CN110867483A - 一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构及其制备方法，包括Si衬底、图形化结构AlN缓冲层和GaN基功率器件结构；其中：Si衬底上制备有图形化结构，所述AlN缓冲层在有图形化结构的Si衬底上制备，所述图形化结构为圆柱形、圆锥形、穹顶形、多边棱柱形、多边棱锥形或长条形。本发明的优点在于：通过在Si衬底上制备图形化结构，并通过磁控溅射在有图形化结构的Si衬底上沉积AlN缓冲层，然后在上述缓冲层上生长GaN基功率器件结构，Si衬底上的图形化结构，对于GaN基功率器件结构的外延层应力释放有较好的效果，可以降低外延层中的位错密度，提高晶体质量；在图形化结构的Si衬底上沉积AlN缓冲层，避免了Ga原子的回熔问题，利于后续的外延生长。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，尤其涉及一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构及其制备方法。
背景技术
以氮化镓（GaN）为代表的III 族氮化物宽禁带半导体以禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿电场高、热导率高、稳定性好等优异的物理特性，继第一代半导体硅（Si）、锗（Ge）和第二代半导体砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）之后，成为第三代半导体的主要材料体系，GaN基的功率半导体器件被广泛应用在军事、航空航天、通信技术、汽车电子和开关电源等领域。
GaN基的功率半导体器件，如高电子迁移率晶体管（HEMT）主要是基于由AlxGa1-xN和GaN异质结构制备。AlxGa1-xN/GaN异质结构的界面因自发极化和压电极化，以及能带的不连续性，从而在界面形成高浓度的二维电子气（2D Electron Gas，2DEG）。GaN基HEMT具有二维电子气（2DEG）浓度高、迁移率高和击穿电场强等优点被广泛用于高频和高功率微波器件。
目前，大尺寸、高晶体质量的GaN衬底难以获得且价格昂贵，因此GaN外延一般选择在SiC衬底、蓝宝石衬底和Si衬底上进行异质外延生长。从GaN基功率半导体器件的成本和散热需求考虑，Si衬底上GaN基异质结构的外延生长成为近年国际研究的热点之一。但是，由于GaN基外延层与Si衬底之间巨大的晶格失配（16.9%）和热膨胀系数失配（56%），以及Ga原子易扩散到Si衬底表面产生回熔而破坏界面的问题，在大尺寸Si衬底上生长高质量且无龟裂的GaN外延层非常困难。目前Si衬底上GaN外延层生长一般采用低温AlN 插入层、梯度AlGaN 缓冲层和超晶格缓冲层等方法，来解决热膨胀系数失配和Ga 回熔的问题，但晶格失配所造成的GaN外延层中位错密度高的问题却很难被抑制，而GaN外延层中的位错密度过高会严重影响功率半导体器件的性能、可靠性和稳定性。因此如何在Si 衬底上制备出高质量的GaN 基外延层结构，是当前功率半导体器件领域高度关注的核心问题。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构及其制备方法，解决了Si衬底上GaN基外延层存在的因晶格失配造成的位错密度高的问题，提高GaN基功率半导体器件外延层的晶体质量，进而提高器件的性能。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构，依次包括Si衬底、图形化结构、AlN缓冲层和GaN基功率器件结构；其中：Si衬底上制备有图形化结构，所述图形化结构为圆柱形、圆锥形、穹顶形、多边棱柱形、多边棱锥形或长条形。
一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构，其中：所述图形化结构的图形宽度为0.1μm~5μm，高度为0.1μm~5μm，间距为0.1μm~5μm。
一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构，其中：所述图形化结构的材料选用硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、二氧化钛（TiO2）、氮化硅（Si3N4）、氧化锆（ZrO2）和氧化镁（MgO）中一种或任意组合。
本发明提出了一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、在Si衬底上进行选择性刻蚀,制备Si的图形化结构，或是在Si衬底上沉积介质层,再将介质层进行图形化处理，制备图形化结构；
步骤S2、在所述有图形化结构的Si衬底上沉积AlN缓冲层；
步骤S3、在所述AlN缓冲层上沉积GaN基功率器件结构。
一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其中：所述步骤S1中在Si衬底上进行选择性刻蚀,可采用黄光显影或纳米压印结合感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺的方式制得图形化结构。
一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其中：所述步骤S1中介质层可以通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、脉冲激光沉积（PLD）、物理气相沉积（PVD）、溅射、蒸镀或化学溶液旋涂的方式在所述Si衬底上制备介质层,然后在所述介质层上可采用黄光显影或纳米压印的方式进行图形化处理，再结合感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺制得图形化结构。
一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其中：所述步骤S2中AlN缓冲层采用磁控溅射的方法在有图形化结构的Si衬底上制备，所述AlN缓冲层的厚度为10~50nm。
一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其中：所述步骤S3中GaN基功率器件结构包括沟道层和势垒层，所述沟道层和势垒层采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法在所述有AlN缓冲层的Si衬底上制备。
一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其中：所述沟道层组份为InxAlyGa1-x-yN (0.2≥x≥0,0.5≥y≥0),厚度为0.2um~20um。
一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其中：所述势垒层组份为AlzGa1-zN (1≥z>0),厚度为5nm~200nm,且所述势垒层中铝组份z大于沟道层中铝组份y。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构及其制备方法，具备以下有益效果：在有图形化结构的Si衬底上沉积AlN缓冲层，可以避免Ga回熔的问题，利于后续的GaN基外延生长;另外在生长GaN基功率器件结构时，GaN基外延的生长速率在Si衬底表面的AlN缓冲层和图形化结构表面的AlN缓冲层有所不同，最终GaN基外延在图形化结构上形成横向外延生长并合拢，进而提高GaN基功率器件结构的晶体质量，同时减少GaN基功率器件结构与Si衬底的接触面积，有利于GaN基功率器件结构中应力的释放，减少GaN基外延层表面的龟裂。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图。
图2 为本发明中GaN基功率半导体器件的外延层结构制备流程图。
图3 为本发明实施例1中步骤S1的结构示意图。
图4 为本发明实施例1和实施例2中步骤S1的结构示意图。
图5 为本发明实施例1和实施例2中步骤S2的结构示意图。
附图标记：Si衬底101、图形化结构102、AlN缓冲层103、GaN基功率器件结构104。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1、如图1所示，一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构，依次包括Si衬底101、图形化结构102、AlN缓冲层103和GaN基功率器件结构104；其中：Si衬底101上制备有图形化结构102，所述图形化结构102为圆柱形、圆锥形、穹顶形、多边棱柱形、多边棱锥形或长条形。
其中：所述图形化结构102的图形宽度为0.1μm~5μm，高度为0.1μm~5μm，间距为0.1μm~5μm。
其中：所述图形化结构102的材料选用硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、二氧化钛（TiO2）、氮化硅（Si3N4）、氧化锆（ZrO2）和氧化镁（MgO）中一种或任意组合。
本实例中所述一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤S1、在Si衬底101上制备图形化结构102：选择一片Si衬底101，采用湿法处理方法对Si衬底101表面进行处理，去除Si衬底101表面的氧化层、颗粒、金属污染和有机污染等，然后进行干燥，最后在Si衬底101上沉积介质层,再将介质层进行图形化处理，制备图形化结构102。
本实施例中介质层的材料采用二氧化硅（SiO2），所述介质层可采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、脉冲激光沉积（PLD）、物理气相沉积（PVD）、溅射、蒸镀或化学溶液旋涂等方式制得。
优选地，本实施例采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在所述Si衬底101上沉积一层100nm厚的SiO2介质层，如图3所示。
具体地，所述介质层图形化处理可采用黄光显影或纳米压印的方式处理，然后再结合感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺制得图形化结构102；在本实施例中，采用纳米压印图形化处理进行介质层图形化处理，首先利用甩胶的方法在介质层表面上制备一层1um的胶层，然后采用纳米压印模板对胶层进行压挤，得到与纳米压印模板图形相对应的图形化胶层，然后放入感应耦合等离子体（ICP）腔室中，通入四氟化碳（CF4）刻蚀气体，对Si衬底上的介质层进行刻蚀得到图形化结构102，其中图形化结构102的图形宽度为3μm，图形高度为1.5μm，图形间距为0.5μm，如图4所示。
步骤S2、在所述有图形化结构102的Si衬底101上沉积AlN缓冲层103：
具体地，采用磁控溅射的方法在所述有图形化结构102的Si衬底101上沉积厚度为30nm的AlN缓冲层103，如图5所示。
步骤S3、在所述AlN缓冲层103上沉积GaN基功率器件结构104：
具体地，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在上述AlN缓冲层103上沉积GaN基功率器件结构104，本实施例中，GaN基功率器件结构104包括：3μm厚的GaN沟道层1041和20nm厚的Al0.25Ga0.75N势垒层1042，如图1所示。
实施例2、如图1所示，一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构，依次包括Si衬底101、图形化结构102、AlN缓冲层103和GaN基功率器件结构104；其中：Si衬底101上制备有图形化结构102，所述图形化结构102为圆柱形、圆锥形、穹顶形、多边棱柱形、多边棱锥形或长条形。
本实例中所述一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤S1、在Si衬底101上制备图形化结构102：选择一片Si衬底101，采用湿法处理方法对Si衬底101表面进行处理，去除Si衬底101表面的氧化层、颗粒、金属污染和有机污染等，然后进行干燥，最后在Si衬底101上进行选择性刻蚀,制备Si的图形化结构102。
具体地，在Si衬底101上进行选择性刻蚀,采用黄光显影或纳米压印结合感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺的方式制得图形化结构102，本实施例中，图形化结构102的图形宽度为2.5μm，图形高度为2μm，图形间距为1.0μm，如图4所示。
步骤S2、在所述有图形化结构102的Si衬底101上沉积AlN缓冲层103：
具体地，采用磁控溅射的方法在所述有图形化结构102的Si衬底101上沉积厚度为35nm的AlN缓冲层103，如图5所示。
步骤S3、在所述AlN缓冲层103上沉积GaN基功率器件结构104：
具体地，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在上述AlN缓冲层103上沉积GaN基功率器件结构104，本实施例中，GaN基功率器件结构104包括：2.5μm厚的GaN沟道层1041和25nm厚的Al0.25Ga0.75N势垒层1042，如图1所示。
本发明通过在Si衬底101上形成图形化结构102，并在有图形化结构102的Si衬底101上沉积AlN缓冲层103，可以避免Ga回熔的问题，利于后续的GaN基外延生长;另外在生长GaN基功率器件结构104时，GaN基外延的生长速率在Si衬底101表面的AlN缓冲层103和在图形化结构102表面的AlN缓冲层103有所不同，最终GaN基外延在图形化结构102上形成横向外延生长并合拢，进而提高GaN基功率器件结构104的晶体质量，同时减少GaN基功率器件结构104与Si衬底101的接触面积，有利于GaN基功率器件结构104中应力的释放，减少GaN基外延层表面的龟裂。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构，依次包括Si衬底（101）、图形化结构（102）、AlN缓冲层（103）和GaN基功率器件结构（104）；其特征在于：Si衬底（101）上制备有图形化结构（102），所述图形化结构（102）为圆柱形、圆锥形、穹顶形、多边棱柱形、多边棱锥形或长条形。
2.根据权利要求1所述的一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构，其特征在于：所述图形化结构（102）的图形宽度为0.1μm~5μm，高度为0.1μm~5μm，间距为0.1μm~5μm。
3.根据权利要求1所述的一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层
结构，其特征在于：所述图形化结构（102）的材料选用硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、二氧化钛（TiO2）、氮化硅（Si3N4）、氧化锆（ZrO2）和氧化镁（MgO）中一种或任意组合。
4.一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其特征是包括如下步骤：
步骤S1、在Si衬底（101)上进行选择性刻蚀,制备Si的图形化结构（102），或是在Si衬底（101）上沉积介质层,再将介质层进行图形化处理，制备图形化结构（102）；
步骤S2、在所述有图形化结构（102）的Si衬底（101）上沉积AlN缓冲层（103）；
步骤S3、在所述AlN缓冲层（103）上沉积GaN基功率器件结构（104）。
5.根据权利要求4所述的一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中在Si衬底（101）上进行选择性刻蚀,可采用黄光显影或纳米压印结合感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺的方式制得图形化结构（102）。
6.根据权利要求4所述的一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中介质层可以通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、脉冲激光沉积（PLD）、物理气相沉积（PVD）、溅射、蒸镀或化学溶液旋涂的方式在所述Si衬底（101）上制备介质层,然后在所述介质层上可采用黄光显影或纳米压印的方式进行图形化处理，再结合感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺制得图形化结构（102）。
7.根据权利要求4所述的一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中AlN缓冲层（103）采用磁控溅射的方法在有图形化结构（102）的Si衬底（101）上制备，所述AlN缓冲层（103）的厚度为10~50nm。
8.根据权利要求4所述的一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中GaN基功率器件结构（104）包括沟道层（1041）和势垒层（1042），所述沟道层（1041）和势垒层（1042）采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法在所述有AlN缓冲层（103）的Si衬底（101）上制备。
9.根据权利要求8所述的一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其特征在于：所述沟道层（1041）组份为InxAlyGa1-x-yN (0.2≥x≥0,0.5≥y≥0),厚度为0.2um~20um。
10.根据权利要求8所述的一种Si衬底上GaN基功率半导体器件的外延层结构的制备方法，其特征在于：所述势垒层（1042）组份为AlzGa1-zN (1≥z>0),厚度为5nm~200nm,且所述势垒层（1042）中铝组份z大于沟道层（1041）中铝组份y。
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