CN105720088B - 硅基氮化镓外延结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅基氮化镓外延结构及其制造方法，该硅基氮化镓外延结构包括：硅衬底，包括经受过氮化处理的表面；生长在硅衬底上的氮化铝缓冲层；在氮化铝缓冲层上的第一渐变缓冲层，为多层Al_xGa_1‑xN(0.1≤X≤0.9)结构，在该多层中从靠近所述氮化铝缓冲层到远离氮化铝缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1‑xN结构的X值逐渐减小；第二渐变缓冲层，为多层Al_xGa_1‑xN结构，在第二渐变缓冲层中从靠近第一渐变缓冲层到远离第一渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1‑xN结构的X值逐渐增大；第三渐变缓冲层，为多层Al_xGa_1‑xN结构，其中每层Al_xGa_1‑xN结构的X值的变化趋势与第一渐变缓冲层相同。本发明提供的硅基氮化镓外延结构能够有效减小外延过程中的应力，降低外延裂纹的产生。

Description

硅基氮化镓外延结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种应用于功率器件的硅基氮化镓外延结构及其制造方法。

背景技术

氮化镓功率器件由于氮化镓材料其本身的先进特性，相对于目前市场上主导的硅半导体功率器件，在同样的工作电压和功率条件下，能够在能量转换过程中进一步降低大约30％-50％的能量损耗，同时它的体积更小(1/10)，工作电压更高(＞600V)，转换功率更大(＞kW)，以及工作频率更快(＞50MHz)。所有的这些优势在通过商业化降低生产成本，都可以转换成巨大的经济效益，为世界节能降耗做出重大贡献。

整个氮化镓功率器件技术的核心在于如何生产出高质量的氮化镓材料。因为氮化镓材料本身熔点高，所以很难采用熔融的结晶技术(比如硅)。目前最先进的结晶技术也只能生产出2寸片，成本极其昂贵，无法实现大规模生产，所以不具备产业化经济效益需求。现在业界发展比较成熟的制备技术且同时具备产业化可行性的是金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延技术。同时因为氮化镓材料晶格的特性，自然界还缺乏一个能够跟氮化镓晶格匹配相似并且制造成本相对较低的衬底材料。现在业界普遍使用的衬底是碳化硅，蓝宝石，以及单晶硅。碳化硅和蓝宝石这两个材料成本都非常高(6寸蓝宝石价格大概500-600美元，3寸碳化硅价格大概2000美元)。

对氮化镓功率器件来说，考虑到衬底材料以及后续电子器件加工制备的成本，蓝宝石和碳化硅在经济效益层面不是一个可行的材料(尺寸，硅加工工艺相容性等等)，业界普遍承认并且努力攻克的唯一可行技术就是以硅为衬底进行金属有机物化学气相沉积外延生长。硅衬底具备成本低，晶圆尺寸大，后续加工工艺成熟及相容的优点。但是(111)硅材料跟氮化镓晶格的不匹配程度达到17％，热膨胀的不匹配程度达到54％，这使得在硅衬底上长氮化镓外延的过程中容易形成较大的应力以及较高的位错密度。应力大会导致外延表面出现裂纹以及整个外延片弯曲度高而无法应用于后续的电子器件加工。高位错密度可以导致氮化镓外延材料质量降低以及随之而来的低击穿电压。

在整个外延生长的过程中，应力的形成和演变大致包括以下几个阶段：1)初期的加热升温过程中硅衬底表面和背面的温度差形成张应力；2)随着外延生长因为晶格不匹配导致的压应力逐渐取代温差引起的张应力；3)在外延生长末期压应力大达到最大值；4)在降温过程中因为热膨胀不匹配导致的张应力逐渐抵消压应力。在各个阶段的外延应力变化会直接影响到外延裂纹的形成。

图1是现有技术中硅基氮化镓外延结构的结构示意图。如图1所示，该硅基氮化镓外延结构包括硅(111)衬底101；在硅(111)衬底101上生长的氮化铝缓冲层102；在氮化铝缓冲层102上生长的多层铝镓氮渐变缓冲层103，在多层铝镓氮渐变缓冲层103中铝成分从高到低逐渐变化；在所述多层铝镓氮渐变缓冲层103上生长的氮化镓缓冲层104；在所述氮化镓缓冲层104上生长的氮化铝隔离层105和在所述氮化铝隔离层105上生长的铝镓氮器件层106。通常采用这种方式来缓解外延生长过程中的应力。

考虑到功率器件对硅基氮化镓外延结构的高击穿电压要求(＞600V)，氮化镓外延结构的厚度比普通的LED外延普遍较厚(＞4um)，采用这种方式对缓解外延生长过程中应力的缓解作用有限，尤其是在缓解外延生长末期的最大压应力作用有限。因此，对消除应用于功率器件的硅基氮化镓外延裂纹和弯曲度效果不明显。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提出一种硅基氮化镓外延结构及其制造方法，解决外延生长过程中的应力问题，尤其是在外延生长末期的最大压应力。

为达此目的，本发明采用以下的技术方案：

一种硅基氮化镓外延结构，所述硅基氮化镓外延结构包括：硅衬底，所述硅衬底包括经受过氮化处理的表面；氮化铝缓冲层，生长在所述硅衬底的所述表面上；第一渐变缓冲层，生长在所述氮化铝缓冲层上，所述第一渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐减小；第二渐变缓冲层，生长在所述第一渐变缓冲层上，所述第二渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐增大；第三渐变缓冲层，生长在所述第二渐变缓冲层上，所述第三渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN结构，在所述第三渐变缓冲层中从靠近所述第二渐变缓冲层到远离所述第二渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐减小。

其中，所述硅衬底的表面为(111)面。

其中，所述第一渐变缓冲层包括六层Al_xGa_1-xN结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值分别为0.9、0.75、0.6、0.45、0.3、0.15。

其中，所述第二渐变缓冲层包括六层Al_xGa_1-xN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值分别为0.15、0.30、0.45、0.6、0.75、0.9。

其中，所述第三渐变缓冲层的结构与所述第一渐变缓冲层结构相同。

其中，所述第一渐变缓冲层、第二渐变缓冲层和第三渐变缓冲层的厚度分别为1μm-1.5μm。

所述的硅基氮化镓外延结构还包括：氮化镓缓冲层，生长在所述硅基氮化镓外延结构上；氮化铝隔离层，生在所述氮化镓缓冲层上；铝镓氮器件层，生长在所述氮化铝隔离层上。

其中，所述氮化镓缓冲层的生长厚度为1μm至2μm。

其中，所述氮化铝隔离层的生长厚度为1nm至10nm。

其中，所述铝镓氮器件层的生长厚度为20nm至40nm。

本发明还提供一种硅基氮化镓外延结构的制造方法，该方法包括以下步骤：提供硅衬底，对所述硅衬底的表面进行氮化处理；采用金属有机物化学气相沉积法在所述硅衬底的表面上生长氮化铝缓冲层；采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化铝缓冲层上生长第一渐变缓冲层，所述第一渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层的到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值逐渐减小；采用金属有机物化学气相沉积法在所述第一渐变缓冲层上生长第二渐变缓冲层，所述第二渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐增大；采用金属有机物化学气相沉积法在所述第二渐变缓冲层上生长第三渐变缓冲层，所述第三渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN结构，在所述第三渐变缓冲层中从靠近所述第二渐变缓冲层到远离所述第二渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐减小。

其中，所述硅衬底的表面为(111)晶面。

其中，在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下对所述硅衬底的表面进行氮化处理。

其中，在1000-1200℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述氮化铝缓冲层。

其中，在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述第一渐变缓冲层、第二渐变缓冲层和第三渐变缓冲层。

所述硅基氮化镓外延结构的制造方法还包括以下步骤：采用金属有机物化学气相沉积法在所述第三渐变缓冲层上生长氮化镓缓冲层；采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化镓缓冲层上生长氮化铝隔离层；采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化铝隔离层上生长铝镓氮器件层。

其中，在900-1100℃的温度和30-100Torr的压力下生长所述氮化镓缓冲层；在1000-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述氮化铝隔离层；在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述铝镓氮器件层。

本发明提供的应用于氮化镓功率器件的硅基氮化镓外延结构和及其制造方法，能够有效减小外延过程中的应力以及有效降低在外延生长末期的最大压应力，从而有效降低外延裂纹的产生，降低表面氮化镓缓冲层的位错密度，有效提高氮化镓外延结构质量，进而使得后续采用该硅基氮化镓外延结构的氮化镓功率器件的性能得以提高。

附图说明

图1为现有技术中氮化镓外延的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的硅基氮化镓外延结构的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

101、201、硅衬底；102、202、氮化铝缓冲层；103、多层铝镓氮渐变缓冲层；203-1、第一渐变缓冲层；203-2、第二渐变缓冲层；203-3、第三渐变缓冲层；104、204、氮化镓缓冲层；105、205、氮化铝隔离层；106、206、铝镓氮器件层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

本实施例描述一种硅基氮化镓外延结构。本实施例所描述的硅基氮化镓外延结构后续应用于氮化镓功率器件。

图2示出了本实施例的硅基氮化镓外延结构的结构示意图。如图2所示，该硅基氮化镓外延结构包括硅衬底201，该硅衬底的(111)晶面作为后续结构的生长表面，并且该硅衬底201的(111)晶面经受过氮化处理；在该硅衬底的(111)晶面上生长有氮化铝缓冲层202，该氮化铝缓冲层202以及以下所述生长的各层均是采用金属有机物化学气相沉积制备的。

该硅基氮化镓外延结构还包括在氮化铝缓冲层202上的第一渐变缓冲层203-1，该第一渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层的到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐减小，例如多层Al_xGa_1-xN结构可以包括在氮化铝缓冲层202上从下至上采用金属有机物化学气相沉积依次外延生长的Al_0.9Ga_0.1N、Al_0.8Ga₀₂N、Al_0.7Ga₀₃N……，在采用金属有机物化学气相沉积工艺依次外延上述结构时，可以通过精确地控制铝源的供应量来精确地控制X的值，可以使得X值逐渐减小，也就是AlGaN结构中Al的含量逐渐减小，并且可以精确控制Al含量减小的幅度。

在该第一渐变缓冲层203-1上具有第二渐变缓冲层203-2，该第二渐变缓冲层203-2也为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，但是第二渐变缓冲层203-2与第一渐变缓冲层203-1不同的是在多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构中，从靠近所述第一渐变缓冲层的到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐增大；例如多层Al_xGa_1-xN结构可以包括在第一渐变缓冲层203-1上从下至上采用金属有机物化学气相沉积依次外延生长的Al_0.1Ga_0.9N、Al_0.2Ga₀₈N、Al_0.3Ga₀₇N……，在采用金属有机物化学气相沉积工艺依次外延上述结构时，可以通过精确地控制铝源的供应量来精确地控制X的值，可以使得X值逐渐增大，也就是AlGaN结构中Al的含量逐渐增大，并且可以精确控制Al含量增大的幅度。

在该第二渐变缓冲层203-2上具有第三渐变缓冲层203-3，该第三渐变缓冲层203-3也为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，但是第三渐变缓冲层203-3与第一渐变缓冲层203-1中X值也就是铝含量的变化趋势一致，在所述第三渐变缓冲层中从靠近所述第二渐变缓冲层的到远离所述第二渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值逐渐减小；例如多层Al_xGa_1-xN结构可以包括在第二渐变缓冲层203-2上从下至上采用金属有机物化学气相沉积依次外延生长的Al_0.9Ga_0.1N、Al_0.8Ga₀₂N、Al_0.7Ga₀₃N……，在采用金属有机物化学气相沉积工艺依次外延上述结构时，可以通过精确地控制铝源的供应量来精确地控制X的值，可以使得X值逐渐减小，也就是AlGaN结构中Al的含量逐渐减小，并且可以精确控制Al含量减小的幅度。

通过对金属有机物化学气相沉积工艺中每一步的生长条件的精确控制，包括温度、生长速率、成分、气体动力的优化，来精确控制第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层中Al含量也就是X值的变化，生长出符合半导体功率器件所要求的氮化镓外延。本实施例的硅基氮化镓外延结构采用了三个多层铝镓氮渐变缓冲层的特殊结构，尤其是第二个铝镓氮渐变缓冲层(也就是第二渐变缓冲层203-2)中铝含量的变化趋势跟前后两层铝镓氮渐变缓冲层(也就是第一渐变缓冲层203-1、第三渐变缓冲层203-3)中的铝含量的变化趋势相反，通过相反结构的拉应力来抵消外延生长中的压应力，在保持外延薄膜的总体厚度一样的情况下，这样可以有效降低在外延生长末期的最大压应力，从而有效降低外延裂纹的产生，防止外延片弯曲度高；并且三层铝镓氮渐变缓冲层还能够有效阻挡来自底部的位错密度向表面传播，从而降低表面氮化镓缓冲层的位错密度，有效提高氮化镓外延结构的质量。

在优选的方式中，所述在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层的到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值分别为0.9、0.75、0.6、0.45、0.3、0.15，也就是在从靠近所述氮化铝缓冲层的到远离所述氮化铝缓冲层的方向上所述第一渐变缓冲层依次包括Al_0.9Ga_0.1N、Al_0.75Ga_0.15N、Al_0.6Ga_0.4N、Al_0.45Ga_0.55N、Al_0.3Ga_0.7N、Al_0.15Ga_0.85N这六层结构，这种结构的第一渐变缓冲层在生长效率和降低应力方面都更具有优势。

在优选的方式中，所述第二渐变缓冲层包括六层Al_xGa_1-xN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层的到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值分别为0.15、0.30、0.45、0.6、0.75、0.9，也就是在从靠近所述第一渐变缓冲层的到远离所述第一渐变缓冲层的方向上所述第二渐变缓冲层依次包Al_0.15Ga_0.85N、Al_0.3Ga_0.7N、Al_0.45Ga_0.55N、Al_0.6Ga_0.4N、Al_0.75Ga_0.3N、Al_0.9Ga_0.1N这六层结构，这种结构的第二渐变缓冲层在生长效率和降低应力方面都更具有优势。

在优选的方式中，所述第三渐变缓冲层的结构与所述第一渐变缓冲层结构完全相同。

在更加优选的方式中，所述第一渐变缓冲层、第二渐变缓冲层和第三渐变缓冲层的厚度分别为1μm-1.5μm。

如图2所示，本实施例提供的硅基氮化镓外延结构还可以包括在第三渐变缓冲层203-3上的氮化镓缓冲层204，该氮化镓缓冲层204的生长厚度为1μm至2μm；在氮化镓缓冲层204上的薄的氮化铝隔离层205，该氮化铝隔离层205的厚度为1nm-10nm；在该氮化铝隔离层205上的铝镓氮器件层206，该铝镓氮器件层206可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)器件层，该铝镓氮器件层206的厚度为20nm至40nm，并且该铝镓氮器件层206是外延的最顶层。

根据本实施例的硅基氮化镓外延结构，对每一步的生长条件的精确控制，包括温度、生长速率、成分、气体动力以及特殊外延结构的改进，在硅衬底上通过金属有机物化学气相沉积的方法生长出符合半导体功率器件所要求的氮化镓外延，并且降低在外延生长末期的最大压应力，从而有效降低外延裂纹的产生，防止外延片弯曲度高；并且三层铝镓氮渐变缓冲层还能够有效阻挡来自底部的位错密度向表面传播，从而降低表面氮化镓缓冲层的位错密度，有效提高硅基氮化镓外延结构的质量，有利于后续的应用该硅基氮化镓外延结构的氮化镓功率器件的加工以及氮化镓功率器件整体性能的提高。

实施例二

本实施例描述硅基氮化镓外延结构的制造方法。

本实施例提供的硅基氮化镓外延结构的制造方法包括以下步骤：首先提供硅衬底，对所述硅衬底201的(111)晶面进行氮化处理，所述氮化处理是在金属有机物化学气相沉积的反应炉中，在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下进行的。

然后采用金属有机物化学气相沉积法在所述硅衬底的(111)晶面上，在1000-1200℃的温度和30-60Torr的压力下生长氮化铝缓冲层202。

接着采用金属有机物化学气相沉积法在氮化铝缓冲层上，在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述第一缓冲层203-1，该第一渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层的到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值逐渐减小，例如多层Al_xGa_1-xN结构可以包括在氮化铝缓冲层202上从下至上采用金属有机物化学气相沉积依次外延生长Al_0.9Ga_0.1N、Al_0.8Ga₀₂N、Al_0.7Ga₀₃N……，在采用金属有机物化学气相沉积工艺依次外延上述结构时，可以通过精确地控制铝源的供应量也精确地控制X的值，可以使得X值逐渐减小，也就是AlGaN结构中Al的含量逐渐减小，并且可以精确控制Al含量减小的幅度。

在该第一渐变缓冲层203-1上采用金属有机物化学气相沉积法，在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长第二渐变缓冲层203-2，该第二渐变缓冲层203-2也为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，但是第二渐变缓冲层203-2与第一渐变缓冲层203-1不同的是在多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构中，从靠近所述第一渐变缓冲层的到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐增大；例如多层Al_xGa_1-xN结构可以包括在第一渐变缓冲层203-1上从下至上采用金属有机物化学气相沉积依次外延生长Al_0.1Ga_0.9N、Al_0.2Ga₀₈N、Al_0.3Ga₀₇N……，在采用金属有机物化学气相沉积工艺依次外延上述结构时，可以通过精确地控制铝源的供应量也精确地控制X的值，可以使得X值逐渐增大，也就是AlGaN结构中Al的含量逐渐增大，并且可以精确控制Al含量增大的幅度。

在该第二渐变缓冲层203-2上采用金属有机物化学气相沉积法，在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长第三渐变缓冲层203-3，第三渐变缓冲层203-3也为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，但是第三渐变缓冲层203-3与第一渐变缓冲层203-1中X值也就是铝含量的变化趋势一致，在所述第三渐变缓冲层中从靠近所述第二渐变缓冲层的到远离所述第二渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐减小；例如多层Al_xGa_1-xN结构可以包括在第二渐变缓冲层203-2上从下至上采用金属有机物化学气相沉积依次外延生长Al_0.9Ga_0.1N、Al_0.8Ga₀₂N、Al_0.7Ga₀₃N……，在采用金属有机物化学气相沉积工艺依次外延上述结构时，可以通过精确地控制铝源的供应量也精确地控制X的值，可以使得X值逐渐减小，也就是AlGaN结构中Al的含量逐渐减小，并且可以精确控制Al含量减小的幅度。

通过对金属有机物化学气相沉积工艺中每一步的生长条件的精确控制，包括温度、生长速率、成分、气体动力的优化，来精确控制第一缓冲层、第二缓冲层和第三缓冲层中Al含量也就是X值的变化，生长出符合半导体功率器件所要求的氮化镓外延。本实施例的硅基氮化镓外延结构制造方法是制造出三个多层铝镓氮渐变缓冲层的特殊结构，尤其是第二个铝镓氮渐变缓冲层(也就是第二渐变缓冲层203-2)中铝含量的变化趋势跟前后两层铝镓氮渐变缓冲层(也就是第一渐变缓冲层203-1、第三渐变缓冲层203-3)中的铝含量的变化趋势相反。通过相反结构的拉应力来抵消外延生长中的压应力，在保持外延薄膜的总体厚度一样的情况下，这样可以有效降低在外延生长末期的最大压应力，从而有效降低外延裂纹的产生，防止外延片弯曲度高；并且三层铝镓氮渐变缓冲层还能够有效阻挡来自底部的位错密度向表面传播，从而降低表面氮化镓缓冲层的位错密度，有效提高氮化镓外延质量。

在优选的方式中，所述在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层的到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值分别为0.9、0.75、0.6、0.45、0.3、0.15。

在优选的方式中，所述第二渐变缓冲层包括六层Al_xGa_1-xN结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层的到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值分别为0.15、0.30、0.45、0.6、0.75、0.9。在更加优选的方式中，所述第一渐变缓冲层的结构与所述第三渐变缓冲层结构完全相同。

在更加优选的方式中，所述第一渐变缓冲层、第二渐变缓冲层和第三渐变缓冲层的厚度分别为1μm-1.5μm。

本实施例提供的应用于氮化镓功率器件中的该硅基氮化镓外延结构的制造方法还可以包括以下步骤：用金属有机物化学气相沉积法在所述第三渐变缓冲层203-3上，在900-1100℃的温度和30-100Torr的压力下生长氮化镓缓冲层204，该氮化镓缓冲层204的生长厚度为1μm至2μm；之后，采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化镓缓冲层204上，在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长氮化铝隔离层205，该氮化铝隔离层205的厚度为1nm-10nm；最后，采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化铝隔离层205上，在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长铝镓氮器件层，该铝镓氮器件层206可以是高电子迁移率晶体管(HEMT)器件层，该铝镓氮器件层206的厚度为20nm至40nm，并且该铝镓氮器件层206是外延的最顶层。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种硅基氮化镓外延结构，所述硅基氮化镓外延结构包括：

硅衬底，所述硅衬底包括经受过氮化处理的表面；氮化铝缓冲层，生长在所述硅衬底的所述表面上；

第一渐变缓冲层，生长在所述氮化铝缓冲层上，所述第一渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值逐渐减小；

第二渐变缓冲层，生长在所述第一渐变缓冲层上，所述第二渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层的到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值逐渐增大：

第三渐变缓冲层，生长在所述第二渐变缓冲层上，所述第三渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN结构，在所述第三渐变缓冲层中从靠近所述第二渐变缓冲层的到远离所述第二渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值逐渐减小：

其中，所述第三渐变缓冲层的结构与所述第一渐变缓冲层的结构相同。

2.如权利要求1所述的硅基氮化镓外延结构，其中，所述硅衬底的表面为(111)晶面。

3.如权利要求1或2所述的硅基氮化镓外延结构，其中，所述第一渐变缓冲层包括六层Al_xGa_1-xN结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值分别为0.9、0.75、0.6、0.45、0.3、0.15。

4.如权利要求1或2所述的硅基氮化镓外延结构，其中，所述第二渐变缓冲层包括六层Al_xGa_1-xN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层Al_xGa_1-xN结构的X值分别为0.15、0.30、0.45、0.6、0.75、0.9。

5.如权利要求1或2所述的硅基氮化镓外延结构，其中，所述第一渐变缓冲层、第二渐变缓冲层和第三渐变缓冲层的厚度分别为1μm至1.5μm。

6.如权利要求1或2所述的硅基氮化镓外延结构，该硅基氮化镓外延结构还包括：氮化镓缓冲层，生长在所述第三渐变缓冲层上，氮化铝隔离层，生在所述氮化镓缓冲层上；铝镓氮器件层，生长在所述氮化铝隔离层上。

7.如权利要求6所述的硅基氮化镓外延结构，其中所述氮化镓缓冲层的生长厚度为1μm至2μm，所述氮化铝隔离层的生长厚度为1nm至10nm，和/或所述铝镓氮器件层的生长厚度为20nm至40nm。

8.一种硅基氮化镓外延结构的制造方法，该方法包括以下步骤：提供硅衬底，对所述硅衬底的表面进行氮化处理；采用金属有机物化学气相沉积法在所述硅衬底的表面上生长氮化铝缓冲层；采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化铝缓冲层上生长第一渐变缓冲层，所述第一渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN(0.1≤X≤0.9)结构，在所述第一渐变缓冲层中从靠近所述氮化铝缓冲层到远离所述氮化铝缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值逐渐减小；采用金属有机物化学气相沉积法在所述第一渐变缓冲层上生长第二渐变缓冲层，所述第二渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN结构，在所述第二渐变缓冲层中从靠近所述第一渐变缓冲层到远离所述第一渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值逐渐增大采用金属有机物化学气相沉积法在所述第二渐变缓冲层上生长第三渐变缓冲层，所述第三渐变缓冲层为多层Al_xGa_1-xN结构，在所述第三渐变缓冲层中从靠近所述第二渐变缓冲层到远离所述第二渐变缓冲层的方向上，每层AlxGa1-xN结构的X值逐渐减小。

9.如权利要求8所述的硅基氮化镓外延结构的制造方法，其中在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下对所述硅衬底的表面进行氮化处理；在1000-1200℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述氮化铝缓冲层；在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述第一渐变缓冲层、第二渐变缓冲层和第三渐变缓冲层。

10.如权利要求8或9所述的硅基氮化镓外延结构的制造方法，还包括以下步骤：采用金属有机物化学气相沉积法在所述第三渐变缓冲层上生长氮化镓缓冲层；采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化镓缓冲层上生长氮化铝隔离层：采用金属有机物化学气相沉积法在所述氮化铝隔离层上生长铝镓氮器件层。

11.如权利要求10所述的硅基氮化镓外延结构的制造方法，其中在900-1100℃的温度和30-100Torr的压力下生长所述氮化镓缓冲层；在1000-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述氮化铝隔离层；在900-1100℃的温度和30-60Torr的压力下生长所述铝镓氮器件层。