体5min后,将反 应室加热到600℃,对溅射氮化铝的基板进行20min热处理,得到热处理后的基 板。
步骤4:生长氮化铝过渡层。
保持反应室压力为40Torr,将温度升到650℃,依次通入氢气、氨气和铝源, 低温生长7nm的氮化铝缓冲层。在氢气、氨气和铝源的气氛下,将温度升到1050 ℃,采用脉冲式的MOCVD生长方法,得到氮化铝基板。脉冲式金属有机化合物化 学气相沉淀MOCVD生长方法是指,在生长氮化铝的一个脉冲周期T1+T2内,在 T1时间内通入氨气,在T2时间内不通入氨气;所述的T1时间设置为12s,T2 时间设置为6s,脉冲周期重复的次数200次,其中铝源流量为5-100μmol/min; 氨气流量为800-1500sccm。
步骤5:低V-III比氮化镓层。
将反应室压力降为20Torr,温度降到1000℃,依次通入氢气、氨气和镓源, 在氢气、氨气和镓源的气氛下,采用化学气相淀积法在氮化铝基板上生长 50-200nm的氮化镓外延层,得到低V-III比氮化镓基板,其中镓源流量为 10-200μmol/min;氨气流量为1000-3500sccm。
步骤6:生长高V-III比氮化镓层。
保持反应室温度为1000℃,将压力升高到为40Torr,依次通入氢气、氨气 和镓源,在氢气、氨气和镓源的气氛下,采用化学气相淀积法在低V-III比氮化 镓基板上生长500-3000nm的氮化镓外延层,其中镓源流量为10-200μmol/min; 氨气流量为4000-10000sccm。然后将反应室温度降至室温后取出样品,得到c 面氮化镓。
为了说明本发明易制备出质量较好的硅基氮化镓,本发明基于石墨烯与磁 控溅射氮化铝的硅衬底上氮化镓的生长,给出如下两种实施例,对本发明基于石 墨烯与磁控溅射氮化铝的氮化镓在不同晶向(100)和(111)的硅衬底上生长进行 说明。
参照附图2,本发明上述方法制作的基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基 氮化镓,它自下而上依次是硅衬底层1、石墨烯层2、磁控溅射氮化铝成核层3、 氮化铝过渡层4、低V-III比氮化镓层5和高V-III比氮化镓层6。
实施例1:基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅(100)衬底上氮化镓的生长。
步骤一:转移石墨烯。
采用化学气相淀积法,在铜衬底上生长0.34nm的单层石墨烯,然后将单层 石墨烯置于1M氯化铁和2M盐酸的混合溶液中12小时,最后去除金属衬底后将 单层石墨烯转移到硅(100)衬底上,得到覆盖厚度为0.34nm石墨烯的硅(100) 衬底。
步骤二:磁控溅射氮化铝。
将覆盖石墨烯的硅(100)衬底置于磁控溅射系统中,反应室压力为1Pa, 通入氮气和氩气5min,以5N纯度的铝为靶材,采用射频磁控溅射,在覆盖石墨 烯的硅(100)衬底上溅射30nm的氮化铝,得到溅射氮化铝的基板。
步骤三:热处理。
将溅射氮化铝的基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中,向反应 室通入氢气与氨气的混合气体5min,通入氢气与氨气的混合气体5min后,将反 应室加热到600℃,对溅射氮化铝的基板进行20min热处理,得到热处理后的基 板。
步骤四:生长氮化铝过渡层。
保持反应室压力为40Torr,将温度升到650℃,依次通入氢气、氨气和铝源, 低温生长7nm的氮化铝缓冲层,在氢气、氨气和铝源的气氛下,将温度升到1050 ℃,采用脉冲式的金属有机物化学气相淀积MOCVD方法生长200nm的氮化铝过渡 层,得到氮化铝基板。脉冲式金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD生长方法是指, 在生长氮化铝的一个脉冲周期T1+T2内,在T1时间内通入氨气,在T2时间内不 通入氨气;所述的T1时间设置为12s,T2时间设置为6s,脉冲周期重复的次 数200次,其中铝源流量为10μmol/min;氨气流量为1000sccm。
步骤五:生长低V-III比氮化镓层。
将反应室压力降为20Torr,温度降到1000℃,依次通入氢气、氨气和镓源, 在氢气、氨气和镓源的气氛下,采用化学气相淀积法在氮化铝基板上生长100nm 的氮化镓外延层,得到低V-III比氮化镓基板,其中镓源流量为120μmol/min; 氨气流量为3000sccm。
步骤六:生长高V-III比氮化镓层。
保持反应室温度为1000℃,将压力升高到为40Torr,依次通入氢气、氨气 和镓源,在氢气、氨气和镓源的气氛下,采用化学气相淀积法在低V-III比氮化镓 基板上生长1500nm的氮化镓外延层,其中镓源流量为120μmol/min;氨气流量 为5000sccm。最后将反应室温度降至室温后取出样品,得到c面氮化镓。
实施例2:基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅(111)衬底上氮化镓的生长。
步骤A:转移石墨烯。
采用化学气相淀积法,在铜衬底上生长0.34nm的单层石墨烯,然后将单层 石墨烯置于1M氯化铁和2M盐酸的混合溶液中12小时,最后去除金属衬底后将 单层石墨烯转移到硅(111)衬底上,得到覆盖厚度为0.34nm石墨烯的硅(111) 衬底。
步骤B:磁控溅射氮化铝。
将覆盖石墨烯的硅(111)衬底置于磁控溅射系统中,反应室压力为1Pa, 通入氮气和氩气5min,以5N纯度的铝为靶材,采用射频磁控溅射,在覆盖石墨 烯的硅(111)衬底上溅射30nm的氮化铝,得到溅射氮化铝的基板。
步骤C:热处理。
将溅射氮化铝的基板置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中,向反应 室通入氢气与氨气的混合气体5min,通入氢气与氨气的混合气体5min后,将反 应室加热到600℃,对溅射氮化铝的基板进行20min热处理,得到热处理后的基 板。
步骤D:生长氮化铝过渡层。
保持反应室压力为40Torr,将温度升到650℃,依次通入氢气、氨气和铝源, 低温生长7nm的氮化铝缓冲层,在氢气、氨气和铝源的气氛下,将温度升到1050 ℃,采用脉冲式的金属有机物化学气相淀积MOCVD方法生长80nm的氮化铝过渡 层,得到氮化铝基板。脉冲式金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD生长方法是指, 在生长氮化铝的一个脉冲周期T1+T2内,在T1时间内通入氨气,在T2时间内不 通入氨气;所述的T1时间设置为12s,T2时间设置为6s,脉冲周期重复的次 数200次,其中铝源流量为10μmol/min;氨气流量为1000sccm。
步骤E:生长低V-III比氮化镓层。
将反应室压力降为20Torr,温度降到1000℃,依次通入氢气、氨气和镓源, 在氢气、氨气和镓源的气氛下,采用化学气相淀积法在氮化铝基板上生长100nm 的氮化镓外延层,得到低V-III比氮化镓基板,其中镓源流量为120μmol/min; 氨气流量为3000sccm。
步骤F:生长高V-III比氮化镓层。
保持反应室温度为1000℃,将压力升高到为40Torr,依次通入氢气、氨气 和镓源,在氢气、氨气和镓源的气氛下,采用化学气相淀积法在低V-III比氮化镓 基板上生长1500nm的氮化镓外延层,其中镓源流量为120μmol/min;氨气流量 为5000sccm。最后将反应室温度降至室温后取出样品,得到c面氮化镓。
机译: 基于石墨烯和磁控溅射氮化铝的氮化镓生长氮化镓的方法
机译: 石墨烯和磁控溅射氮化铝的氮化镓生长方法
机译: 石墨烯和磁控溅射氮化铝上氮化镓的生长方法