一种外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种外延片及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是一种典型的第三代半导体材料，主要应用于发光器件、光电子器件、射频器件、功率器件。氮化镓产业链已经初步形成，其中GaN基LED产业已经日趋成熟，在照明、显示等领域大显身手；GaN基射频器件产业也在快速发展以支持5G通信、雷达等的应用，基于GaN的功率器件也在加速进入消费电子、工业电子、数据中心、能源、汽车和交通等广阔应用领域。

目前，全球氮化镓产业规模正在呈现爆发式增长态势。根据研究机构Yole Développement的分析，在氮化镓射频器件方面，2020年的市场规模为8.91亿美元，预计到2026年增长至24亿美元，年均复合增长率为18％；在氮化镓功率器件方面，2020年的市场规模为0.46亿美元，预计到2026年增长至11亿美元，复合年均增长率为70％。

从产业链看，产业结构包括上游衬底(外延片和晶圆)、中游器件模组、下游场景应用。其中，上游的衬底，因为晶圆价格高、量产困难，所以以异质外延的外延片为主。GaN外延片主要有三种，分别是GaN/Sapphire、GaN/SiC、GaN/Si。无论是在Sapphire、SiC还是Si衬底上外延GaN，都存在晶格失配、热失配和化学失配的问题，需要采用一些异质外延的工艺来减少失配应力和降低位错密度。

Si上外延GaN，通常采用AlN和Al

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种外延片及其制备方法。本发明制备的外延片能够改善GaN异质外延的应力控制和位错控制的问题，改善GaN外延膜晶体应力和晶体质量。

本发明提供了一种外延片的制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上生长第一碳掺杂Sc

S2、在所述第一碳掺杂Sc

S3、在步骤S2所得产品的第二碳掺杂Sc

S4、在所述第一GaN薄膜上生长碳掺杂ScN插入层；

S5、在所述碳掺杂ScN插入层上外延第二GaN薄膜，得到外延片；

其中，

第二碳掺杂Sc

第一GaN薄膜和第二GaN薄膜的晶格常数均大于第二碳掺杂Sc

优选的，y＝0，在步骤S2之后及步骤S3之前，还包括：对步骤S2所得产品进行退火处理。

优选的，y≠0，步骤S1具体包括：

在衬底上生长AlN成核层，然后在所述AlN成核层上生长第一碳掺杂Sc

优选的，步骤S1中，所述第一碳掺杂Sc

步骤S2中，所述第二碳掺杂Sc

优选的，步骤S4中，所述碳掺杂ScN插入层中碳元素的掺杂浓度为＜1×10

优选的，生长第一碳掺杂Sc

外延第一GaN薄膜的方法为：MOCVD工艺或MBE工艺；

外延第二GaN薄膜的方法为：MOCVD工艺或MBE工艺。

优选的，所述第一碳掺杂Sc

所述第二碳掺杂Sc

所述碳掺杂ScN插入层的厚度为0.5～5nm；

所述第一GaN薄膜的厚度为300～500nm；

所述第二GaN薄膜的厚度为1.5～10μm；

所述衬底为Si衬底、SiC衬底或Sapphire衬底。

优选的，所述退火处理的条件为：对于Si衬底，退火温度1000～1200℃，时间5～10h；

对于SiC衬底/Sapphire衬底，退火温度1500～1700℃，时间5～10h。

优选的，生长AlN成核层的方法为：MOCVD工艺或MBE工艺；所述AlN成核层的厚度为5～30nm。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的外延片。

本发明提供的上述制备方法是一种改善GaN外延膜晶体应力和晶体质量的方法，本发明利用C-doped Sc

实验结果表明，本发明制备的外延片，位错密度在6×10

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为实施例1所得外延片的结构示意图；

图2为实施例2所得外延片的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种外延片的制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上生长第一碳掺杂Sc

S2、在所述第一碳掺杂Sc

S3、在步骤S2所得产品的第二碳掺杂Sc

S4、在所述第一GaN薄膜上生长碳掺杂ScN插入层；

S5、在所述碳掺杂ScN插入层上外延第二GaN薄膜，得到外延片；

其中，

第二碳掺杂Sc

第一GaN薄膜和第二GaN薄膜的晶格常数均大于第二碳掺杂Sc

关于步骤S1

S1、在衬底上生长第一碳掺杂Sc

本发明中，所述衬底优选为Si衬底、SiC衬底或Sapphire衬底(即蓝宝石衬底)。本发明中，所述衬底在使用之前优选先对其表面进行清洗处理；所述清洗的方式没有特殊限制，按照本领域常规清洗方式进行处理即可。

本发明中，生长第一碳掺杂Sc

以PVD工艺为例，生长第一碳掺杂Sc

以MOCVD工艺为例，生长第一碳掺杂Sc

以MBE工艺为例，生长第一碳掺杂Sc

本发明中，所述第一碳掺杂Sc

本发明中，所述第一碳掺杂Sc

本发明中，所述第一碳掺杂Sc

本发明中，当y＝0时，直接在衬底上生长第一碳掺杂Sc

其中，生长AlN成核层的方法优选为MOCVD工艺(即金属有机化学气相沉积法)或MBE工艺(即分子束外延法)；上述方法在对应的MOCVD反应腔室或MBE反应腔室中进行。

以MOCVD工艺为例，Si衬底上生长AlN成核层的过程具体如下：(1)在衬底温度为1100℃左右，用氢气清洗10～30分钟；(2)衬底温度降到950℃～1000℃，预通10～15秒三甲基Al，之后通入NH

以MBE工艺为例，蓝宝石衬底上生长AlN成核层的过程具体如下：(1)在衬底温度为800℃左右，用N源将衬底充分氮化；(2)于700℃～750℃在衬底上沉积AlN。

本发明中，所述AlN成核层的厚度优选为5～30nm，具体可为5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm，更优选为15～25nm。在形成AlN成核层后，再在所述AlN成核层上生长第一碳掺杂Sc

关于步骤S2

S2、在所述第一碳掺杂Sc

本发明中，生长第二碳掺杂Sc

本发明中，所述第二碳掺杂Sc

本发明中，所述第二碳掺杂Sc

本发明中，第一碳掺杂Sc

本发明中，所述第二碳掺杂Sc

本发明中，第二碳掺杂Sc

在本发明的一些实施例中，第一碳掺杂Sc

关于步骤S3

S3、在步骤S2所得产品的第二碳掺杂Sc

本发明中，当第一碳掺杂Sc

其中，对于不同的衬底，采用不同的退火条件。对于Si衬底，退火温度为1000～1200℃，具体可为1000℃、1100℃、1200℃；退火时间为5～10h，具体可为5h、6h、7h、8h、9h、10h。对于SiC衬底/Sapphire衬底，退火温度为1500～1700℃，具体可为1500℃、1600℃、1700℃；退火时间为5～10h，具体可为5h、6h、7h、8h、9h、10h。

本发明中，当第一碳掺杂Sc

本发明中，外延生长GaN薄膜的方法没有特殊限制，按照本领域常规外延GaN薄膜工艺进行即可，优选为MOCVD工艺或MBE工艺。采用MOCVD工艺或MBE工艺生长GaN薄膜的过程没有特殊限制，按照本领域常规操作过程进行即可。本发明中，在外延第一GaN薄膜前，优选先将缓冲层用等离子体清洗。

本发明中，所述第一GaN薄膜的厚度优选为300～500nm，具体可为300nm、400nm、500nm。

关于步骤S4

S4、在所述第一GaN薄膜上生长碳掺杂ScN插入层。

本发明中，生长碳掺杂ScN插入层的方法优选为PVD法(即物理气相沉积法)。采用PVD法生长碳掺杂ScN插入层的过程具体如下：(1)将靶材Sc和洁净的衬底固定在磁控溅射设备腔室相应的位置；抽真空到<1×10

本发明中，碳掺杂ScN插入层中碳元素的掺杂浓度优选为＜1×10

本发明中，所述碳掺杂ScN插入层的厚度优选为0.5～5nm，具体可为0.5nm、1nm、2nm、3nm、4nm、5nm，更优选为1～3nm。

关于步骤S5

S5、在所述碳掺杂ScN插入层上外延第二GaN薄膜，得到外延片。

本发明中，外延生长第二GaN薄膜的方法没有特殊限制，按照本领域常规外延GaN薄膜工艺进行即可，优选为MOCVD工艺或MBE工艺。采用MOCVD工艺或MBE工艺生长GaN薄膜的过程没有特殊限制，按照本领域常规操作过程进行即可。本发明中，在外延第二GaN薄膜前，优选先将缓冲层用等离子体清洗。

本发明中，所述第二GaN薄膜的厚度优选为1.5～10μm，具体可为1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm，更优选为2～5μm。本发明中，第一GaN薄膜和第二GaN薄膜的晶格常数均大于第二碳掺杂Sc

本发明中，“第一、第二”没有特殊限定含义，并不是对缓冲层种类的限定，而是表示有2个缓冲层，便于描述每个缓冲层。本文中，其它地方的“第一、第二、……等”同理，均没有特殊限定含义。

本发明还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的外延片，即GaN基外延片。

y＝0时，外延片的结构包括依次层叠复合的：衬底→第一碳掺杂Sc

y≠0时，外延片的结构包括依次层叠复合的：衬底→AlN成核层→第一碳掺杂Sc

本发明提供的外延片，利用C-doped Sc

实验结果表明，本发明制备的外延片，位错密度在6×10

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

S1、将Si衬底(厚度650μm)表面清洗干净后，放入PVD设备中生长第一碳掺杂Sc

S2、在第一碳掺杂Sc

S3、对步骤S2所得样品进行退火处理，退火条件为：1200℃，9h。退火后，将缓冲层用等离子体清洗，然后，转移至MOCVD反应腔室中进行第一次GaN薄膜外延(厚度为350nm)。

S4、将步骤S3所得样品转移至PVD设备中，在第一GaN薄膜上生长碳掺杂ScN插入层(碳掺杂浓度为2×10

S5、将步骤S4所得样品转移至MOCVD反应腔室中进行第二次GaN薄膜外延(厚度为5μm)。

其中，第一碳掺杂Sc

实施例1所得外延片的截面结构如图1所示。

实施例2

S1、将Si衬底(厚度1000μm)表面清洗干净后，放入MOCVD反应腔室中生长AlN成核层(厚度20nm)。然后，放入MBE设备中生长第一碳掺杂Sc

S2、在第一碳掺杂Sc

S3、将步骤S2所得样品转移至MOCVD反应腔室中，在第二碳掺杂Sc

S4、将步骤S3所得样品转移至PVD设备中，在第一GaN薄膜上生长碳掺杂ScN插入层(碳掺杂浓度为5×10

S5、将步骤S4所得样品转移至MOCVD反应腔室中进行第二次GaN薄膜外延(厚度为4.5μm)。

其中，第一碳掺杂Sc

实施例2所得外延片的截面结构如图2所示。

对比例1

按照实施例1实施，不同的是，步骤S2中仅生长第一碳掺杂Sc

对比例2

按照实施例1实施，不同的是，改变x值，使第二碳掺杂Sc

实施例3：产品测试

对实施例1-2和对比例1-2所得外延片的位错密度进行测试，结果参见表1。

表1：实施例1-2及对比例1-2所得产品的位错密度

可以看出，与对比例1-2相比，实施例1-2所得产品的位错密度显著降低。实施例1与对比例1-2的效果对比证明，本发明设置两层碳掺杂Sc

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。