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基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法

文献发布时间:2023-06-19 18:46:07


基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域,涉及一种基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法。

背景技术

与第一代半导体硅(Si)、第二代半导体砷化镓(GaAs)等材料相比,以氮化镓(GaN)为代表的的第三代半导体材料具有更大的禁带宽度(>3eV),使其在击穿电场、本征载流子浓度、抗辐照能力方面都明显优于Si、GaAs等传统半导体材料。此外,GaN材料在载流子迁移率、饱和载流子浓度等方面也更为优异,因此特别适用于制作具有高功率密度、高响应速率、高效率的功率与微波电子器件,在5G通讯、雷达、云计算、快充电源等领域具有广泛的应用前景。

当前基于Si衬底生长的AlGaN/GaN HEMT以其低成本、易集成等优势发展迅速,但由于Si衬底与GaN有高达17%的晶格适配和高达118%的热失配问题,GaN-on-Si外延技术面临着熔回蚀刻(meltback etching)、GaN外延层龟裂、缺陷密集、翘曲控制等诸多技术难点,极大地阻碍了GaN-on-Si HEMT的发展,因此当前市场仍然以6英寸外延片为研发重点,8英寸GaN-on-Si的外延仍然存在诸多问题。

因此,亟待提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法,用于解决现有技术中难以制备基于Si衬底的高性能的GaN异质外延结构的问题。

为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法,包括以下步骤:

提供Si衬底;

提供Al源及NH3,于所述Si衬底上形成AlN成核层;

提供Ga源,于所述AlN成核层上形成AlGaN第一缓冲层;

关闭Al源,于所述AlGaN第一缓冲层上形成GaN层,关闭Ga源打开Al源,于所述GaN层上形成AlN层,重复交替制备所述GaN层及所述AlN层形成AlN/GaN超晶格第二缓冲层,且所述GaN层与所述AlGaN第一缓冲层相接触;

打开Ga源,于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层上形成GaN外延层,且所述GaN外延层与所述GaN层相接触。

可选地,形成所述GaN外延层的步骤包括:

打开Ga源,以及提供C2H2,于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层上形成cGaN层;

关闭C2H2源,于所述cGaN层上形成uGaN层;

打开Ga源,于所述uGaN层上形成GaN沟道层,且所述cGaN层的生长温度低于所述uGaN层,生长所述cGaN层的NH

可选地,所述AlN成核层包括低温AlN成核层和高温AlN成核层,其中,所述低温AlN成核层的生长温度为600~1020℃,所述高温AlN成核层的生长温度为900~1300℃;所述AlN成核层的厚度为100~250nm。

可选地,形成所述AlGaN第一缓冲层的生长温度为900~1120℃,NH3流量为1000~2000sccm;形成的所述AlGaN第一缓冲层中Al组分为40~80%;形成的所述AlGaN第一缓冲层的厚度为100~500nm。

可选地,制备所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层时,所述AlN层的生长压力为40~150mbar,生长温度为900~1300℃,NH

可选地,所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层中,单层的所述AlN层的厚度为1~5nm,单层的所述GaN层的厚度为25~40nm。

可选地,制备所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层时,在生长完单层的所述AlN层后,反应腔中只开NH

可选地,还包括在所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层上形成AlN/GaN超晶格第三缓冲层的步骤;所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层及所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层的厚度为150~400nm;所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层中单层所述GaN层的厚度为t1,单层所述AlN层的厚度为t2,以及在所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层中单层所述GaN层的厚度为t3,单层所述AlN层的厚度为t4,且t1与t3相同,t2为t4的1.5~2.5倍。

本发明还提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构,所述异质外延结构包括:

Si衬底;

AlN成核层,所述AlN成核层位于所述Si衬底上;

AlGaN第一缓冲层,所述AlGaN第一缓冲层位于所述AlN成核层上;

AlN/GaN超晶格第二缓冲层,所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层位于所述AlGaN第一缓冲层上,包括重复交替设置的GaN层及AlN,且所述GaN层与所述AlGaN第一缓冲层相接触;

GaN外延层,所述GaN外延层位于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层上,且所述GaN外延层与所述GaN层相接触。

可选地,所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层上还包括AlN/GaN超晶格第三缓冲层;所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层及所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层的厚度分别为150nm以上;所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层中单层所述GaN层的厚度为t1,单层所述AlN层的厚度为t2,以及在所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层中单层所述GaN层的厚度为t3,单层所述AlN层的厚度为t4,且t1与t3相同,t2为t4的1.5~2.5倍。

如上所述,本发明的基于Si衬底的GaN异质外延结构及制备方法,通过引入AlN/GaN超晶格缓冲层,以及对制备工艺的优化,可制备大尺寸、无裂纹(Crack-free)、低位错密度、翘曲可控且高性能的GaN-on-Si外延结构。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中制备的基于Si衬底的GaN异质外延结构的结构示意图。

图2显示为图1中AlN/GaN超晶格第二缓冲层的放大结构示意图。

图3显示为本发明实施例一中两种不同NH

图4显示为本发明实施例二中制备的基于Si衬底的GaN异质外延结构的结构示意图。

图5显示为图4中AlN/GaN超晶格第二缓冲层的放大结构示意图。

图6显示为图4中AlN/GaN超晶格第三缓冲层的放大结构示意图。

图7显示为本发明实施例二中调整AlN/GaN超晶格第二缓冲层及AlN/GaN超晶格第三缓冲层中的单层厚度获得的两组翘曲原位监控曲线对比图。

图8显示为本发明实施例二中GaN外延层的表面原子力显微镜图。

图9显示为本发明实施例二中GaN外延层的表面光学显微镜图。

元件标号说明

110 Si衬底

210 AlN成核层

310 AlGaN第一缓冲层

410 AlN/GaN超晶格第二缓冲层

411 GaN层

412 AlN层

510 复合GaN

610 GaN沟道层

710 AlGaN势垒层

120 Si衬底

220 AlN成核层

320 AlGaN第一缓冲层

420 AlN/GaN超晶格第二缓冲层

421 GaN层

422 AlN层

520 AlN/GaN超晶格第三缓冲层

521 GaN层

522 AlN层

620 GaN外延层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述,此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到,这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外,当一层被称为在两层“之间”时,它可以是所述两层之间仅有的层,或者也可以存在一个或多个介于其间的层。其中,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此处可能使用诸如“介于……之间”,该表达表示包括两端点值,以及可能使用诸如“多个”,该表达表示两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法,其中,通过引入AlN/GaN超晶格缓冲层,以及对制备工艺的优化,可制备大尺寸、无裂纹(Crack-free)、低位错密度、翘曲可控且高性能的GaN-on-Si外延结构。

具体的,结合图1及图2,制备所述异质外延结构可包括以下步骤:

S1:提供Si衬底110。

具体的,所述Si衬底110的尺寸可包括如6英寸、8英寸或12英寸等,关于所述Si衬底110的厚度及尺寸可根据具体需要进行选择。其中,所述Si衬底110可包括本征硅衬底或绝缘体上硅衬底,此处不作过分限制。

为进一步的提供后续生长的材料层与所述Si衬底110的结合性能,优选对所述Si衬底110的表面进行高温下氢气处理,具体处理工艺此处不作过分限制。

S2:提供Al源及NH

具体的,可在反应腔中,打开TMAl源,以在所述Si衬底110的表面预铺一层Al,而后调整反应腔内的温度及压力,打开NH

S3:提供Ga源,于所述AlN成核层210上形成AlGaN第一缓冲层310。

具体的,调整生长温度及压力,打开TMGa源,生长所述AlGaN第一缓冲层310,所述AlGaN第一缓冲层310的主要作用为晶格过渡及翘曲调控,其中优选Al组分为40~80%,如40%、60%、80%等,生长温度为900~1120℃,如900℃、1000℃、1120℃等,NH

S4:关闭Al源,于所述AlGaN第一缓冲层310上形成GaN层411,关闭Ga源打开Al源,于所述GaN层411上形成AlN层412,重复交替制备所述GaN层411及所述AlN层412形成AlN/GaN超晶格第二缓冲层410,且所述GaN层411与所述AlGaN第一缓冲层310相接触。

具体的,首先关闭TMAl源,生长所述GaN层411,再关闭TMGa源,打开TMAl源,生长所述AlN层412,如此重复若干周期,得到所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层410,其中,制备所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层410时,所述AlN层412的生长压力可为40~150mbar,如40mbar、80mbar、100mbar、120mbar、150mbar等,生长温度可为900~1300℃,如900℃、1000℃、1300℃等,NH

其中,所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层410中,单层的所述AlN层412的厚度可为1~5nm,如1nm、2nm、4nm、5nm等,单层的所述GaN层411的厚度可为25~40nm,如25nm、300nm、40nm等。

其中,制备所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层410时,在生长完单层的所述AlN层412后,反应腔中只开NH

其中,所述AlN层412及所述GaN层411的生长条件可相同,所述生长条件包括温度、压力及NH

S5:打开Ga源,于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层410上形成GaN外延层,且所述GaN外延层与所述GaN层411相接触。

具体的,本实施例中,形成所述GaN外延层包括:

调整生长温度及压力,打开TMGa源,以及提供C

调整生长温度及压力,关闭C

调整生长温度及压力,打开TMGa源,于所述uGaN层上形成GaN沟道层610,且所述cGaN层的生长温度低于所述uGaN层,生长所述cGaN层的NH

进一步的,还可包括S6:调整生长温度及压力,打开TMGa源及TMAl源,以于所述GaN沟道层610上生长AlGaN势垒层710。

图3示意了本实施例中,在两种不同NH

如图1及图2,本实施例提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构,该异质外延结构可采用上述制备工艺制备,但并非局限于此,本实施例中的所述异质外延结构采用上述制备工艺制备,从而有关所述异质外延结构的制备、材质及结构等均可参阅上述制备方法,此处不作赘述。

其中,所述异质外延结构包括:

Si衬底110;

AlN成核层210,所述AlN成核层210位于所述Si衬底110上;

AlGaN第一缓冲层310,所述AlGaN第一缓冲层310位于所述AlN成核层210上;

AlN/GaN超晶格第二缓冲层410,所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层410位于所述AlGaN第一缓冲层310上,包括重复交替设置的GaN层411及AlN层412,且所述GaN层411与所述AlGaN第一缓冲层310相接触;

GaN外延层,所述GaN外延层位于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层410上,且所述GaN外延层与所述GaN层411相接触。

实施例二

本实施例还提供另一种基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法,本实施例与实施例一的不同之处主要在于在AlN/GaN超晶格第二缓冲层的上方还形成有AlN/GaN超晶格第三缓冲层。

具体的,结合图1及图2,制备所述异质外延结构可包括以下步骤:

S1:提供Si衬底120。

具体的,所述Si衬底120的尺寸可包括如6英寸、8英寸或12英寸等,关于所述Si衬底120的厚度及尺寸可根据具体需要进行选择。其中,所述Si衬底120可包括本征硅衬底或绝缘体上硅衬底,此处不作过分限制。

为进一步的提供后续生长的材料层与所述Si衬底120的结合性能,优选对所述Si衬底120的表面进行高温下氢气处理,具体处理工艺此处不作过分限制。

S2:提供Al源及NH

具体的,可在反应腔中,打开TMAl源,以在所述Si衬底120的表面预铺一层Al,而后调整反应腔内的温度及压力,打开NH

S3:提供Ga源,于所述AlN成核层210上形成AlGaN第一缓冲层310。

具体的,调整生长温度及压力,打开TMGa源,生长所述AlGaN第一缓冲层310,所述AlGaN第一缓冲层320的主要作用为晶格过渡及翘曲调控,其中优选Al组分为60~80%,如60%、80%等,生长温度为900~1120℃,如900℃、1000℃、1120℃等,NH

S4:关闭Al源,于所述AlGaN第一缓冲层320上形成GaN层421,关闭Ga源打开Al源,于所述GaN层421上形成AlN层422,重复交替制备所述GaN层421及所述AlN层422形成AlN/GaN超晶格第二缓冲层420,且所述GaN层421与所述AlGaN第一缓冲层320相接触。

具体的,调整生长温度及压力,首先关闭TMAl源,生长t1厚度的所述GaN层421,再关闭TMGa源,打开TMAl源,生长t2厚度AlN层所述421,如此重复若干周期,得到所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420,关闭TMGa源及TMAl源。

其中,制备所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420时,所述AlN层422的生长压力可为40~150mbar,如40mbar、80mbar、100mbar、120mbar、150mbar等,生长温度可为900~1300℃,如900℃、1000℃、1300℃等,NH

其中,制备所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420时,在生长完单层的所述AlN层422后,反应腔中只开NH

其中,所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420中,单层的所述GaN层421的厚度t1为25~40nm,如25nm、300nm、40nm等,单层的所述AlN层422的厚度t2为2~15nm,如2nm、5nm、10nm、15nm等。

其中,所述AlN层422及所述GaN层421的生长条件可相同,所述生长条件包括温度、压力及NH

S5:打开Ga源,于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420上形成AlN/GaN超晶格第三缓冲层520,且所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层520与所述GaN层421相接触。

具体的,调整生长温度及压力,保持TMAl源关闭,生长t3厚度的GaN层521,再关闭TMGa源,打开TMAl源,生长t4厚度的AlN层522,如此重复若干周期,得到所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层520,关闭TMGa及TMAl源。

其中,所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420及所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层520的厚度分别可为150nm以上,如150nm、200nm、300nm、400nm等。在所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层520中单层的所述GaN层521的厚度t3可与所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420中的所述GaN层421的厚度t1相同或者接近,但所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层520中单层的所述AlN层522的厚度t4与所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420中的所述AlN层422的厚度t2不同,且优选为t2为t4厚度的1.5~2.5倍。

S6:打开Ga源,于所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层520上形成GaN外延层620,且所述GaN外延层620与所述GaN层521相接触。

具体的,调整生长温度及压力,打开TMGa源,生长GaN材料层,该层可进行外置碳掺杂,也可只为GaN材料层。

如图4~图6,本实施例还提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构,该异质外延结构可采用上述制备工艺制备,但并非局限于此,本实施例中的所述异质外延结构采用上述制备工艺制备,从而有关所述异质外延结构的制备、材质及结构等均可参阅上述制备方法,此处不作赘述。

图7示意了本实施例中通过调整所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420及所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层520中的单层厚度获得的两组翘曲原位监控曲线对比图,图8显示为所述GaN外延层620的表面原子力显微镜图,图9显示为所述GaN外延层620的表面光学显微镜图。其中,通过调控可获得超高厚度、高晶体质量,且翘曲良好的GaN外延层620,且所得GaN外延层620的XRD测试显示(002)及(102)半高宽分别为171arcsec和414arcsec。

如图4~图6,本实施例还提供一种基于Si衬底的GaN异质外延结构,该异质外延结构可采用上述制备工艺制备,但并非局限于此,本实施例中的所述异质外延结构采用上述制备工艺制备,从而有关所述异质外延结构的制备、材质及结构等均可参阅上述制备方法,此处不作赘述。

其中,所述异质外延结构包括:

Si衬底120;

AlN成核层220,所述AlN成核层220位于所述Si衬底120上;

AlGaN第一缓冲层320,所述AlGaN第一缓冲层320位于所述AlN成核层220上;

AlN/GaN超晶格第二缓冲层420,所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420位于所述AlGaN第一缓冲层320上,包括重复交替设置的GaN层421及AlN层422,且所述GaN层421与所述AlGaN第一缓冲层320相接触;

AlN/GaN超晶格第三缓冲层520,AlN/GaN超晶格第三缓冲层520位于所述AlN/GaN超晶格第二缓冲层420上,且与所述GaN层421相接触;

GaN外延层620,所述GaN外延层620位于所述AlN/GaN超晶格第三缓冲层520上,且所述GaN外延层620与所述GaN层521相接触。

综上所述,本发明的基于Si衬底的GaN异质外延结构的制备方法,通过引入AlN/GaN超晶格缓冲层,以及对制备工艺的优化,可制备大尺寸、无裂纹(Crack-free)、低位错密度、翘曲可控且高性能的GaN-on-Si外延结构。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术分类

06120115685873