一种提高氮化镓薄膜质量的外延方法.pdf

本发明是一种可以获得高质量外延氮化镓薄膜的方法，该方法主要是刻蚀掩模层如下图，然后外延及横向外延直到和掩模层长平，再刻蚀或部分刻蚀掉下图中的掩模层，再悬空外延生长。该方法能有效降低衬底与外延层之间的晶格失配和热失配的影响，从而得到高质量氮化镓。

1.  一种外延高质量氮化镓薄膜层的方法，该方法包括以下步骤：(1)先在蓝宝石，碳化硅或硅衬底上做一层二氧化硅或氮化硅掩模层，刻蚀条形窗口，但条形窗口的边缘是台阶形状。(2)外延生长氮化镓，当高出掩模层第一个台阶(台阶的面可以是非平面)时横向生长，如此方法直到与最后一个台阶长平。(3)再做一层掩模，然后顺着最后一个台阶处向下刻蚀，直到露出氮化镓的垂直面。(4)再悬空外延生长，当高出最上层的掩模层后横向生长，直到长平达到要求的厚度：

2.  根据权利要求1的方法，其中步骤(1)中刻蚀包括两个及大于2个的台阶数，台阶的高和宽分别为0.01um-100um的范围。

3.  根据权利要求1的方法，步骤(2)台阶数可以大于2个，外延生长直到与最后一个台阶长平，也可高于也可低于最后的台阶。

4.  根据权利要求1的方法，其中步骤(3)中可以刻蚀露出衬底也可不露出，既可以完全刻蚀露出氮化镓垂直方向的面，也可以部分刻蚀露出氮化镓垂直方向的面。氮化镓下面的掩模层可以完全刻蚀，部分刻蚀，也可以不刻蚀。

5.  根据权利要求1的方法，当步骤(3)完成后，步骤(3)中在氮化镓上面做的掩模层，可以刻蚀掉，也可以部分刻蚀或是不刻蚀。

6.  根据权利要求1的方法，其中步骤(4)中的横向生长可以是过横向生长。

7.  根据权利要求1的方法，其中步骤(2)可以是外延生长完全覆盖掩模层，然后继续外延所需要的结构(此时无需步骤(3)和(4))。

8.  根据权利要求1的方法，其中步骤(2)可以是外延生长完全覆盖掩模层，然后按步骤(3)和(4)的方法。

一种提高氮化镓薄膜质量的外延方法
一.技术领域：
本发明涉及金属有机化学气相沉积(MOCVD)，氢化物气相外延(HVPE)，分子束外延(MBE)等薄膜横向和悬空技术生长GaN薄膜的方法和技术。
二.背景技术：
以GaN，InGaN，AlGaN合金材料为主的氮化物材料是当前国际上最热门的半导体材料，其1.9-6.2eV连续可变的直接带隙，高电子迁移率，高击穿电场和高热导率等优点使其成为短波长半导体光电子器件和高频，高压，高温微电子器件最理想材料。
由于GaN体单晶制备困难，外延GaN都是在异质衬底上进行。由于异质衬底和GaN外延层有很大的晶格失配，热膨胀系数也有较大差异，在外延生长时会产生大量的晶体缺陷。在GaN材料的外延生长过程中，自从引入缓冲层技术之后一段时期内，外延层质量没有大的提高，对于两步生长法生长的六方GaN薄膜，最低位错密度也在108cm-2以上，这严重阻碍了GaN在激光器和高速电子器件技术上的发展，所以降低晶体缺陷，提高GaN薄膜的晶体质量显得尤其重要。目前最有效的方法就是采用横向外延过生长技术和悬空技术。
发明内容：目的是采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)，氢化物气相外延(HVPE)，分子束外延(MBE)等技术生长高质量的氮化镓薄膜。
技术解决方案：首先用MOCVD，MBE或其它方法在衬底上沉积一层二氧化硅或氮化硅薄膜(包括先长缓冲层再沉积掩模)，刻蚀出如图2所示的图形，然后外延生长，直到与最高的掩模台阶差不多平；再做一层掩模，刻蚀出如图5图形，悬空生长直到外延层完全覆盖长平。
三.机理和特点：
在GaN横向和悬挂外延技术中，由于选择外延，只在窗口区GaN才能进行外延生长，而在SiO2等掩模层难以成核。当外延GaN厚度超过掩模层第一个台阶时，与竖直方向生长的同时，发生横向生长，最后与最高的掩模台阶长平，由于横向外延层被分成了许多长条形，所以有效的缓解热失配影响，防止了外延层的龟裂。刻蚀掉GaN层之间的SiO2进行悬空生长，再横向生长，直到长成全覆盖的GaN外延层。这种生长符合“准自由”条件，由于在GaN材料的缺陷中线位错是主要部分，掩膜区的线位错在横向生长区被截断而消失，线位错大大减少，总的缺陷密度也就能大大减少，悬空生长有利于释放应力，因而生长的GaN有很高的质量。
四.附图说明
图1是本发明在衬底上做了一层二氧化硅掩模层的截面图。
图2是本发明利用湿法或干法刻蚀，把掩模层刻蚀成“凸”字形的截面图。
图3是本发明利用MOCVD在刻蚀的区域外延生长GaN的截面图，GaN厚度不超过掩模层厚度。
图4是本发明在外延层上做了一层二氧化硅掩模层的截面图。
图5是本发明利用光刻技术刻蚀GaN之间的二氧化硅后的截面图。
图6是本发明悬空外延生长GaN的截面图。
五.具体实施方式
1.在蓝宝石，硅，碳化硅等衬底上先做一层二氧化硅(或氮化硅)掩模层，厚度0.01um-20um。或者先生长一层或几层缓冲层在做此掩模。
2.用光刻的方法刻蚀掩模，得到图2的图形。衬底或缓冲层窗口区的宽度0.01um-100um，每个台阶的宽度为0.01um-200um，台阶数可以大于2个。
3.采用MOCVD，MBE或其它外延技术在衬底或缓冲层上生长氮化镓，当生长的氮化镓高出一个台阶后就横向生长，直到与最后一个台阶持平。
4.在做一层掩模层，用光刻的方法刻蚀掩模，得到图4的图形.
5.再进行悬空外延生长直到合拢，继续生长高出掩模层横向生长直到长平。