CN105702565B - 用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法 - Google Patents

用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于GaN外延材料生长的衬底结构及其制作方法，在支撑衬底上依次形成了成核层、缓冲层和晶格匹配层，首先解决了现有技术中支撑衬底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影响的问题；其次缓冲层中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随缓冲层厚度的增加而连续变化，缓冲层下面的材料结构与成核层的材料结构接近，上面的材料结构和晶格匹配层的材料结构接近，解决了现有技术中支撑衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题。

Description

用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种用于GaN外延材料生长的衬底结构及其制作方法。
背景技术
作为第三代半导体材料的典型代表，氮化镓(GaN)具有广泛的应用领域和发展前景，由于自然界中缺乏天然的氮化镓衬底(GaN外延的同质衬底)材料，各领域的科研工作者通常选择在异质衬底如蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底上生长GaN外延薄膜从而形成半导体发光器件、开关器件和传感器件等。各种异质衬底材料的特性及其与GaN外延薄膜之间的晶格匹配和热应力匹配的研究成为实现GaN半导体光电器件商业化及发展和可持续发展的关键。
蓝宝石衬底生产技术相对成熟、化学稳定性好、机械强度高，成为初期半导体光电器件的首选衬底材料，后续发展的蓝宝石衬底的图形化技术和外延工艺的缓冲层技术也部分解决了蓝宝石衬底与GaN外延材料之间晶格匹配和热应力匹配的问题。然而，蓝宝石衬底导热性差，影响器件的性能和使用寿命，且不易于向大尺寸、自动化方向发展；碳化硅衬底是电和热的良导体，且具有化学稳定性好的优势，在半导体光电技术制造领域具有重要地位，但其价格高昂，性价比较差。
与蓝宝石衬底和碳化硅衬底相比，硅衬底是电和热的良导体，且成本低，可向大尺寸、自动化方向发展，被认为是未来最有发展潜能的衬底。但是，硅衬底和GaN外延层之间也存在着较大的晶格失配和热应力失配；且，硅衬底表面还容易发生氧化形成多晶或非晶的氧化层，不易于形成高晶体质量的GaN外延层；不仅如此，硅衬底在生长过GaN外延层的MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)腔体中再次形成外延层时，会受MOCVD腔体中残留的Ga或Ga的化合物回熔的影响，严重降低GaN器件的性能和良率。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于GaN外延材料生长的衬底结构，以解决硅衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题、硅衬底表面易于被氧化的问题以及硅衬底易受MOCVD腔体中Ga或GaN的化合物回熔影响的问题。
本发明的目的之二在于提供一种能够实现上述用于GaN外延材料生长的衬底结构的制作方法，以推动各领域GaN基半导体器件的产业化进程。
为了解决上述问题，本发明提出了一种用于GaN外延材料生长的衬底结构，包括：
支撑衬底；
成核层，形成于所述支撑衬底表面；
缓冲层，形成于所述成核层表面；
晶格匹配层，形成于所述缓冲层表面；
其中，所述缓冲层包含与所述成核层的晶格匹配的元素以及与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素；越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与所述晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与所述成核层的晶格匹配的元素所占比例越低，与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素所占比例越高。
进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述成核层材质为Al、Al2O3或AlN中的至少一种。
进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述晶格匹配层材质为GaN。
进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述缓冲层材质为Al(1-x)GaxN、In(1-y)GayN或In(1-y)Al(1-x)Ga(x+y)N中的至少一种，其中x，y为正数。
进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，x＝t/T，y＝t/T，其中T为所述缓冲层的总厚度，t为0～T之间的数值。
进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述缓冲层的厚度为0.1μm～10μm。
进一步的，在所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构中，所述支撑衬底为硅衬底。
进一步的，本发明还提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，制作用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括步骤：
提供一支撑衬底；
在所述支撑衬底表面形成成核层；
在所述成核层表面形成缓冲层，在形成所述缓冲层过程中，通过控制反应气体的流量大小，使所述缓冲层在越靠近成核层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；并且，越靠近所述晶格匹配层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越低，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越高；以及
在所述缓冲层表面形成晶格匹配层。
进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过溅射、MOCVD、HVPE或MBE工艺在所述支撑衬底上形成所述成核层。
进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过所述MOVCD工艺在所述成核层上形成所述缓冲层。
进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，所述缓冲层为Al(1-x)GaxN，使用NH3、TMGa和TMAl形成，其中，x为正数。
进一步的，在所述用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法中，通过控制TMGa和TMAl的流量，使所述缓冲层在生长过程中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素含量发生连续变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：在支撑衬底上依次形成了成核层、缓冲层和晶格匹配层，首先解决了现有技术中支撑衬底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影响的问题；其次缓冲层中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随缓冲层厚度的增加而连续变化，缓冲层下面的材料结构与成核层的材料结构接近，上面的材料结构和晶格匹配层的材料结构接近，很好地解决了现有技术中支撑衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题。
附图说明
图1为本发明中用于生长GaN外延材料的衬底结构制作方法的流程图；
图2为本发明一实施例中支撑衬底剖面结构图；
图3为本发明一实施例中形成成核层后的剖面结构图；
图4为本发明一实施例中形成缓冲层初始位置的剖面结构图；
图5为本发明一实施例中形成0.25μm缓冲层后的位置剖面结构图；
图6为本发明一实施例中形成0.5μm缓冲层后的位置剖面结构图；
图7为本发明一实施例中形成0.75μm缓冲层后的位置剖面结构图；
图8为本发明一实施例中形成1μm缓冲层后的位置剖面结构图；
图9为本发明一实施例中形成晶格匹配层后剖面结构图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在本实施例中，提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括：
支撑衬底；
成核层，形成于所述支撑衬底表面；
缓冲层，形成于所述成核层表面；
晶格匹配层，形成于所述缓冲层表面；
其中，所述缓冲层包含与所述成核层的晶格匹配的元素以及与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素；越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与所述晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与所述成核层的晶格匹配的元素所占比例越低，与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素所占比例越高。
此外，如图1所示，还提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，用于制作如上文所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括步骤：
S100：提供一支撑衬底；
S200：在所述支撑衬底表面形成成核层；
S300：在所述成核层表面形成缓冲层，在形成所述缓冲层过程中，通过控制反应气体的流量大小，使所述缓冲层在越靠近成核层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越低，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越高；
S400：在所述缓冲层表面形成晶格匹配层。
本发明提出的用于生长GaN外延材料的衬底结构在支撑衬底上依次形成了成核层、缓冲层和晶格匹配层，首先解决了支撑衬底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影响的问题；其次缓冲层中成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随缓冲层厚度的增加而连续变化，缓冲层下面的材料结构与成核层的材料结构接近，上面的材料结构和晶格匹配层的材料结构接近，很好地解决了支撑衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题。
下面结合图2至图9以及具体实施例详细描述本发明提供的用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法。
具体的，在本实施例中，提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括：支撑衬底10(如图2所示)；优选的，所述支撑衬底10为硅衬底；成核层20，形成于所述支撑衬底10的表面，如图3所示；可选的，所述成核层20为Al、Al2O3、AlN中的至少一种；在本实施例中，所述成核层20的材料为AlN；缓冲层30，形成于所述成核层20的表面；所述缓冲层30包含与成核层晶格匹配的元素(例如是Al和N)，还包含与晶格匹配层晶格匹配的元素，且越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与成核层晶格匹配的元素所占比例越高(如Al和N的比例越高)，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与成核层晶格匹配的元素所占比例越低，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越高；晶格匹配层40，所述晶格匹配层40形成在所述缓冲层30的表面，所述晶格匹配层40的材料为GaN，获得如图9所示的用于生长GaN外延材料的衬底结构。
其中，所述缓冲层30的材料可以为Al(1-x)GaxN、In(1-y)GayN或In(1-y)Al(1-x)Ga(x+y)N中的至少一种，在本实施例中，优选的，所述缓冲层30的材料为Al(1-x)GaxN，其中x，y连续变化的正数；进一步的，x＝t/T、y＝t/T,其中T为缓冲层30的总厚度，T＝0.1μm～10μm；t为0到T之间的连续变化的数值。
具体的，如图4所示，在缓冲层30形成的初始位置，x＝0，所述位置31处的缓冲层30材料为AlN，与所述成核层20的材料相同，两者晶格匹配。
如图5所示，缓冲层30继续生长至第一厚度，例如是0.25μm处，x＝0.75，所示位置32处的缓冲层30材料为Al0.75Ga0.25N,接近成核层20的材料。
如图6所示，缓冲层30继续生长至第二厚度，例如是0.5μm处，x＝0.5，所示位置33处的缓冲层30材料为Al0.5Ga0.5N,处于成核层20与后续形成晶格匹配层的材料之间。
如图7所示，缓冲层30继续生长至第三厚度，例如是0.75μm处，x＝0.75，所示位置34处的缓冲层30材料为Al0.25Ga0.75N,接近后续形成晶格匹配层的材料。
如图8所示，缓冲层30继续生长至第四厚度，例如是1μm处，x＝1，所示位置35处的缓冲层30材料为GaN,与后续形成晶格匹配层的材料相同，这样形成的缓冲层30能够同时与成核层20和后续形成的晶格匹配层进行匹配，实现良好的接触。
在本实施例的另一方面还提出了一种用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，用于制作如上文所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，包括步骤：
S100：提供一支撑衬底10，例如是硅衬底；
S200：在所述支撑衬底10表面形成材料为AlN的成核层20；
S300：在所述成核层20表面形成缓冲层30，在形成所述缓冲层30过程中，通过控制反应气体的流量大小，使所述缓冲层30在越靠近成核层20时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越低，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越高；
S400：在所述缓冲层30表面形成晶格匹配层40。
具体的，在本实施例中，可以通过溅射、MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)或MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)工艺在所述支撑衬底10上形成所述成核层20，可以通过所述MOVCD工艺在所述成核层20上形成所述缓冲层30，所述缓冲层30为Al(1-x)GaxN，其采用NH3、TMGa和TMAl形成，通过控制TMGa和TMAl的流量，使所述缓冲层30在生长过程中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素含量发生连续变化，以使形成的缓冲层30满足上述要求。
综上，在本发明实施例提供的用于生长GaN外延材料的衬底结构及其制作方法中，在支撑衬底上依次形成了成核层、缓冲层和晶格匹配层，首先解决了现有技术中支撑衬底表面易于氧化和易于受Ga或Ga的化合物回熔影响的问题；其次缓冲层中与成核层晶格匹配的元素及与晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随缓冲层厚度的增加而连续变化，缓冲层下面的材料结构与成核层的材料结构接近，上面的材料结构和晶格匹配层的材料结构接近，很好地解决了现有技术中支撑衬底与GaN外延材料之间的晶格匹配和热应力匹配的问题。。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，包括：
支撑衬底；
成核层，形成于所述支撑衬底表面；
缓冲层，形成于所述成核层表面；
晶格匹配层，形成于所述缓冲层表面；
其中，所述缓冲层包含与所述成核层的晶格匹配的元素以及与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素；越靠近所述成核层时，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与所述晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；越靠近所述晶格匹配层时，所述缓冲层中与所述成核层的晶格匹配的元素所占比例越低，与所述晶格匹配层的晶格匹配的元素所占比例越高，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素及与所述晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随所述缓冲层厚度的增加而连续变化；
所述缓冲层材质为In(1-y)GayN或In(1-y)Al(1-x)Ga(x+y)N中的至少一种，其中x，y为连续变化的正数，x＝t/T，y＝t/T，其中T为所述缓冲层的总厚度，t为0～T之间的连续变化的数值。
2.如权利要求1所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，所述成核层材质为Al、Al2O3或AlN中的至少一种。
3.如权利要求1所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，所述晶格匹配层材质为GaN。
4.如权利要求1所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，所述缓冲层的厚度为0.1μm～10μm。
5.如权利要求1所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，所述支撑衬底为硅衬底。
6.一种用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，制作用于生长GaN外延材料的衬底结构，其特征在于，包括步骤：
提供一支撑衬底；
在所述支撑衬底表面形成成核层；
在所述成核层表面形成缓冲层，在形成所述缓冲层过程中，通过控制反应气体的流量大小，使所述缓冲层在越靠近成核层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越高，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越低；并且，越靠近所述晶格匹配层时，与成核层晶格匹配的元素所占比例越低，与晶格匹配层晶格匹配的元素所占比例越高，所述缓冲层中与所述成核层晶格匹配的元素及与所述晶格匹配层晶格匹配的元素的含量随所述缓冲层厚度的增加而连续变化，所述缓冲层材质为In(1-y)GayN或In(1-y)Al(1-x)Ga(x+y)N中的至少一种，其中x，y为连续变化的正数，x＝t/T，y＝t/T，其中T为所述缓冲层的总厚度，t为0～T之间的连续变化的数值；以及
在所述缓冲层表面形成晶格匹配层。
7.如权利要求6所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，其特征在于，通过溅射、MOCVD、HVPE或MBE工艺在所述支撑衬底上形成所述成核层。
8.如权利要求6所述的用于生长GaN外延材料的衬底结构的制作方法，其特征在于，通过MOVCD工艺在所述成核层上形成所述缓冲层。
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