一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法，首先通入氨氣對(duì)Si(111)襯底進(jìn)行表面氮化處理；再在Si襯底上生長(zhǎng)AlN成核層；生長(zhǎng)Al組分階梯遞減的AlxGa1?xN緩沖層和AlN/GaN超晶格作為復(fù)合應(yīng)力緩沖層；在緩沖層上依次生長(zhǎng)GaN溝道層、AlGaN勢(shì)壘層和GaN蓋帽層。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)AlN成核層的生長(zhǎng)工藝以及引入AlxGa1?xN中間層和AlN?GaN超晶格結(jié)構(gòu)作為復(fù)合應(yīng)力緩沖層，能夠有效控制外延薄膜中的應(yīng)力，同時(shí)降低氮化鎵外延層中的穿透位錯(cuò)密度，得到Si襯底上無(wú)裂紋、低翹曲度的高質(zhì)量AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)外延材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種硅襯底上AI GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)領(lǐng)域，尤其是一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為第三代半導(dǎo)體的GaN材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)大、熱導(dǎo)率高、飽和漂移速度高以及化學(xué)和熱力學(xué)性穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。特別地，因?yàn)榫哂泻軓?qiáng)的極化效應(yīng)，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生高達(dá)約1013cm-2濃度的二維電子氣，基于該結(jié)構(gòu)的高電子迀移率晶體管由于具有高的電流密度、臨界擊穿電壓和電子迀移率，使其在微波功率和高溫電子器件領(lǐng)域具有十分重要的的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]由于缺少可用的GaN單晶襯底，目前GaN材料主要在SiC、藍(lán)寶石和Si襯底上通過(guò)異質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法得到。但是，藍(lán)寶石由于硬度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差等原因，對(duì)后期器件加工和應(yīng)用帶來(lái)很多不便，SiC同樣存在硬度高且成本昂貴的不足之處，而價(jià)格低廉的Si襯底由于有著尺寸大、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好以及成熟的器件加工工藝等優(yōu)勢(shì)，使得Si基GaN器件在規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用上具有其它襯底材料無(wú)可比擬的成本優(yōu)勢(shì)，Si襯底上的GaN薄膜外延生長(zhǎng)技術(shù)和相關(guān)機(jī)理研究也一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和業(yè)界的廣泛關(guān)注。
[0004]但是，在Si襯底上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的GaN薄膜外延生長(zhǎng)是十分困難的，首先，襯底中的Si還會(huì)與反應(yīng)室殘留物以及II1、V族元素發(fā)生反應(yīng)，高溫下金屬Ga會(huì)與Si襯底發(fā)生回熔刻蝕反應(yīng)，同時(shí)襯底中的Si原子也會(huì)向緩沖層擴(kuò)散，從而導(dǎo)致外延層出現(xiàn)區(qū)域性的表面缺陷和破壞；另外，GaN和襯底之間存在著非常嚴(yán)重的晶格常數(shù)失配(17% )和熱失配(56% )，會(huì)在外延層中引入大量的位錯(cuò)和張應(yīng)力，尤其是在生長(zhǎng)結(jié)束的降溫過(guò)程中進(jìn)一步形成張應(yīng)力的積累，從而造成外延片的形變翹曲，嚴(yán)重的還會(huì)使外延薄膜產(chǎn)生龜裂，而且外延片的翹曲和薄膜龜裂現(xiàn)象會(huì)隨著外延襯底尺寸和外延厚度的增加會(huì)變得愈發(fā)嚴(yán)重。
[0005]Si基GaN薄膜的外延生長(zhǎng)需要盡可能的降低Si與GaN之間的晶格失配和熱失配的影響，常使用的方法有AlN成核層、AlGaN和超晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)力緩沖中間層等技術(shù)。但是即使采用這些方法，要想獲得Si襯底上高質(zhì)量的GaN薄膜，仍然存在生長(zhǎng)工藝條件和外延結(jié)構(gòu)組合的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法，改善GaN外延層的晶體質(zhì)量并緩解失配應(yīng)力，避免外延薄膜表面裂紋的產(chǎn)生，抑制外延片的形變翹曲。
[0007]技術(shù)方案:一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在硅襯底上自下而上依次包括AlN成核層、AlxGal-xN緩沖層、AlN/GaN超晶格緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢(shì)皇層及GaN蓋帽層。
[0008]進(jìn)一步的，所述AlN成核層的厚度為100?250nm。
[0009]進(jìn)一步的，所述AlxGal-xN緩沖層的厚度為300?1200nm，所述AlxGal-xN緩沖層的Al組分自下而上遞減變化，X的值為0.7?0.3。
[0010]進(jìn)一步的，所述GaN溝道層的厚度為0.5?1.5μπι。
[0011 ] 一種娃襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，在娃襯底上自下而上依次生長(zhǎng)AlN成核層、AlxGal-xN緩沖層、AlN/GaN超晶格緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢(shì)皇層及GaN蓋帽層。
[0012]進(jìn)一步的，在生長(zhǎng)AlN成核層之前向反應(yīng)室中通入氨氣，對(duì)硅襯底表面進(jìn)行氮化處理，其中氮化處理的氨氣流速為5?10L/min，溫度為850?950 °C，氮化處理持續(xù)時(shí)間為10?20s ο
[0013]進(jìn)一步的，所述AlN成核層的厚度為100?250nm，生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)室中氨氣和三甲基鋁的摩爾比為2000?4000，生長(zhǎng)溫度為950?1050°C。
[0014]進(jìn)一步的，所述AlxGal-xN緩沖層的厚度為300?1200nm，生長(zhǎng)溫度為1000?11000C，其中AlxGal-xN緩沖層的Al摩爾組分自下而上遞減變化，X的值為0.7?0.3。
[0015]進(jìn)一步的，所述AlN/GaN超晶格緩沖層的生長(zhǎng)溫度為1000?1100°C，生長(zhǎng)10?100個(gè)周期，每個(gè)周期中AlN的厚度為3?6nm，GaN的厚度為18?28nm。
[0016]進(jìn)一步的，所述GaN溝道層的生長(zhǎng)溫度為1000?1100°C，厚度為0.5?1.5μπι。
[0017]有益效果:本發(fā)明提供一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法，能夠避免Si襯底與Ga發(fā)生回熔刻蝕反應(yīng)，充分緩解外延層中的失配應(yīng)力并降低穿透位錯(cuò)密度，從而有效改善AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的表面形貌和晶體質(zhì)量，基于該材料結(jié)構(gòu)的高電子迀移率晶體管具有較高的電子迀移率和二維電子氣濃度，而且具有材料均勻性和生長(zhǎng)工藝重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明中硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是是本發(fā)明中硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。
[0020]圖3是本發(fā)明中硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)外延片翹曲度的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例1:
[0023]如圖1所示，一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在硅襯底上自下而上依次包括AlN成核層、AlxGal-xN緩沖層、AlN/GaN超晶格緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢(shì)皇層及GaN蓋帽層。
[0024]本發(fā)明中所述“上”、“下”等位置關(guān)系為基于附圖所示的相對(duì)位置關(guān)系，僅是為了便于描述，而不是指示或暗示所指部分必須具有特定的方位，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0025]其中，A1N成核層的厚度為100?250nm，AlxGal-xN緩沖層的厚度為300?1200nm，AlxGal-xN緩沖層的Al組分自下而上遞減變化，X的值為0.7?0.3，GaN溝道層的厚度為0.5?1.5ym，AlGaN勢(shì)皇層厚度為20?30nm，Al組分為20%?30%，6&1^蓋帽層的厚度為2?311111。
[0026]該硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，在硅襯底上自下而上依次生長(zhǎng)AlN成核層、AlxGal-xN緩沖層、AlN/GaN超晶格緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢(shì)皇層及GaN蓋帽層，下面以MOCVD (金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)方法為例，具體包括如下步驟:
[0027](I)將Si (111)襯底I置于MOCVD反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下進(jìn)行高溫烘烤處理，處理溫度為1050 °C。
[0028](2)氮化處理的溫度為850?950°C，本實(shí)施例中將反應(yīng)室溫度降至950°C，通入氨氣對(duì)硅襯底I表面進(jìn)行氮化處理，其中氨氣流速為5?10L/min，氮化處理的時(shí)間為10?20s，其作用是在硅襯底表面形成一層厚度為2?3nm的非晶態(tài)SiNx層，可以阻擋襯底中的Si向上層擴(kuò)散，從而避免GaN生長(zhǎng)時(shí)Si與Ga發(fā)生回熔刻蝕反應(yīng)。
[0029](3)保持溫度不變，生長(zhǎng)AlN成核層2，A1N成核層2的厚度為100?250nm，本實(shí)施例中選擇AlN成核層2的生長(zhǎng)厚度介于150?200nm之間，其中氨氣與三甲基鋁的摩爾比(SPV/III 比)為2000 ?4000。
[0030](4)保持溫度不變，AlxGal-xN緩沖層的厚度為300?1200nm，本實(shí)施例選擇在高溫AlN成核層2上生長(zhǎng)厚度為Ιμπι且Al組分漸變的AlXGal-XN緩沖層3，A1組分X從下到上由0.7漸變到0.3，該層的作用是提供晶格過(guò)渡和緩解失配應(yīng)力。
[0031](5)在AI XGa 1-XN緩沖層3上生長(zhǎng)AI N/GaN超晶格緩沖層4，每個(gè)超晶格周期的生長(zhǎng)厚度AlN和GaN分別為3?6nm和18?28nm，生長(zhǎng)10?100個(gè)周期，本實(shí)施例中選擇AlN和GaN的生長(zhǎng)厚度分別為5nm和20nm，生長(zhǎng)50個(gè)周期，該層的作用是阻擋穿透位錯(cuò)并提供應(yīng)力調(diào)控。
[0032](6)在AlN/GaN超晶格緩沖層4上生長(zhǎng)厚度為0.5?1.5μπι的GaN溝道層5，本實(shí)施例中GaN溝道層5的厚度為Ιμπι。
[0033](7)在GaN溝道層5上生長(zhǎng)Al組分為25%的AlGaN勢(shì)皇層6，生長(zhǎng)厚度為25nm。
[0034](8)在AlGaN勢(shì)皇層6上生長(zhǎng)GaN蓋帽層7，生長(zhǎng)厚度為2nm。
[0035]如圖2所不，米用原子力顯微鏡表征AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)外延材料的表面形貌，表面原子臺(tái)階清晰可見(jiàn)，均方根粗糙度為0.31 nm。
[0036]如圖3所示，采用應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量Si基AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)外延片的形變翹曲情況，表征圓片彎曲度的bow和warp值分別為-23μηι和30μηι，表明通過(guò)本實(shí)施例生長(zhǎng)的外延片的應(yīng)力控制較好。
[0037]實(shí)施例2:
[0038]本實(shí)施例也提供了一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，其結(jié)構(gòu)及方法與實(shí)施例1中所述的大概相同，二者的區(qū)別在于:步驟(2)中將反應(yīng)室溫度降至850°C，步驟(3)中所述AlN成核層2的厚度為lOOnm，步驟(4)中所述AlxGal-xN緩沖層的厚度為300nm，步驟(5)中所述每個(gè)超晶格周期的生長(zhǎng)厚度AlN和GaN分別為3nm和18nm，生長(zhǎng)100個(gè)周期，步驟(6)中所述GaN溝道層5的厚度為0.5μπι，步驟(7)中所述AlGaN勢(shì)皇層6的生長(zhǎng)厚度為20nm，Al組分為20%，步驟(8)中所述GaN蓋帽層7的生長(zhǎng)厚度為2.5nm。
[0039]實(shí)施例3:
[0040]本實(shí)施例也提供了一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，其結(jié)構(gòu)及方法與實(shí)施例1中所述的大概相同，二者的區(qū)別在于:步驟(2)中將反應(yīng)室溫度降至900°C，步驟(3)中所述AlN成核層2的厚度為250nm，步驟(4)中所述AlxGal-xN緩沖層的厚度為1200nm，步驟(5)中所述每個(gè)超晶格周期的生長(zhǎng)厚度AlN和GaN分別為6nm和28nm，生長(zhǎng)10個(gè)周期，步驟(6)中所述GaN溝道層5的厚度為1.5μπι，步驟(7)中所述AlGaN勢(shì)皇層6的生長(zhǎng)厚度為30nm，Al組分為30%，步驟(8)中所述GaN蓋帽層7的生長(zhǎng)厚度為3nm。
[0041]上述實(shí)施例已經(jīng)具體描述和展示了本發(fā)明的技術(shù)方法和實(shí)施效果，對(duì)于本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，在了解了本發(fā)明的內(nèi)容和原理后，能夠在不背離本發(fā)明的原理和范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，在硅襯底(I)上自下而上依次包括AlN成核層(2)、AlxGal-xN緩沖層(3)、AlN/GaN超晶格緩沖層(4)、GaN溝道層(5)、AlGaN勢(shì)皇層(6)及GaN蓋帽層(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述AlN成核層(2)的厚度為100?250nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種娃襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述AlxGal-xN緩沖層(3)的厚度為300?1200nm，所述AlxGal-xN緩沖層(3)的Al組分自下而上遞減變化，X的值為0.7?0.3。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種娃襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述GaN溝道層(5)的厚度為0.5?1.5μηι。5.—種娃襯底上AI GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，在娃襯底(I)上自下而上依次生長(zhǎng)AlN成核層(2)、AlxGal-xN緩沖層(3)、AlN/GaN超晶格緩沖層(4)、GaN溝道層(5)、AlGaN勢(shì)皇層(6)及GaN蓋帽層⑴。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種娃襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，在生長(zhǎng)AlN成核層(2)之前向反應(yīng)室中通入氨氣，對(duì)硅襯底表面進(jìn)行氮化處理，其中氮化處理的氨氣流速為5?10L/min，溫度為850?950°C，氮化處理持續(xù)時(shí)間為10?20s。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述AlN成核層(2)的厚度為100?250nm，生長(zhǎng)時(shí)反應(yīng)室中氨氣和三甲基鋁的摩爾比為2000?4000，生長(zhǎng)溫度為950?1050°C。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述AlxGal-xN緩沖層(3)的厚度為300?1200nm，生長(zhǎng)溫度為1000?1100°C，其中AlxGal-xN緩沖層(3)的Al摩爾組分自下而上遞減變化，X的值為0.7?0.3。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述AlN/GaN超晶格緩沖層⑷的生長(zhǎng)溫度為1000?1100°C，生長(zhǎng)10?100個(gè)周期，每個(gè)周期中AlN的厚度為3?6nm，GaN的厚度為18?28nm。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，所述GaN溝道層(5)的生長(zhǎng)溫度為1000?1100°C，厚度為0.5?1.5μπι。
【文檔編號(hào)】H01L29/20GK106098749SQ201610515621
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月30日
【發(fā)明人】潘磊, 董遜, 李忠輝, 倪金玉
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所