一种Si衬底GaN外延结构及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种Si衬底GaN外延结构及制备方法。

背景技术

第三代半导体材料GaN相较于传统半导体材料，具有高禁带、高饱载流子速度、高击穿电场、耐高温、抗辐射等突出优点，适用于新一代高速度、高效率功率器件制造，在无线充电、快速充电、云计算、5G通讯、激光雷达、新能源汽车等领域具有广泛的应用前景。与此同时，Si基GaN材料具有明显的成本优势，在采用大尺寸硅晶圆作为外延衬底的情况下，可以实现媲美传统硅基功率器件的低成本制造。因此，Si基GaN技术也被认为是新型功率电子器件的主流技术，具有广阔的应用前景。

Si基GaN相比于SiC外延GaN衬底和GaN自支撑衬底具有较大的成本优势，但Si衬底与GaN存在较大的晶格失配、热失配问题，严重阻碍了GaN在高功率密度工作条件下的电学性能和可靠度。

降低Si衬底上外延GaN的缺陷密度，结合成熟的Si基半导体制程技术，能够实现成本和性能之间的折中。设计缓冲层、外延结构来降低晶格失配、热失配，从而使得Si基GaN质量提升，是优化GaN材料在射频、功率领域的应用的关键。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种Si衬底GaN外延结构及制备方法。

技术方案：本发明所述的一种Si衬底GaN外延结构，包括Si衬底及在所述Si衬底上依次层叠的三维岛状叠层、Si掺杂GaN外延层、Si

优选的，所述第一AlN缓冲层的厚度为10～30nm。

优选的，所述Si掺杂GaN成核层的厚度为10～30nm。

优选的，所述第二AlN缓冲层的厚度为10～30nm。

一种Si衬底GaN外延结构的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)在MOCVD反应室中，通入氢气，对Si衬底表面进行高温表面纯化处理；

(2)通入氨气、三甲基铝，在Si衬底上生长第一AlN缓冲层；

(3)通入氨气、三甲基镓、硅烷，在第一AlN缓冲层的基础上生长Si掺杂GaN成核层；

(4)通入氨气、三甲基铝，在Si掺杂GaN成核层的基础上生长第二AlN缓冲层，与第一AlN缓冲层、Si掺杂GaN成核层共同形成三维岛状叠层；

(5)通入氨气、三甲基镓、硅烷，在三维岛状叠层的基础上生长Si掺杂GaN外延层；

(6)通入氮气，在Si掺杂GaN外延层的表面原位生长Si

(7)通入氨气、三甲基镓、三甲基铝，在Si

(8)通入氨气、三甲基镓，在AlGaN超晶格层的基础上生长GaN外延层。

进一步的，所述第一AlN缓冲层生长温度为600～700℃，生长压力为100mbar。

进一步的，所述Si掺杂GaN成核层生长温度为1000～1200℃，生长压力为600mbar。

进一步的，所述第二AlN缓冲层生长温度为600～700℃，生长压力为100mbar。

进一步的，所述Si掺杂GaN外延层生长温度为1000～1200℃，生长压力为600mbar。

进一步的，所述Si

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著效果是：本发明通过设计三维岛状的外延生长方式来解决Si衬底与GaN间晶格失配较大导致的外延质量问题，即在低温条件下生长AlN缓冲层，而后生长的GaN层在升温后缩聚成核，随着生长进行，应变逐渐积累，最终形成三维岛状结构来释放Si衬底与GaN外延层之间的应力，而非形成位错来释放应变，提高了GaN外延片在磊晶过程中的晶体质量，有效地降低了外延片生长时的边缘缺陷和位错密度，提升了外延片的整体质量和良品率。

附图说明

图1是本发明Si衬底GaN外延结构的结构示意图。

图2是本发明XRD测试图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

本发明实施例外延结构生长设备为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备，有机金属源的载气为氢气、氮气，硅源为硅烷(SiH4)，氮源为氨气(NH3)，镓源为三甲基镓(TMGa)，铝源为三甲基铝(TMAl)。Si衬底选用<111>晶向的n型Si衬底，在生长前使用H

请参阅图1，图1所示为本发明Si衬底GaN外延结构，包括Si衬底1、第一AlN缓冲层2、Si掺杂GaN成核层3、第二AlN缓冲层4、Si掺杂GaN外延层5、Si

所述第一AlN缓冲层2的厚度为10～30nm；所述Si掺杂GaN成核层3的厚度为10～30nm；所述第二AlN缓冲层4的厚度为10～30nm；所述Si掺杂GaN外延层5的厚度为100～300nm；所述Si

所述第一AlN缓冲层2、Si掺杂GaN成核层3、第二AlN缓冲层4共同形成三维岛状叠层，通过改变温度压力等生长条件，在开始生长时外延层材料与衬底浸润，先在较低温度下生长第一AlN缓冲层2，再在较高温度下生长Si掺杂GaN成核层3，最后在较低温度下生长第二AlN缓冲层4，随着生长的进行，应变逐渐积累，最后以三维岛状结构的形式来释放应力，由于应变能不是通过形成位错来释放的，所以三维岛状结构中位错极少。

Si衬底GaN外延结构的制备流程，包括如下步骤：

步骤1：将MOCVD反应腔的温度升高到1100℃，反应腔压力维持100mbar，通入氢气，纯化Si衬底1表面；

步骤2：维持反应腔压力不变，温度设定为600～700℃，通入氨气做预氮化处理，之后再通入三甲基铝生长第一AlN缓冲层2；

步骤3：升高反应腔压力至600mbar，反应腔温度升高至1000～1200℃，通入氨气、三甲基镓、硅烷生长Si掺杂GaN成核层3；

步骤4：降低反应腔压力为100mbar，降低反应腔温度至600～700℃并维持不变，通入氨气、三甲基铝生长第二AlN缓冲层4，此时三维岛状叠层结构形成；

步骤5：升高反应腔压力至600mbar，升高反应腔温度至1000～1200℃并维持不变，通入氨气、硅烷、三甲基镓，生长Si掺杂GaN外延层5；

步骤6：降低反应腔压力至300mbar，降低反应腔温度至900～1000℃，通入氮气，生长Si

步骤7：降低反应腔压力至200mbar，升高反应腔温度至1200℃，通入氨气、三甲基镓、三甲基铝，生长Al摩尔含量从0.5逐渐降低至0.2的AlGaN超晶格渐变层7；

步骤8：升高反应腔压力至600mbar，降低反应腔温度至1100℃，通入氨气、三甲基镓，生长GaN外延层8。

本发明选取三组工艺进行测试，各工艺中未作额外说明的步骤条件保持一致，具体如下：

工艺一：步骤2中温度设定为600℃，步骤3中温度设定为1000℃，步骤4中温度设定为600℃，步骤5中温度设定为1000℃，步骤6中温度设定为900℃，在此工艺条件下生产的Si衬底GaN外延片，经XRD测试，002面摇摆曲线半高宽为216arcsec。

工艺二：步骤2中温度设定为650℃，步骤3中温度设定为1100℃，步骤4中温度设定为650℃，步骤5中温度设定为1100℃，步骤6中温度设定为950℃，在此工艺条件下生产的Si衬底GaN外延片，经XRD测试，002面摇摆曲线半高宽为234arcsec。

工艺三：步骤2中温度设定为650℃，步骤3中温度设定为1100℃，步骤4中温度设定为650℃，步骤5中温度设定为1100℃，步骤6中温度设定为950℃，在此工艺条件下生产的Si衬底GaN外延片，经XRD测试，002面摇摆曲线半高宽为269arcsec。

请参阅图2所示，为本发明Si衬底GaN外延片实施例工艺三XRD002面摇摆曲线图，通过以上工艺一、二、三的XRD测试结果显示XRD曲线半高宽(FWHM)均在200～300arcsec范围内，所得晶体质量较好。

进一步对以上工艺得到的Si衬底GaN外延片进行测试：位错密度测试结果均在10

同时，在本发明实施方式下，对同一生产条件下不同外延厚度的Si衬底GaN外延片进行测试，结果如表1所示。

表1中未记录的各层厚度保持一致，可以看出，本发明不同外延厚度的Si衬底GaN外延片良品率均有提升。