CN108172501A - 一种异质衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种异质衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法，在异质衬底上依次生长氮化铝成核层、铝镓氮层、氮化镓位错过滤层和氮化镓外延层，通过采用独特的氮化镓位错过滤层，有效克服了现有异质衬底上GaN厚膜材料外延技术上的复杂性，使外延工艺简单且快捷有效，稳定性高，同时能大幅降低缺陷密度，获得GaN连续厚膜，提高异质结构晶体质量，十分适合于低成本的垂直GaN电子器件的研制。

Description

一种异质衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种硅(Si)或碳化硅(SiC)衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法。
背景技术
以III族氮化物为代表的第三代半导体具有高禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度以及强极化等优异的性质，特别是GaN垂直功率电子器件，和GaN横向电子器件相比，GaN垂直功率电子器件具有更大的击穿电压。和SiC垂直电子器件比，GaN垂直器件具有更高的临界击穿电场(GaN 3.3MV/cm&SiC3.0MV/cm)，而理论上具有比SiC更高的击穿电压，同功率下所需要的器件尺寸较小，同时GaN材料因电子漂移速率高(GaN3×107cm/s&SiC2×107cm/s)，在相同耐压条件下，决定器件自身能耗的导通电阻可降低1个数量级。另外，Si衬底上GaN垂直电子器件因其在大尺寸、低成本以及与现有Si工艺兼容等方面具有明显的优势，因此在混合动力汽车的功率控制电路、太阳能逆变器、混合动力汽车逆变器、功率电源、家用电器及工业设备的功率转换器等领域有广泛的应用前景，也因此使其成为国际上氮化物领域研究的热点之一。另外一方面，近年来随着SiC衬底尺寸的增大和成本的不断降低，基于SiC衬底上的GaN垂直结构器件也引起了人们的广泛关注。
GaN连续膜的厚度是衡量GaN垂直电子器件性能的重要指标之一，对于提高器件的击穿电压具有重要作用。但是由于异质衬底(Si衬底或者SiC衬底)和GaN存在巨大的热失配，高温生长GaN材料后，在降温的过程中GaN基外延材料会受到衬底施加的巨大的张应力，导致外延材料强烈翘曲甚至龟裂，难以满足器件制备的要求。因此，如何通过应力和缺陷工程，避免外延材料的龟裂，并获得低缺陷密度的GaN连续厚膜材料，是研制异质衬底上GaN垂直功率电子器件需要解决的首要问题。在本发明以前，为了实现异质衬底上GaN厚膜材料，国际上主要采用多层AlN或AlGaN***层技术。然而，这种技术制备的GaN薄膜并非连续，同时该技术需要不断的升温/降温，外延步骤较多，周期长，成本大，在晶体质量的提高等方面也受到一定挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有异质衬底上GaN厚膜外延技术上的不足以及工艺的复杂性，提供了一种新型的异质衬底上GaN连续厚膜外延技术，通过采用独特的氮化镓位错过滤层，有效克服现有异质衬底上GaN厚膜材料外延技术上的复杂性，使外延工艺简单且快捷有效，稳定性高，同时能大幅度提高异质结构晶体质量。
本发明提供的异质衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法包括如下步骤：
(1)在异质衬底上生长一层氮化铝成核层；
(2)在成核层上生长铝镓氮层，其中Al的摩尔组分为15-30％；
(3)在铝镓氮层上生长氮化镓位错过滤层；
(4)在氮化镓位错过滤层上生长氮化镓外延层。
优选的，所述成核层、铝镓氮层、氮化镓位错过滤层、氮化镓外延层的生长方法可以是金属有机化合物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)和气相外延(CVD)中的一种。
其中，步骤(1)中所述异质衬底可以是晶向为硅(111)、硅(100)、硅(110)等的硅衬底或者碳化硅衬底。生长氮化铝成核层的温度为600-1200℃，压力为10-200mbar；成核层厚度优选为50nm-2μm，更优选为100-400nm。
步骤(2)生长铝镓氮层的温度为800-1200℃，压力为10-300mbar；铝镓氮层厚度优选为50nm-2μm，更优选为200-600nm。
步骤(3)生长氮化镓位错过滤层的温度为800-1200℃，压力为10-300mbar，V/III比为1000-8000；氮化镓位错过滤层厚度优选为50nm-2μm，更优选为200nm-1.5μm。
步骤(4)生长氮化镓外延层的温度为800-1200℃，生长压力为10-800mbar；V/III比为500-8000；氮化镓外延层厚度可达1μm-20μm。
本发明采用独特的氮化镓位错过滤层，通过精确控制生长条件，如温度、压力、V/III等，可有效地降低位错密度，进而降低了压应力的消耗，可以有足够的压应力来支撑后续GaN外延层的生长，提高了GaN连续膜的厚度。参考图2、图3所示，采用本发明制备的GaN连续厚膜的X射线衍射(XRD)对称面(002)和非对称面(102)摇摆曲线的半高宽(FWHM)分别为299arcsec和314arcsec；GaN基外延材料总厚度平均值约为7.7μm，其中GaN连续膜的厚度为7.0μm。
与现有的较繁琐的异质衬底上GaN厚膜外延技术相比，本发明采用独特的GaN位错过滤层，不仅制备方法简单易行，而且可以大幅降低缺陷密度，并可获得GaN连续厚膜，十分适合于低成本的垂直GaN电子器件的研制。
附图说明
图1为本发明在硅或碳化硅衬底上生长GaN连续厚膜的结构示意图，其中1-硅或碳化硅衬底，2-成核层，3-铝镓氮层，4-氮化镓位错过滤层，5-氮化镓外延层。
图2为采用本发明方法制备的GaN连续厚膜的X射线衍射(XRD)对称面(002)和非对称面(102)摇摆曲线。
图3为实施例3制备的Si衬底上GaN基材料的透射电子显微镜(TEM)截面图。
具体实施方式
参考图1所示，本发明提供的一种硅或碳化硅上GaN连续厚膜外延生长方法获得的结构由下至上依次包括：单晶硅或碳化硅衬底1；成核层2；铝镓氮层3；氮化镓位错过滤层4；氮化镓外延层5。下面通过实施例对该方法进行详细描述。
实施例1
(1)选择一种单晶硅衬底1，硅的晶向可以是硅(111)、硅(100)、硅(110)等；
(2)在单晶硅衬底1上生长铝氮作为成核层2，生长温度为1100℃，生长压力为100mbar，生长厚度为300nm；
(3)在成核层2上外延生长铝镓氮层3，生长温度为1090℃，生长压力为100mbar，生长厚度为400nm，铝的摩尔组分为23％，该层起到调控应力的作用；
(4)在铝镓氮层3上生长氮化镓位错过滤层4，生长温度为1030℃，生长压力为100mbar，三甲基镓和氨气的气体流量摩尔比(或V/III比)为1000-8000，厚度为1μm，氮化镓位错过滤层起到降低位错、提高晶体质量的作用；
(5)在氮化镓位错过滤层4上生长氮化镓外延层5，生长温度为1050℃，生长压力为200mbar，V/III比为500-8000，厚度为2.5μm。随后对该样品进行X射线衍射(XRD)对称面(002)和非对称面(102)摇摆曲线测试，如图2所示，可以看到GaN对称面(002)和非对称面(102)摇摆曲线的FWHM分别为299arcsec和314arcsec。
实施例2
(1)选择一种单晶碳化硅衬底1，碳化硅衬底可以是导电衬底或者半绝缘衬底；
(2)在单晶碳化硅衬底1上生长铝氮作为成核层2，生长温度为1100℃，生长压力为100mbar，生长厚度为100nm；
(3)在成核层2上外延生长铝镓氮层3，生长温度为1090℃，生长压力为100mbar，生长厚度为400nm，铝的摩尔组分为15％-30％，该层起到调控应力的作用；
(4)在铝镓氮层3上生长氮化镓位错过滤层4，生长温度为1030℃，生长压力为100mbar，V/III比为1000-8000，厚度为1μm，氮化镓位错过滤层起到降低位错、提高晶体质量的作用；
(5)在氮化镓位错过滤层4上生长氮化镓外延层5，生长温度为1050℃，生长压力为100mbar，V/III比为500–8000，厚度为5μm。
实施例3
(1)选择一种单晶硅衬底1；
(2)在单晶硅衬底1上生长铝氮作为成核层2，生长温度为1100℃，生长压力为100mbar，生长厚度为300nm；
(3)在成核层2上外延生长铝镓氮层3，生长温度为1090℃，生长压力为100mbar，生长厚度为400nm，铝的摩尔组分为15％-30％，该层起到调控应力的作用；
(4)在铝镓氮层3上生长氮化镓位错过滤层4，生长温度为1030℃，生长压力为50-200mbar，V/III比为1000-8000，厚度为1μm，氮化镓位错过滤层起到降低位错、提高晶体质量的作用；
(5)在氮化镓位错过滤层4上生长氮化镓外延层膜5，生长温度为1030℃，生长压力为50-200mbar，V/III比为500–8000，厚度为6.0μm。随后对该样品进行厚膜电镜测试，如图3所示，可以看到Si衬底上的GaN连续膜厚为7.0μm，总厚度约为7.7μm。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其描述较为具体和详细，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，因此不能仅以此来限定本发明的保护范围。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，即凡依据本发明所揭示的精神所作的变化，仍应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种异质衬底上GaN连续厚膜的外延生长方法，包括如下步骤：
1)在异质衬底上生长一层氮化铝成核层；
2)在成核层上生长铝镓氮层，其中Al的摩尔组分为15-30％；
3)在铝镓氮层上生长氮化镓位错过滤层；
4)在氮化镓位错过滤层上生长氮化镓外延层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成核层、铝镓氮层、氮化镓位错过滤层和氮化镓外延层的生长方法选自金属有机化合物气相外延、分子束外延、氢化物气相外延和气相外延中的一种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述异质衬底是硅衬底或碳化硅衬底。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)生长氮化铝成核层的温度为600-1200℃，压力为10-200mbar。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)生长铝镓氮层的温度为800-1200℃，压力为10-300mbar。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)生长氮化镓位错过滤层的温度为800-1200℃，压力为10-300mbar，V/III比为1000-8000。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)生长氮化镓外延层的温度为800-1200℃，生长压力为10-800mbar，V/III比为500-8000。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化铝成核层厚度为50nm-2μm，铝镓氮层厚度为50nm-2μm，氮化镓位错过滤层厚度为50nm-2μm。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述氮化铝成核层厚度为100-400nm，铝镓氮层厚度为200-600nm，氮化镓位错过滤层厚度为200nm-1.5μm。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)生长的氮化镓外延层厚度为1μm-20μm。
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