專利名稱：低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種利用氮化鋁和碳化硅多層緩沖層在硅單晶上制備低成本寬禁帶單晶薄膜及低成本寬禁帶單晶薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化物和碳化硅(SiC)等寬禁帶單晶薄膜材料由于優(yōu)良的理化性能在微電子和光電子等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè) 重要領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；因?yàn)槿狈Ω哔|(zhì)量的單晶材料作為同質(zhì)襯底，氮化物薄膜生長均采用大失配度的異質(zhì)外延方式。相比之下，SiC單晶材料由于晶格失配小、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，適合于做氮化物和SiC等單晶薄膜的外延襯底；但是SiC單晶材料制備難度高、硬度高加工難度大、來源少，與成熟的硅エ藝不兼容等多種不利因素導(dǎo)致價(jià)格昂貴，短期內(nèi)無法在寬禁帶晶薄膜生長領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用；單晶硅(Si)的尺寸大、晶體質(zhì)量高、導(dǎo)熱較好、硬度小、加工エ藝成熟、易于實(shí)現(xiàn)集成、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)更為突出，作為襯底材料可以顯著降低成本，因此，單晶Si襯底生長氮化物和SiC等寬禁帶單晶薄膜是未來重要的產(chǎn)業(yè)化方法之一，尤其是在與主流硅エ業(yè)結(jié)合后必將占領(lǐng)廣闊的市場空間；雖然單晶Si襯底上生長氮化物或SiC寬禁帶單晶薄膜有如此多的優(yōu)勢，但是有一個(gè)瓶頸始終阻礙著這項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展；通常，寬禁帶單晶薄膜在藍(lán)寶石、SiC和Si襯底上生長時(shí)晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)都存在一定的失配，其中SiC襯底的晶格失配最小,但價(jià)格最聞；單晶Si襯底最便宜，但晶格和熱失配應(yīng)カ最大，例如，Si(Ill)與氮化鎵(GaN)的晶格失配和熱脹系數(shù)失配分別是17%和56%，為了釋放應(yīng)力，在氮化物薄膜中極易產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和缺陷，尤其是降溫過程中會出現(xiàn)高密度的裂紋，隨著氮化物薄膜厚度的増加此現(xiàn)象更難消除；為此，研究者們也提出了很多改善Si基寬禁帶單晶薄膜晶體質(zhì)量的方法，如在寬禁帶薄膜中生長插入層和Si襯底表面圖形化，エ藝比較復(fù)雜，容易引入二次污染；生長寬禁帶薄膜是需要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究才能掌握其規(guī)律性，達(dá)到穩(wěn)定的エ藝；三是綜合利用單晶Si和SiC材料的優(yōu)點(diǎn)，在單晶Si襯底上經(jīng)過碳化后制備SiC緩沖層，然后發(fā)揮SiC與氮化物間晶格失配小的優(yōu)點(diǎn)，以其為模板生長氮化物薄膜。上述方案都在不同程度上緩解了寬禁帶外延單晶薄膜的應(yīng)力，但薄膜制備エ藝和晶體質(zhì)量、表面形貌等方面還存在著不足；一般地，單晶Si上生長的3C-SiC屬于立方相，在此基礎(chǔ)上生長的寬禁帶單晶薄膜也是立方相結(jié)構(gòu)；氮化物或SiC等寬禁帶單晶薄膜的立方相與六方相是常見的兩種晶體結(jié)構(gòu)，二者性質(zhì)差異較大，通常六方相結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量、表面形貌和穩(wěn)定性等都比立方相的好；目前研究最多和已經(jīng)實(shí)用化的氮化物或SiC等寬禁帶單晶薄膜都以六方相為主。利用SiC緩沖層獲得的寬禁帶外延薄膜距離真正的實(shí)際應(yīng)用還有較大距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)及制備方法，其目的是針對單晶Si襯底上立方相SiC緩沖層技術(shù)存在的問題，在單晶Si襯底上采用氮化鋁(AlN)和SiC的多緩沖層結(jié)構(gòu)，制備高質(zhì)量六方相寬禁帶單晶薄膜的方法；可避免單晶Si襯底上直接制備六方相SiC緩沖層的缺點(diǎn)，有助于提高寬禁帶單晶薄膜的晶體質(zhì)量和改進(jìn)表面形貌。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡単，エ藝難度小，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案其特征是單晶硅襯底上是氮化鋁(AlN)緩沖層；在氮化鋁(AlN)緩沖層上是碳化硅(SiC)緩沖層；在碳化硅(SiC)緩沖層上是寬禁帶單晶薄膜；
其制備方法，包括如下エ藝步驟
一、在單晶硅襯底上制備氮化鋁(AlN)緩沖層；
ニ、降至室溫，取出；
三、氮化鋁(AlN)緩沖層2上制備碳化硅(SiC)單晶薄膜，其結(jié)構(gòu)為六方相；
四、降至室溫，取出；
五、在碳化硅(SiC)單晶薄膜上制備氮化物或碳化硅等寬禁帶單晶薄膜，其結(jié)構(gòu)為六方相；如果制備氮化物單晶薄膜，則在碳化硅(SiC)單晶薄膜上首先制備氮化鋁成核層，再在氮化鋁成核層上制備氮化物單晶薄膜；如果制備SiC單晶薄膜，則在碳化硅(SiC)單晶薄膜上直接制備碳化硅(SiC)單晶薄膜；
六、降至室溫，取出。低成本寬禁帶單晶薄膜，其結(jié)構(gòu)是單晶硅襯底上是氮化鋁(AlN)緩沖層；在氮化鋁(AlN)緩沖層上是碳化硅(SiC)緩沖層；在碳化硅(SiC)緩沖層上是寬禁帶單晶薄膜。其制備方法，包括如下エ藝步驟
一、在單晶硅襯底上制備氮化鋁(AlN)緩沖層；
ニ、降至室溫，取出；
三、氮化鋁(AlN)緩沖層上制備碳化硅(SiC)單晶薄膜，其結(jié)構(gòu)為六方相；
四、降至室溫，取出；
五、在碳化硅(SiC)單晶薄膜上制備氮化物或碳化硅等寬禁帶單晶薄膜，其結(jié)構(gòu)為六方相；如果制備氮化物單晶薄膜，則在碳化硅(SiC)單晶薄膜上首先制備氮化鋁成核層，再在氮化鋁成核層上制備氮化物單晶薄膜；如果制備SiC單晶薄膜，則在碳化硅(SiC)單晶薄膜上直接制備碳化硅(SiC)單晶薄膜；
六、降至室溫，取出。所述的氮化鋁(AlN)緩沖層的厚度tA為0Mm〈 tA ( 3 Mm,制備溫度Ta為20°C^Ta^ 1350°C。采用外延生長、濺射等常規(guī)薄膜制備方法實(shí)現(xiàn)。所述的碳化硅緩沖層的厚度ts為0Mm〈ts ( 50Mm，其結(jié)構(gòu)為六方相。所述的碳化硅緩沖層可以摻入V族元素形成n型導(dǎo)電類型，或通過摻入III族元素形成P型，作為單晶襯底材料使用。所述的寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)為六方相。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1)通過加入AlN緩沖層易于獲得高質(zhì)量的六方相SiC。2)容易實(shí)現(xiàn)六方相的氮化物或SiC等寬禁帶單晶薄膜制備；3) SiC緩沖層可以根據(jù)需要通過摻雜形成n或p型導(dǎo)電類型；4)結(jié)構(gòu)簡單，制備エ藝可控；5)有效降低薄膜應(yīng)力，提高晶體質(zhì)量和表面形貌；6)大尺寸、低成本。


附圖I是低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中的I是單晶Si襯底、2是氮化鋁(AlN)緩沖層、3是單晶碳化硅(SiC)緩沖層、4是氮化物或碳化硅等寬禁帶單晶薄膜。
具體實(shí)施例方式對照附圖1，其結(jié)構(gòu)是單晶硅襯底(I)上是氮化鋁(AlN)緩沖層(2);在氮化鋁(AlN)緩沖層(2)上是碳化硅(SiC)緩沖層(3);在碳化硅(SiC)緩沖層(3)上是寬禁帶單晶薄膜(4)；
下面結(jié)合具體的應(yīng)用例對本發(fā)明作進(jìn)ー步的說明。實(shí)施例I :
1)選擇單晶Si襯底，放入MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)； 2)升溫至1120°C，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)升溫至1350°C，100torr，通入三甲基鋁0.5min后，再通氨氣生長IOnm厚AlN緩沖
層；
4)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至制備SiC的反應(yīng)腔內(nèi)；
5)1350°C，100Torr，通入硅烷和丙烷生長5Mm厚的SiC緩沖層；
6)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
7)升溫至1060°C，lOOTorr，通入氨氣和三甲基鋁生長IOnm厚AlN成核層；
8)關(guān)閉三甲基鋁，通入氨氣和三甲基鎵生長2Mm厚GaN單晶薄膜；
9)關(guān)閉三甲基鎵，在氨氣保護(hù)下降至室溫。實(shí)施例2:
1)選擇單晶Si襯底，放入MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
2)升溫至1100°C，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)12000C，IOOtorr,通入三甲基鋁0. 5min后，再通氨氣生長2Mm厚AlN緩沖層；
4)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移到SiCCVD的反應(yīng)腔內(nèi)；
5)1300°C，100Torr，通入硅烷和丙烷生長50Mm厚的SiC緩沖層；
6)降至室溫，取出，轉(zhuǎn)移至MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
7)升溫至1060°C，lOOTorr，通入氨氣和三甲基鋁生長IOOnm厚AlN成核層；
8)關(guān)閉ニ甲基招，通入氣氣、ニ甲基嫁和娃燒生長3Mm厚n型GaN單晶薄月旲；
9)關(guān)閉三甲基鎵和硅烷，在氨氣保護(hù)下降至室溫。實(shí)施例3:
1)選擇單晶Si襯底，放入U(xiǎn)HCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
2)升溫至1080°C，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)降溫至820°C，200torr,通入三甲基鋁0.5min后，再通氨氣生長3Mm厚AlN緩沖層；
4)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至SiCCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
5)1300°C，200Torr，通入硅烷和丙烷生長30Mm厚的SiC緩沖層；
6)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至UHCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
7)升溫至1060°C，lOOTorr，通入氨氣和三甲基鋁生長200nm厚AlN成核層；
8)通入氨氣、三甲基鎵和三甲基鋁生長IMm厚的AlGaN單晶薄膜
9)關(guān)閉三甲基鎵和三甲基鋁，在氨氣保護(hù)下降至室溫。
實(shí)施例4:
1)選擇單晶Si襯底，放入濺射臺的反應(yīng)腔內(nèi)；
2)襯底溫度20°C，濺射鋁0.3min后，再濺射0. IMm厚AlN緩沖層；
3)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至SiCCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
4)13300C，lOOTorr,通入硅烷、丙烷和三甲基鋁生長0. 03Mm厚的P型SiC緩沖層；
5)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
6)升溫至1060°C，lOOTorr，通入氨氣和三甲基鋁生長150nm厚AlN成核層；
7)通入氨氣、三甲基鎵和ニ茂鎂生長3Mm厚的p型GaN單晶薄膜；
8)關(guān)閉三甲基鎵和ニ茂鎂，在氨氣保護(hù)下降至室溫。實(shí)施例5:
1)選擇單晶Si襯底，放入濺射臺的反應(yīng)腔內(nèi)；
2)加熱襯底至300°C，濺射鋁0.3min后，濺射0. 2Mm厚AlN緩沖層；
3)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至SiCCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
4)1310°C，150Torr,通入硅烷、丙烷和三甲基鋁生長20Mm厚的P型SiC緩沖層；
5)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
6)升溫至1060°C，lOOTorr，通入氨氣和三甲基鋁生長150nm厚AlN成核層；
7)通入氨氣、三甲基鎵和ニ茂鎂生長3Mm厚的p型GaN單晶薄膜；
8)關(guān)閉三甲基鎵和ニ茂鎂，在氨氣保護(hù)下降至室溫。實(shí)施例6
1)選擇單晶Si襯底，放入MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
2)升溫至1180°C，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)1120で，100如1^，通三甲基鋁0. 2min后再通入氨氣生長0. 5Mm厚AlN緩沖層；
4)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至SiCCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
5)1300°C，80Torr，通入硅烷和丙烷生長IOMm厚SiC緩沖層；
6)1300°C，80Torr，通入硅烷和丙烷生長2Mm厚SiC單晶薄膜；
7)關(guān)閉硅烷和丙烷，降至室溫。實(shí)施例7:
1)選擇單晶Si襯底，放入U(xiǎn)HCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
2)升溫至1060°C,氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)1040°C，200torr，通三甲基鋁0. 2min后再通入氨氣生長0. IMm厚AlN緩沖層；
4)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至SiCCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
5)1300°C，80Torr，通入硅烷、丙烷和三甲基鋁生長5Mm厚的p型SiC緩沖層；
6)1300°C，80Torr，通入硅烷和丙烷生長IMm厚的SiC單晶薄膜；
7)關(guān)閉硅烷和丙烷，降至室溫。
實(shí)施例8
1)選擇單晶Si襯底，放入MOCVD反應(yīng)腔內(nèi)；
2)升溫至1070°C，氫氣氣氛烘烤10分鐘；
3)9800C，300torr,通三甲基鋁0. 6min后再通入氨氣生長0. 05Mm厚AlN緩沖層；
4)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至SiCCVD反應(yīng)腔內(nèi)；5)1340°C，lOOTorr，通入硅烷、丙烷和三甲基鋁生長2Mm厚的P型SiC緩沖層；
6)1340°C，lOOTorr，通入硅烷、丙烷和高純氮?dú)馍L0. 5Mm厚的n型SiC單晶薄膜；
7)關(guān)閉硅烷和丙烷，降至室溫。實(shí)施例9
1)選擇單晶Si襯底，放入GaNMBE反應(yīng)腔內(nèi)；
2)升溫至890°C，烘烤10分鐘；
3)890°C，通Al源0. 5min后，再通N生長0. 02Mm厚AlN緩沖層；
4)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至制備SiC的反應(yīng)腔內(nèi)；5)1305°C，lOOTorr，通入硅烷、丙烷生長0. OlMm厚的SiC緩沖層；
6)降至室溫后取出，轉(zhuǎn)移至GaNMBE中；
7)升溫至800°C，通入Al和N生長50nm厚AlN成核層；
8)關(guān)閉招，通入Ga和N生長3Mm厚的GaN單晶薄月旲；
9)關(guān)閉Ga和N源，降至室溫。可見，本發(fā)明的單晶Si襯底I是經(jīng)高溫烘烤處理，預(yù)沉積金屬Al后制備AlN緩沖層2 ;降至室溫取出后轉(zhuǎn)移；在AlN緩沖層2的表面上制備SiC單晶薄膜3 ;降至室溫取出后轉(zhuǎn)移；繼續(xù)制備氮化物或SiC等寬禁帶單晶薄膜4。本發(fā)明利用Si襯底AlN上可以獲得的六方相SiC等優(yōu)點(diǎn)，在單晶Si襯底上先生長AlN作為第一緩沖層，再生長SiC作為第二緩沖層，然后外延生長寬禁帶單晶薄膜。關(guān)鍵之處是把SiC由立方相改變?yōu)榱较?，從根本上避免了立方相SiC緩沖層對寬禁帶薄膜的不利影響，最終實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量六方相氮化物單晶薄膜的制備，提高薄膜的晶體質(zhì)量和和改善表面形貌，兼顧具有較好的晶格匹配，較高的導(dǎo)熱性，釋放應(yīng)力，阻擋Si擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)，此外，可以在SiC中摻入III族元素形成p型導(dǎo)電類型，或者摻入V族元素形成n型導(dǎo)電類型，SiC的pn結(jié)在器件結(jié)構(gòu)中也可以起到電學(xué)隔離作用。在Si襯底的支撐作用下形成了 SiC/AlN/Si復(fù)合襯底，此時(shí)SiC成為后續(xù)生長寬禁帶薄膜的模板。本發(fā)明可以借助單晶Si的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)襯底尺寸的放大、質(zhì)量提高、成本降低等新特點(diǎn)，避免了單晶SiC襯底的尺寸小、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，為寬禁帶單晶薄膜的研制開辟了有實(shí)用化意義的途徑。根據(jù)上述方法不僅可以生長大尺寸、低成本、低位錯(cuò)密度的寬禁帶單晶薄膜，還可以在其上繼續(xù)生長各種器件結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所涉及的制備寬禁帶單晶薄膜結(jié)構(gòu)和方法可以利用常見的如MOCVD (金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積)、CVD (化學(xué)汽相沉積)、MBE (分子束外延)、PLD (脈沖激光沉積)、UHVCVD (超高真空化學(xué)汽相沉積)等薄膜制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)包括但不限于上述方法。
權(quán)利要求
1.低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)，其特征是單晶硅襯底上是氮化鋁(AlN)緩沖層；在氮化鋁(AlN)緩沖層上是碳化硅(SiC)緩沖層；在碳化硅(SiC)緩沖層上是寬禁帶單晶薄膜； 其制備方法，包括如下エ藝步驟 一、在單晶硅襯底上制備氮化鋁(AlN)緩沖層2 ； ニ、降至室溫，取出； 三、氮化鋁(AlN)緩沖層2上制備碳化硅(SiC)單晶薄膜3，其結(jié)構(gòu)為六方相； 四、降至室溫，取出； 五、在碳化硅(SiC)單晶薄膜上制備氮化物或碳化硅等寬禁帶單晶薄膜，其結(jié)構(gòu)為六方相；如果制備氮化物單晶薄膜，則在碳化硅(SiC)單晶薄膜上首先制備氮化鋁成核層，再在氮化鋁成核層上制備氮化物單晶薄膜；如果制備SiC單晶薄膜，則在碳化硅(SiC)單晶薄膜上直接制備碳化硅(SiC)單晶薄膜； 六、降至室溫，取出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)，其特征是所述氮化鋁(AlN)緩沖層的厚度tA范圍為OMm〈 tA ( 3Mm，制備溫度Ta為20°C彡Ta ( 1350°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)，其特征是所述單晶碳化硅(SiC)緩沖層的厚度ts為OMm〈ts ( 50Mm，其結(jié)構(gòu)為六方相。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)，其特征是所述單晶碳化硅(SiC)緩沖層通過摻雜V族元素形成η型，或摻雜III族元素形成P型，作為單晶襯底材料使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)，其特征是寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)為六方相。
全文摘要
本發(fā)明是低成本寬禁帶單晶薄膜的結(jié)構(gòu)及制備方法，其結(jié)構(gòu)是單晶硅襯底上是氮化鋁緩沖層；在氮化鋁緩沖層上是碳化硅單晶緩沖層；在碳化硅緩沖層上是寬禁帶單晶薄膜；其制備工藝在單晶硅襯底上制備氮化鋁緩沖層；降至室溫取出；在氮化鋁緩沖層上制備碳化硅緩沖層；降至室溫取出；在碳化硅緩沖層上制備等寬禁帶單晶薄膜；降至室溫取出。優(yōu)點(diǎn)提高薄膜晶體質(zhì)量，改善了表面形貌，兼具較好的晶格匹配，較高的導(dǎo)熱性，應(yīng)力釋放，阻擋Si擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn)。借助單晶Si襯底實(shí)現(xiàn)尺寸放大、成本降低等新特點(diǎn)，為低成本寬禁帶薄膜的研制開辟了有意義的途徑。
文檔編號H01L21/02GK102651309SQ20121010095
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者李忠輝 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所