CN219203165U - 一种氮化镓外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体技术领域，公开了一种氮化镓外延结构，包括：衬底和外延层，所述衬底为腐蚀蓝宝石衬底，所述腐蚀蓝宝石衬底顶面设有岛状低温缓冲层，所述低温缓冲层顶面设有中温缓冲层，所述中温缓冲层顶面设有高温外延层，本实用新型通过腐蚀后的蓝宝石衬底，可以大大降低位错密度。此外腐蚀坑的中空结构可以释放应力，提高外延层的质量，同时中温缓冲层是以三维模式生长的，而再恢复高温生长时会迅速转变为二维模式，并且外延层表面光滑平整，可以生长出位错密度较低的表面形貌明显提高的GaN薄膜。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，具体为一种氮化镓外延结构。
背景技术
氮化镓(GaN)材料具有热稳定性高、抗辐射和耐腐蚀性优异、击穿场强大和高电子迁移速率快等优点，非常适合用于高频，高压高功率器件的制作。氮化镓基高电子迁移率场效应晶体管是目前最常用的的氮化镓基电子器件结构。氮化镓基HEMT是利用AlGaN层和GaN层的极化强度和禁带宽度的差异，在AlGaN/GaN异质结界面形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气，从而形成具有通态电阻小，工作频率高器件耐压高的大功率场效应晶体管。
经检索，公开号为：CN110993689A的中国发明专利，公开了一种氮化镓器件的外延结构，包括衬底、低温成核层、缓冲层、高阻层、沟道层以及势垒层，其中，缓冲层是由GaN1/SiN/GaN2循环生长组成，包括GaN1晶核层、网状结构SiN薄层、GaN2填平层，主要通过控制这三子层生长环境中的NH3总量来控制其生长模式的不同，本发明通过循环生长GaN1/SiN/GaN2缓冲层可以大幅度降低材料的位错密度，提高晶格质量，从而提升HEMT器件的电子迁移率、击穿电压以及漏电流等特性。
由对上述现有技术的分析可知，由于氮化镓HEMT器件与碳化硅衬底、蓝宝石衬底或单晶硅衬底之间均存在较大的晶格失配，即使有成核层与AlGaN或GaN缓冲层在衬底与GaN层之间起到缓冲作用，最终生长得到的GaN层的晶体质量也不够好，进而影响HEMT的质量，这样就会降低器件击穿电压，减小电子迁移率，从而使当前氮化镓HEMT器件的性能远低于理论极限。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种氮化镓外延结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种氮化镓外延结构，包括：衬底和外延层，所述衬底为腐蚀蓝宝石衬底，所述腐蚀蓝宝石衬底顶面设有岛状低温缓冲层，所述低温缓冲层顶面设有中温缓冲层，所述中温缓冲层顶面设有高温外延层。
进一步的，所述腐蚀蓝宝石衬底为化学腐蚀蓝宝石衬底，尺寸范围为2-8inch。
进一步的，所述岛状低温缓冲层为GaN缓冲层，所述岛状低温缓冲层生长温度为500-600℃，所述岛状低温缓冲层的形核形状呈顶部尺寸小底部尺寸小的梯形岛状，所述岛状低温缓冲层的厚度范围为：15-20nm。
进一步的，所述中温缓冲层为GaN缓冲层，所述中温缓冲层的生长温度为750-850℃，所述中温缓冲层的厚度范围为：15-20nm。
进一步的，所述高温外延层为GaN外延层，所述高温外延层的生长温度为1000-1050℃。
进一步的，所述腐蚀蓝宝石衬底腐蚀后的顶面上形成有凹坑，所述岛状低温缓冲层生长时，横向生长速度是纵向生长速度的十倍以上。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型通过设置的腐蚀蓝宝石衬底、岛状低温缓冲层和中温缓冲层，是实现了在氮化镓外延结构生长时，通过腐蚀后的蓝宝石衬底面位错腐蚀坑呈现均匀的三角形状，而其后15-20nm的岛状低温缓冲层不足以填平微米数量级的腐蚀坑，在随后的横向外延生长过程中，可以大大降低位错密度。此外腐蚀坑的中空结构可以释放应力，提高外延层的质量，同时中温缓冲层是以三维模式生长的，而再恢复高温生长时会迅速转变为二维模式，并且外延层表面光滑平整，可以生长出位错密度较低的表面形貌明显提高的GaN薄膜。
附图说明
图1为本实用新型一种氮化镓外延结构的结构示意图。
图中：1-腐蚀蓝宝石衬底；2-岛状低温缓冲层；3-中温缓冲层；4-高温外延层。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种氮化镓外延结构，包括：衬底和外延层，衬底为腐蚀蓝宝石衬底1，腐蚀蓝宝石衬底1顶面设有岛状低温缓冲层2，低温缓冲层2顶面设有中温缓冲层3，中温缓冲层3顶面设有高温外延层4。
本申请采用Thomas Swan垂直气流低气压金属有机物化学汽相沉积***(MOCVD)；金属有机源(MO源)分别是：三甲基镓(TMGa)，三甲基铝(TMAI)，三甲基铟(TMIn)；N源是用高纯氨气；载气用高纯氮气和氢气。
腐蚀蓝宝石衬底1为化学腐蚀蓝宝石衬底，尺寸范围为2-8inch。这些腐蚀坑的位置是缺陷集中的位置，由于没有直接在凹坑上方外延，这样就阻止了蓝宝石衬底中大量位错在外延过程中的延伸；同时在没有腐蚀坑处，本身不是缺陷集中的位置，在随后的横向外延生长过程中，其中部分线位错弯曲90，使其不能到达薄膜表面，这样可以大大降低位错密度。此外腐蚀坑的中空结构可以释放应力，提高外延层的质量。
岛状低温缓冲层2为GaN缓冲层，岛状低温缓冲层2生长温度为500-600℃，岛状低温缓冲层2的形核形状呈顶部尺寸小底部尺寸小的梯形岛状，岛状低温缓冲层2的厚度范围为：15-20nm。
岛状的GaN发生横向生长，腐蚀坑两侧每一翼生长距离约是腐蚀坑深度的10倍，若横向生长速度是纵向生长速度的十倍以上时，两翼会在腐蚀坑处聚合，得到全覆盖的GaN外延层，而凹坑处和覆盖在凹坑上方的GaN之间就会存在中空结构。
中温缓冲层3为GaN缓冲层，中温缓冲层3的生长温度为750-850℃，中温缓冲层3的厚度范围为：15-20nm。高温外延层4为GaN外延层，高温外延层4的生长温度为1000-1050℃。中温缓冲层3是以三维模式生长的，而再恢复高温生长时会迅速转变为二维模式，并且外延层表面光滑平整。
腐蚀蓝宝石衬底1腐蚀后的顶面上形成有凹坑，岛状低温缓冲层2生长时，横向生长速度是纵向生长速度的十倍以上。若横向生长速度是纵向生长速度的十倍以上时，两翼会在腐蚀坑处聚合，得到全覆盖的GaN外延层，而凹坑处和覆盖在凹坑上方的GaN之间就会存在中空结构。
工作原理：在氮化镓外延结构生长时，通过腐蚀后的蓝宝石衬底面位错腐蚀坑呈现均匀的三角形状，而其后15-20nm的岛状低温缓冲层2不足以填平微米数量级的腐蚀坑，然后通过增大V/III比，使其横向生长速度大于纵向生长速度，岛状的GaN发生横向生长，腐蚀坑两侧每一翼生长距离约是腐蚀坑深度的10倍，若横向生长速度是纵向生长速度的十倍以上时，两翼会在腐蚀坑处聚合，得到全覆盖的GaN外延层，而凹坑处和覆盖在凹坑上方的GaN之间就会存在中空结构，当全覆盖的GaN外延层生长结束时，再降低VIII比，直至外延过程结束。中温缓冲层3是以三维模式生长的，而再恢复高温生长时会迅速转变为二维模式，并且外延层表面光滑平整，可以生长出位错密度较低的表面形貌明显提高的GaN薄膜。
基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
Claims (6)
1.一种氮化镓外延结构，包括：衬底和外延层，其特征在于：所述衬底为腐蚀蓝宝石衬底(1)，所述腐蚀蓝宝石衬底(1)顶面设有岛状低温缓冲层(2)，所述低温缓冲层(2)顶面设有中温缓冲层(3)，所述中温缓冲层(3)顶面设有高温外延层(4)。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延结构，其特征在于：所述腐蚀蓝宝石衬底(1)为化学腐蚀蓝宝石衬底，尺寸范围为2-8inch。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延结构，其特征在于：所述岛状低温缓冲层(2)为GaN缓冲层，所述岛状低温缓冲层(2)生长温度为500-600℃，所述岛状低温缓冲层(2)的形核形状呈顶部尺寸小底部尺寸小的梯形岛状，所述岛状低温缓冲层(2)的厚度范围为：15-20nm。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延结构，其特征在于：所述中温缓冲层(3)为GaN缓冲层，所述中温缓冲层(3)的生长温度为750-850℃，所述中温缓冲层(3)的厚度范围为：15-20nm。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延结构，其特征在于：所述高温外延层(4)为GaN外延层，所述高温外延层(4)的生长温度为1000-1050℃。
6.根据权利要求3所述的一种氮化镓外延结构，其特征在于：所述腐蚀蓝宝石衬底(1)腐蚀后的顶面上形成有凹坑，所述岛状低温缓冲层(2)生长时，横向生长速度是纵向生长速度的十倍以上。
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2023
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