一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構及其生長方法
【專利摘要】本發明公開了一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構及生長方法，首先通入氨氣對Si(111)襯底進行表面氮化處理；再在Si襯底上生長AlN成核層；生長Al組分階梯遞減的AlxGa1?xN緩沖層和AlN/GaN超晶格作為復合應力緩沖層；在緩沖層上依次生長GaN溝道層、AlGaN勢壘層和GaN蓋帽層。本發明通過調節AlN成核層的生長工藝以及引入AlxGa1?xN中間層和AlN?GaN超晶格結構作為復合應力緩沖層，能夠有效控制外延薄膜中的應力，同時降低氮化鎵外延層中的穿透位錯密度，得到Si襯底上無裂紋、低翹曲度的高質量AlGaN/GaN異質結外延材料。
【專利說明】
一種硅襯底上AI GaN/GaN異質結構及其生長方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體材料生長領域，尤其是一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構及生長方法。
【背景技術】
[0002]作為第三代半導體的GaN材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿場強大、熱導率高、飽和漂移速度高以及化學和熱力學性穩定性好等諸多優點。特別地，因為具有很強的極化效應，AlGaN/GaN異質結構可以產生高達約1013cm-2濃度的二維電子氣，基于該結構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域具有十分重要的的應用價值。
[0003]由于缺少可用的GaN單晶襯底，目前GaN材料主要在SiC、藍寶石和Si襯底上通過異質外延生長的方法得到。但是，藍寶石由于硬度高、導電性和導熱性差等原因，對后期器件加工和應用帶來很多不便，SiC同樣存在硬度高且成本昂貴的不足之處，而價格低廉的Si襯底由于有著尺寸大、導熱導電性能好以及成熟的器件加工工藝等優勢，使得Si基GaN器件在規模化生產和應用上具有其它襯底材料無可比擬的成本優勢，Si襯底上的GaN薄膜外延生長技術和相關機理研究也一直受到國內外學者和業界的廣泛關注。
[0004]但是，在Si襯底上實現高質量的GaN薄膜外延生長是十分困難的，首先，襯底中的Si還會與反應室殘留物以及II1、V族元素發生反應，高溫下金屬Ga會與Si襯底發生回熔刻蝕反應，同時襯底中的Si原子也會向緩沖層擴散，從而導致外延層出現區域性的表面缺陷和破壞；另外，GaN和襯底之間存在著非常嚴重的晶格常數失配(17% )和熱失配(56% )，會在外延層中引入大量的位錯和張應力，尤其是在生長結束的降溫過程中進一步形成張應力的積累，從而造成外延片的形變翹曲，嚴重的還會使外延薄膜產生龜裂，而且外延片的翹曲和薄膜龜裂現象會隨著外延襯底尺寸和外延厚度的增加會變得愈發嚴重。
[0005]Si基GaN薄膜的外延生長需要盡可能的降低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和超晶格結構應力緩沖中間層等技術。但是即使采用這些方法，要想獲得Si襯底上高質量的GaN薄膜，仍然存在生長工藝條件和外延結構組合的問題。
【發明內容】
[0006]發明目的:針對上述現有技術存在的缺陷，本發明旨在提供一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構及生長方法，改善GaN外延層的晶體質量并緩解失配應力，避免外延薄膜表面裂紋的產生，抑制外延片的形變翹曲。
[0007]技術方案:一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構，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勢皇層及GaN蓋帽層。
[0008]進一步的，所述AlN成核層的厚度為100?250nm。
[0009]進一步的，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異質結構的生長方法，在娃襯底上自下而上依次生長AlN成核層、AlxGal-xN緩沖層、AlN/GaN超晶格緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢皇層及GaN蓋帽層。
[0012]進一步的，在生長AlN成核層之前向反應室中通入氨氣，對硅襯底表面進行氮化處理，其中氮化處理的氨氣流速為5?10L/min，溫度為850?950 °C，氮化處理持續時間為10?20s ο
[0013]進一步的，所述AlN成核層的厚度為100?250nm，生長時反應室中氨氣和三甲基鋁的摩爾比為2000?4000，生長溫度為950?1050°C。
[0014]進一步的，所述AlxGal-xN緩沖層的厚度為300?1200nm，生長溫度為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]進一步的，所述AlN/GaN超晶格緩沖層的生長溫度為1000?1100°C，生長10?100個周期，每個周期中AlN的厚度為3?6nm，GaN的厚度為18?28nm。
[0016]進一步的，所述GaN溝道層的生長溫度為1000?1100°C，厚度為0.5?1.5μπι。
[0017]有益效果:本發明提供一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構及生長方法，能夠避免Si襯底與Ga發生回熔刻蝕反應，充分緩解外延層中的失配應力并降低穿透位錯密度，從而有效改善AlGaN/GaN異質結材料的表面形貌和晶體質量，基于該材料結構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工藝重復性好的優點。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明中硅襯底上AlGaN/GaN異質結的外延生長結構示意圖。
[0019]圖2是是本發明中硅襯底上AlGaN/GaN異質結表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。
[0020]圖3是本發明中硅襯底上AlGaN/GaN異質結外延片翹曲度的應力測試結果。
【具體實施方式】
[0021 ]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合附圖和具體實施例，對本發明進一步詳細說明。
[0022]實施例1:
[0023]如圖1所示，一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構，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勢皇層及GaN蓋帽層。
[0024]本發明中所述“上”、“下”等位置關系為基于附圖所示的相對位置關系，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，因此不能理解為對本發明的限制。
[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異質結構的生長方法，在硅襯底上自下而上依次生長AlN成核層、AlxGal-xN緩沖層、AlN/GaN超晶格緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢皇層及GaN蓋帽層，下面以MOCVD (金屬有機物化學氣相沉積)方法為例，具體包括如下步驟:
[0027](I)將Si (111)襯底I置于MOCVD反應室中，在氫氣氣氛下進行高溫烘烤處理，處理溫度為1050 °C。
[0028](2)氮化處理的溫度為850?950°C，本實施例中將反應室溫度降至950°C，通入氨氣對硅襯底I表面進行氮化處理，其中氨氣流速為5?10L/min，氮化處理的時間為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SiNx層，可以阻擋襯底中的Si向上層擴散，從而避免GaN生長時Si與Ga發生回熔刻蝕反應。
[0029](3)保持溫度不變，生長AlN成核層2，A1N成核層2的厚度為100?250nm，本實施例中選擇AlN成核層2的生長厚度介于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，本實施例選擇在高溫AlN成核層2上生長厚度為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渡和緩解失配應力。
[0031](5)在AI XGa 1-XN緩沖層3上生長AI N/GaN超晶格緩沖層4，每個超晶格周期的生長厚度AlN和GaN分別為3?6nm和18?28nm，生長10?100個周期，本實施例中選擇AlN和GaN的生長厚度分別為5nm和20nm，生長50個周期，該層的作用是阻擋穿透位錯并提供應力調控。
[0032](6)在AlN/GaN超晶格緩沖層4上生長厚度為0.5?1.5μπι的GaN溝道層5，本實施例中GaN溝道層5的厚度為Ιμπι。
[0033](7)在GaN溝道層5上生長Al組分為25%的AlGaN勢皇層6，生長厚度為25nm。
[0034](8)在AlGaN勢皇層6上生長GaN蓋帽層7，生長厚度為2nm。
[0035]如圖2所不，米用原子力顯微鏡表征AlGaN/GaN異質結外延材料的表面形貌，表面原子臺階清晰可見，均方根粗糙度為0.31 nm。
[0036]如圖3所示，采用應力測試儀測量Si基AlGaN/GaN異質結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，表明通過本實施例生長的外延片的應力控制較好。
[0037]實施例2:
[0038]本實施例也提供了一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構及其生長方法，其結構及方法與實施例1中所述的大概相同，二者的區別在于:步驟(2)中將反應室溫度降至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)中所述每個超晶格周期的生長厚度AlN和GaN分別為3nm和18nm，生長100個周期，步驟(6)中所述GaN溝道層5的厚度為0.5μπι，步驟(7)中所述AlGaN勢皇層6的生長厚度為20nm，Al組分為20%，步驟(8)中所述GaN蓋帽層7的生長厚度為2.5nm。
[0039]實施例3:
[0040]本實施例也提供了一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構及其生長方法，其結構及方法與實施例1中所述的大概相同，二者的區別在于:步驟(2)中將反應室溫度降至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)中所述每個超晶格周期的生長厚度AlN和GaN分別為6nm和28nm，生長10個周期，步驟(6)中所述GaN溝道層5的厚度為1.5μπι，步驟(7)中所述AlGaN勢皇層6的生長厚度為30nm，Al組分為30%，步驟(8)中所述GaN蓋帽層7的生長厚度為3nm。
[0041]上述實施例已經具體描述和展示了本發明的技術方法和實施效果，對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明的內容和原理后，能夠在不背離本發明的原理和范圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基于本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1.一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構，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勢皇層(6)及GaN蓋帽層(7)。2.根據權利要求1所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構，其特征在于，所述AlN成核層(2)的厚度為100?250nmo3.根據權利要求1所述的一種娃襯底上AlGaN/GaN異質結構，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.根據權利要求1所述的一種娃襯底上AlGaN/GaN異質結構，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異質結構的生長方法，其特征在于，在娃襯底(I)上自下而上依次生長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勢皇層(6)及GaN蓋帽層⑴。6.根據權利要求5所述的一種娃襯底上AlGaN/GaN異質結構的生長方法，其特征在于，在生長AlN成核層(2)之前向反應室中通入氨氣，對硅襯底表面進行氮化處理，其中氮化處理的氨氣流速為5?10L/min，溫度為850?950°C，氮化處理持續時間為10?20s。7.根據權利要求5所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構的生長方法，其特征在于，所述AlN成核層(2)的厚度為100?250nm，生長時反應室中氨氣和三甲基鋁的摩爾比為2000?4000，生長溫度為950?1050°C。8.根據權利要求5所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構的生長方法，其特征在于，所述AlxGal-xN緩沖層(3)的厚度為300?1200nm，生長溫度為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.根據權利要求5所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構的生長方法，其特征在于，所述AlN/GaN超晶格緩沖層⑷的生長溫度為1000?1100°C，生長10?100個周期，每個周期中AlN的厚度為3?6nm，GaN的厚度為18?28nm。10.根據權利要求5所述的一種硅襯底上AlGaN/GaN異質結構的生長方法，其特征在于，所述GaN溝道層(5)的生長溫度為1000?1100°C，厚度為0.5?1.5μπι。
【文檔編號】H01L29/20GK106098749SQ201610515621
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】潘磊, 董遜, 李忠輝, 倪金玉
【申請人】中國電子科技集團公司第五十五研究所