用于生長GaN外延材料的襯底結構的制作方法

用于生長GaN外延材料的襯底結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種用于GaN外延材料生長的襯底結構，在支撐襯底上依次形成了成核層、緩沖層和晶格匹配層，首先解決了現有技術中支撐襯底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影響的問題；其次緩沖層中與成核層晶格匹配的元素及與晶格匹配層晶格匹配的元素的含量隨緩沖層厚度的增加而連續變化，緩沖層下面的材料結構與成核層的材料結構接近，上面的材料結構和晶格匹配層的材料結構接近，解決了現有技術中支撐襯底與GaN外延材料之間的晶格匹配和熱應力匹配的問題。
【專利說明】
用于生長GaN外延材料的襯底結構
技術領域
[0001]本實用新型涉及半導體器件制造領域，尤其涉及一種用于GaN外延材料生長的襯底結構。
【背景技術】
[0002]作為第三代半導體材料的典型代表，氮化鎵(GaN)具有廣泛的應用領域和發展前景，由于自然界中缺乏天然的氮化鎵襯底(GaN外延的同質襯底)材料，各領域的科研工作者通常選擇在異質襯底如藍寶石襯底、碳化娃襯底或娃襯底上生長GaN外延薄膜從而形成半導體發光器件、開關器件和傳感器件等。各種異質襯底材料的特性及其與GaN外延薄膜之間的晶格匹配和熱應力匹配的研究成為實現GaN半導體光電器件商業化及發展和可持續發展的關鍵。
[0003]藍寶石襯底生產技術相對成熟、化學穩定性好、機械強度高，成為初期半導體光電器件的首選襯底材料，后續發展的藍寶石襯底的圖形化技術和外延工藝的緩沖層技術也部分解決了藍寶石襯底與GaN外延材料之間晶格匹配和熱應力匹配的問題。然而，藍寶石襯底導熱性差，影響器件的性能和使用壽命，且不易于向大尺寸、自動化方向發展;碳化硅襯底是電和熱的良導體，且具有化學穩定性好的優勢，在半導體光電技術制造領域具有重要地位，但其價格高昂，性價比較差。
[0004]與藍寶石襯底和碳化硅襯底相比，硅襯底是電和熱的良導體，且成本低，可向大尺寸、自動化方向發展，被認為是未來最有發展潛能的襯底。但是，硅襯底和GaN外延層之間也存在著較大的晶格失配和熱應力失配;且，硅襯底表面還容易發生氧化形成多晶或非晶的氧化層，不易于形成高晶體質量的GaN外延層；不僅如此，硅襯底在生長過GaN外延層的MOCVD (Meta 1-organic Chemical Vapor Deposit1n，金屬有機化合物化學氣相沉淀)腔體中再次形成外延層時，會受MOCVD腔體中殘留的Ga或Ga的化合物回熔的影響，嚴重降低GaN器件的性能和良率。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種用于GaN外延材料生長的襯底結構，以解決硅襯底與GaN外延材料之間的晶格匹配和熱應力匹配的問題、硅襯底表面易于被氧化的問題以及硅襯底易受MOCVD腔體中Ga或GaN的化合物回熔影響的問題。
[0006]為了解決上述問題，本實用新型提出了一種用于GaN外延材料生長的襯底結構，包括:
[0007]支撐襯底；
[0008]成核層，形成于所述支撐襯底表面；
[0009]緩沖層，形成于所述成核層表面；
[0010]晶格匹配層，形成于所述緩沖層表面；
[0011]其中，所述緩沖層包含與所述成核層的晶格匹配的元素以及與所述晶格匹配層的晶格匹配的元素;越靠近所述成核層時，所述緩沖層中與所述成核層晶格匹配的元素所占比例越高，與所述晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配層時，所述緩沖層中與所述成核層的晶格匹配的元素所占比例越低，與所述晶格匹配層的晶格匹配的兀素所占比例越尚。
[0012]進一步的，在所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，所述成核層材質為Al、Al2O3或AlN中的至少一種。
[0013]進一步的，在所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，所述晶格匹配層材質為GaN0
[0014]進一步的，在所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，所述緩沖層材質為Al(i—x)GaxN、In(i—y)GayN 或 In(i—y)Al(i—x)Ga(x+y)N 中的至少一種，其中x，y為正數。
[00?5]進一步的，在所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，x = t/T，y = t/T，其中T為所述緩沖層的總厚度，t為O?T之間的數值。
[0016]進一步的，在所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，所述緩沖層的厚度為0.1ym?1ymο
[0017]進一步的，在所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，所述支撐襯底為娃襯底。
[0018]與現有技術相比，本實用新型的有益效果主要體現在:在支撐襯底上依次形成了成核層、緩沖層和晶格匹配層，首先解決了現有技術中支撐襯底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影響的問題;其次緩沖層中與成核層晶格匹配的元素及與晶格匹配層晶格匹配的元素的含量隨緩沖層厚度的增加而連續變化，緩沖層下面的材料結構與成核層的材料結構接近，上面的材料結構和晶格匹配層的材料結構接近，很好地解決了現有技術中支撐襯底與GaN外延材料之間的晶格匹配和熱應力匹配的問題。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型中用于生長GaN外延材料的襯底結構制作方法的流程圖；
[0020]圖2為本實用新型一實施例中支撐襯底剖面結構圖；
[0021 ]圖3為本實用新型一實施例中形成成核層后的剖面結構圖；
[0022]圖4為本實用新型一實施例中形成緩沖層初始位置的剖面結構圖；
[0023]圖5為本實用新型一實施例中形成0.25μπι緩沖層后的位置剖面結構圖；
[0024]圖6為本實用新型一實施例中形成0.5μπι緩沖層后的位置剖面結構圖；
[0025]圖7為本實用新型一實施例中形成0.75μπι緩沖層后的位置剖面結構圖；
[0026]圖8為本實用新型一實施例中形成Ιμπι緩沖層后的位置剖面結構圖；
[0027]圖9為本實用新型一實施例中形成晶格匹配層后剖面結構圖。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合示意圖對本實用新型的用于生長GaN外延材料的襯底結構進行更詳細的描述，其中表示了本實用新型的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本實用新型，而仍然實現本實用新型的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對于本領域技術人員的廣泛知道，而并不作為對本實用新型的限制。
[0029]在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本實用新型。根據下面說明和權利要求書，本實用新型的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本實用新型實施例的目的。
[0030]在本實施例中，提出了一種用于生長GaN外延材料的襯底結構，包括:
[0031]支撐襯底；
[0032]成核層，形成于所述支撐襯底表面；
[0033]緩沖層，形成于所述成核層表面；
[0034]晶格匹配層，形成于所述緩沖層表面；
[0035]其中，所述緩沖層包含與所述成核層的晶格匹配的元素以及與所述晶格匹配層的晶格匹配的元素;越靠近所述成核層時，所述緩沖層中與所述成核層晶格匹配的元素所占比例越高，與所述晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配層時，所述緩沖層中與所述成核層的晶格匹配的元素所占比例越低，與所述晶格匹配層的晶格匹配的兀素所占比例越尚。
[0036]此外，如圖1所示，還提出了一種用于生長GaN外延材料的襯底結構的制作方法，用于制作如上文所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構，包括步驟:
[0037]SlOO:提供一支撐襯底；
[0038]S200:在所述支撐襯底表面形成成核層；
[0039]S300:在所述成核層表面形成緩沖層，在形成所述緩沖層過程中，通過控制反應氣體的流量大小，使所述緩沖層在越靠近成核層時，與成核層晶格匹配的元素所占比例越高，與晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配層時，與成核層晶格匹配的元素所占比例越低，與晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越高；
[0040]S400:在所述緩沖層表面形成晶格匹配層。
[0041]本實用新型提出的用于生長GaN外延材料的襯底結構在支撐襯底上依次形成了成核層、緩沖層和晶格匹配層，首先解決了支撐襯底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影響的問題;其次緩沖層中成核層晶格匹配的元素及與晶格匹配層晶格匹配的元素的含量隨緩沖層厚度的增加而連續變化，緩沖層下面的材料結構與成核層的材料結構接近，上面的材料結構和晶格匹配層的材料結構接近，很好地解決了支撐襯底與GaN外延材料之間的晶格匹配和熱應力匹配的問題。
[0042]下面結合圖2至圖9以及具體實施例詳細描述本實用新型提供的用于生長GaN外延材料的襯底結構。
[0043]具體的，在本實施例中，提出了一種用于生長GaN外延材料的襯底結構，包括:支撐襯底10(如圖2所示)；優選的，所述支撐襯底10為硅襯底;成核層20，形成于所述支撐襯底10的表面，如圖3所示;可選的，所述成核層20為Al、Ah03、A1N中的至少一種;在本實施例中，所述成核層20的材料為AlN;緩沖層30，形成于所述成核層20的表面;所述緩沖層30包含與成核層晶格匹配的元素(例如是Al和N)，還包含與晶格匹配層晶格匹配的元素，且越靠近所述成核層時，所述緩沖層中與成核層晶格匹配的元素所占比例越高(如Al和N的比例越高)，與晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配層時，所述緩沖層中與成核層晶格匹配的元素所占比例越低，與晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越高；晶格匹配層40，所述晶格匹配層40形成在所述緩沖層30的表面，所述晶格匹配層40的材料為GaN，獲得如圖9所示的用于生長GaN外延材料的襯底結構。
[0044]其中，所述緩沖層30的材料可以為Al(1—x)GaxN、In(1—y)GayN或In(1—y)Al(1—x)Ga(x+y)N中的至少一種，在本實施例中，優選的，所述緩沖層30的材料為Al (1-x)GaxN，其中x，y連續變化的正數;進一步的，x = t/T、y = t/T,其中T為緩沖層30的總厚度，T = 0.Ιμπι?10ym;t為O至IjT之間的連續變化的數值。
[0045]具體的，如圖4所示，在緩沖層30形成的初始位置，X= O，所述位置31處的緩沖層30材料為A1N，與所述成核層20的材料相同，兩者晶格匹配。
[0046]如圖5所示，緩沖層30繼續生長至第一厚度，例如是0.25μπι處，χ = 0.75，所示位置32處的緩沖層30材料為Al0.T5Ga0.25Ν，接近成核層20的材料。
[0047]如圖6所示，緩沖層30繼續生長至第二厚度，例如是0.5μπι處，X = 0.5，所示位置33處的緩沖層30材料為Al0.5GaQ.5N，處于成核層20與后續形成晶格匹配層的材料之間。
[0048]如圖7所示，緩沖層30繼續生長至第三厚度，例如是0.75μπι處，X = 0.75，所示位置34處的緩沖層30材料為Al0.25Ga0.75N，接近后續形成晶格匹配層的材料。
[0049]如圖8所示，緩沖層30繼續生長至第四厚度，例如是Ιμπι處，X = I，所示位置35處的緩沖層30材料為GaN，與后續形成晶格匹配層的材料相同，這樣形成的緩沖層30能夠同時與成核層20和后續形成的晶格匹配層進行匹配，實現良好的接觸。
[0050]在本實施例的另一方面還提出了一種用于生長GaN外延材料的襯底結構的制作方法，用于制作如上文所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構，包括步驟:
[0051 ] SlOO:提供一支撐襯底10，例如是硅襯底；
[0052]S200:在所述支撐襯底10表面形成材料為AlN的成核層20;
[0053]S300:在所述成核層20表面形成緩沖層30，在形成所述緩沖層30過程中，通過控制反應氣體的流量大小，使所述緩沖層30在越靠近成核層20時，與成核層晶格匹配的元素所占比例越高，與晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配層時，與成核層晶格匹配的元素所占比例越低，與晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越高；
[0054]S400:在所述緩沖層30表面形成晶格匹配層40。
[0055]具體的，在本實施例中，可以通過派射、MOCVD(Metal_organic Chemical VaporDeposit1n，金屬有機化合物化學氣相沉淀)、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氫化物氣相外延)或MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)工藝在所述支撐襯底10上形成所述成核層20，可以通過所述MOV⑶工藝在所述成核層20上形成所述緩沖層30，所述緩沖層30為Al (1—x)GaxN，其采用NH3、TMGa和TMAl形成，通過控f|jijTMGa和TMAl的流量，使所述緩沖層30在生長過程中與成核層晶格匹配的元素及與晶格匹配層晶格匹配的元素含量發生連續變化，以使形成的緩沖層30滿足上述要求。
[0056]綜上，在本實用新型實施例提供的用于生長GaN外延材料的襯底結構中，在支撐襯底上依次形成了成核層、緩沖層和晶格匹配層，首先解決了現有技術中支撐襯底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影響的問題;其次緩沖層中與成核層晶格匹配的元素及與晶格匹配層晶格匹配的元素的含量隨緩沖層厚度的增加而連續變化，緩沖層下面的材料結構與成核層的材料結構接近，上面的材料結構和晶格匹配層的材料結構接近，很好地解決了現有技術中支撐襯底與GaN外延材料之間的晶格匹配和熱應力匹配的問題。。
[0057]上述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不對本實用新型起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本實用新型的技術方案的范圍內，對本實用新型揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本實用新型的技術方案的內容，仍屬于本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種用于生長GaN外延材料的襯底結構，其特征在于，包括: 支撐襯底； 成核層，形成于所述支撐襯底表面； 緩沖層，形成于所述成核層表面； 晶格匹配層，形成于所述緩沖層表面； 其中，所述緩沖層包含與所述成核層的晶格匹配的元素以及與所述晶格匹配層的晶格匹配的元素；越靠近所述成核層時，所述緩沖層中與所述成核層晶格匹配的元素所占比例越高，與所述晶格匹配層晶格匹配的元素所占比例越低;越靠近所述晶格匹配層時，所述緩沖層中與所述成核層的晶格匹配的元素所占比例越低，與所述晶格匹配層的晶格匹配的元素所占比例越尚。2.如權利要求1所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構，其特征在于，所述成核層材質為Al、Ah03或AlN中的至少一種。3.如權利要求1所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構，其特征在于，所述晶格匹配層材質為GaN。4.如權利要求1所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構，其特征在于，所述緩沖層材質為 Al(i—x)GaxN、In(i—y)GayN 或 In(i—y)Al(i—x)Ga(x+y)N 中的至少一種，其中x，y為正數。5.如權利要求4所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構，其特征在于，x= t/ T，y = t/T，其中T為所述緩沖層的總厚度，t為0?ΤΖ間的數值。6.如權利要求1所述的用于生長GaN外延材料的襯底結構，其特征在于，所述緩沖層的厚度為0.1ym?ΙΟμπι。7.如權利要求1所述的用于生長Ga N外延材料的襯底結構，其特征在于，所述支撐襯底為硅襯底。
【文檔編號】H01L21/02GK205508775SQ201620301198
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】李東昇, 丁海生, 陳善麟
【申請人】杭州士蘭微電子股份有限公司, 杭州士蘭明芯科技有限公司