CN112687527A - 一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜及其外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体的技术领域，公开了一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜及其外延生长方法。所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜，自下而上依次包括衬底、AlN成核层、缓冲层、未掺杂GaN薄膜；所述缓冲层为InxAl1‑xN缓冲层或InxAl1‑ xN/In0.18Al0.82N缓冲层。本发明还公开了大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜的外延生长方法。本发明不仅改善了大尺寸SiC衬底与GaN材料晶格失配问题，有效控制外延片应力，对器件整体性能和良品率提升作用明显；利于制备大尺寸碳化硅基氮化镓器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料的技术领域，具体涉及一种以大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜及其外延生长方法。
背景技术
氮化镓材料作为第三代半导体的典型代表，由于其具有禁带宽度大，电子迁移率高等特点，已经成为未来半导体领域最有可能取代Si的材料。尤其是氮化镓基器件在微波、毫米波频段广泛应用于无线通信、雷达等电子系统，在光电子和微电子领域具有十分广阔的发展前景。
高性能器件的实现在于高质量的材料制备以及优良的器件加工工艺的结合。由于目前常用的衬底制备技术很难应用于GaN衬底的生产，所生产的GaN衬底尺寸有限且价格昂贵。而现今的半导体发展潮流是在大尺寸衬底上进行材料生长与器件加工，因此，以GaN作为衬底进行同质外延极难实现。现在业界普遍使用的衬底是碳化硅，蓝宝石以及单晶硅。相较于硅和蓝宝石，碳化硅衬底热导率高，散热性好，是制备GaN射频、功率器件的首选。但是与其他衬底一样，使用SiC衬底进行异质外延仍不可避免两个问题：晶格失配和热失配。材料与衬底的晶格失配导致在GaN外延层在生长初期会产生非常大的晶格失配应力，当生长的GaN外延层的厚度超过某一临界厚度后，积聚在GaN外延层中的这种晶格失配应力就会在界面处以位错和缺陷的形式释放，这将恶化GaN材料的晶体质量从而降低后续器件的性能。而这晶格失配问题在大尺寸衬底上生长时的影响尤为明显。目前生产中转移和释放衬底与GaN失配应力的常用方法有：图形化衬底和应力缓冲层。目前常用的应力缓冲层有厚GaN缓冲层、高低温AlN缓冲层、AlGaN组分渐变缓冲层等，尽管在转移和释放失配应力方面作用有限，所制备的外延片应力较难控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜及其外延生长方法，解决了现有技术由于SiC衬底与GaN晶格失配导致外延片应力控制效果不佳的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜，自下而上依次包括衬底、AlN成核层、缓冲层、未掺杂GaN薄膜；所述缓冲层为InxAl1-xN缓冲层或InxAl1-xN/In0.18Al0.82N缓冲层。
所述AlN成核层为低温AlN成核层和高温AlN成核层，厚度为20～220nm。
所述缓冲层为InxAl1-xN缓冲层，厚度为0.1-1μm。其中，InxAl1-xN中X为0.5～0.1。
所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜还包括In0.18Al0.82N缓冲层；In0.18Al0.82N缓冲层设置在InxAl1-xN缓冲层上。此时，In0.18Al0.82N缓冲层与InxAl1-xN缓冲层的厚度为0.1-1μm。InxAl1-xN中X为0.5-0.1。
所述未掺杂GaN，厚度1-5μm。
所述衬底采用6英寸及以上SiC衬底或6英寸及以上高阻SiC衬底。
所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜的外延生长方法，包括以下步骤：
1)在SiC衬底上通过金属有机化学气相沉积生长成核层；具体为在衬底上预铺一层金属铝，然后在低温下生长AlN，再在高温下生长AlN；所述低温的条件：压力为50～100torr，衬底的温度为750～900℃，Al源的流量为10～300sccm，通入时间为10-180s，氮源的流量为10～7000sccm；所述高温的条件：压力为50～100torr，衬底的温度为1000～1250℃，Al源的流量为10～300sccm，氮源的流量为5000～7000/1500～2500sccm，间隔一段时间循环改变流量，间隔的时间为3-20min；Al源为甲基铝TMAl，N源为NH3；所述预铺一层金属铝是指将衬底于1000-1200℃进行前烘，然后在700～900℃和100～200torr的压力条件下，通入Al源进行沉积，Al源为甲基铝TMAl，流量为10～300sccm，通入时间为10-180s；前烘的时间为200～400s；
2)在成核层上通过金属有机化学气相沉积法生长InxAl1-xN缓冲层或InxAl1-xN缓冲层和In0.18Al0.82N缓冲层；生长的条件为：Al源的流量为12～30sccm，In源的流量为80～120sccm，N源的流量为1000～3000sccm；Al源通过载气带入，载气的流量为800～1000sccm，载气为氢气；In源通过载气带入，载气的流量为700～900sccm，载气为氮气；In源为TMIn，Al源为甲基铝TMAl，N源为NH3；
生长的温度为700～820℃；生长时，反应室的压力为50～200torr；
3)在缓冲层上生长未掺杂GaN薄膜。
步骤3)中在等离子体增强分子束外延设备中进行未掺杂GaN薄膜生长，厚度为1-5μm。
发明中的缓冲层(InxAl1-xN缓冲层，InxAl1-xN缓冲层和In0.18Al0.82N缓冲层)相比现有应力缓冲层技术具有更好的应力转移和协调释放效果，且整体外延结构更适合电子器件的制备。具体体现：选用InxAl1-xN可通过In组分调控使得InxAl1-xN与GaN形成晶格常数匹配关系，可作为晶格失配应力释放层，进而实现GaN层内部低应力、无裂纹与弯曲。选用低高温AlN成核层，可阻止GaN材料的回熔刻蚀，有助于GaN层的生长。
本发明的优点在于：本发明的外延片，不仅改善了大尺寸SiC衬底与GaN材料晶格失配问题，有效控制外延片应力，对器件整体性能和良品率提升作用明显。为大尺寸硅基氮化镓器件的制备做基础，适合应用与市场推广。
附图说明
图1为本发明的大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜即外延片的结构示意图；1-衬底，2-AlN成核层，3-缓冲层，4-未掺杂GaN薄膜；
图2为缓冲层为InxAl1-xN/In0.18Al0.82N缓冲层时，本发明的外延片的结构示意图；1-衬底，2-AlN成核层，31-InxAl1-xN缓冲层，32-In0.18Al0.82N缓冲层，4-未掺杂GaN薄膜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜即外延片的结构示意图如图1所示。本发明的大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜，自下而上依次包括衬底1、AlN成核层2、InxAl1-xN缓冲层3、未掺杂GaN薄膜4；所述缓冲层为InxAl1-xN缓冲层或InxAl1-xN/In0.18Al0.82N缓冲层。
所述AlN成核层为低温AlN成核层和高温AlN成核层，厚度为20-220nm。低温AlN成核层设置在衬底上。
所述缓冲层为InxAl1-xN缓冲层，厚度为0.1-1μm。其中，InxAl1-xN中X为0.5-0.1。
所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜包括In0.18Al0.82N缓冲层时；In0.18Al0.82N缓冲层设置在InxAl1-xN缓冲层上。此时，In0.18Al0.82N缓冲层与InxAl1-xN缓冲层的厚度为0.1-1μm。InxAl1-xN中X为0.5-0.1。
所述未掺杂GaN，厚度1-5μm。
所述衬底采用6英寸及以上SiC衬底或6英寸及以上高阻SiC衬底。
缓冲层为InxAl1-xN/In0.18Al0.82N缓冲层时，本发明的外延片的结构示意图如图2所示。本发明的外延片为自下而上包括衬底1、AlN成核层2、InxAl1-xN缓冲层31、In0.18Al0.82N缓冲层32、未掺杂GaN薄膜4。
实施例1
本实施例的外延片自下而上包括衬底、AlN成核层(低温AlN/高温AlN成核层)、InxAl1-xN缓冲层、In0.18Al0.82N缓冲层、未掺杂GaN薄膜。
本实施例的外延片的制备方法，包括以下步骤：
1、采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长系统进行材料的生长，衬底为6英寸大尺寸SiC衬底；生长气氛是以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、和N源，以氮气(N2)、氢气(H2)为载气。
2、在衬底上生长高低温AlN成核层：首先，将SiC衬底置于1050℃反应室200s进行前烘，降温至700℃，在反应室压力为100torr条件下，通入300sccm TMAl沉积40s，预铺一层金属铝；然后在反应室压力为100torr条件下，通入300sccm TMAl，5000sccm NH3，衬底温度控制在750℃，低温生长AlN，得到约20nm的低温AlN层；随后衬底温度升高至1050℃，反应室压力为100Torr，通入300sccm TMAl，NH3流量由6500/2000sccm间隔10分钟循环改变，，得到厚度约为200nm的高温AlN层。
3、生长In0.5Al0.5N/In0.18Al0.82N缓冲层：将反应室压力调整为200torr并保持压强稳定，控制石墨基座温度稳定在700℃，以H2为载气带入TMAl作为Al源，以N2为载气带入TMIn作为In源，同时通入氨气作为N源。具体地，氢气流量为800sccm，氮气流量为700sccm，调整氨气流量、TMAl流量以及TMIn流量，依次生长In0.5Al0.5N/In0.18Al0.82N缓冲层；如：氨气流量为1000sccm，TMAl流量为12sccm，TMIn流量为80sccm，生长厚度为0.1μm。
4、在1000℃下，利用PE-MBE进行非故意碳掺杂的GaN外延生长1.5h，厚度为1μm。
实施例2
本实施例的外延片自下而上包括衬底、AlN成核层(低温AlN/高温AlN成核层)、InxAl1-xN缓冲层、In0.18Al0.82N缓冲层、未掺杂GaN薄膜。
本实施例的外延片的制备方法，包括以下步骤：
1、采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长系统进行材料的生长，衬底为6英寸及以上大尺寸SiC衬底；生长气氛是以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、和N源，以氮气(N2)氢气(H2)为载气。
2、在衬底上生长高低温AlN成核层：首先，将SiC衬底置于1200℃反应室400s进行前烘，降温至900℃，在反应室压力为200torr条件下，通入300sccm TMAl，预铺一层金属铝；然后，在反应室压力为50torr条件下，通入300sccm TMAl，6000sccm NH3，衬底温度控制在750℃生长AlN，得到约20nm的低温AlN层；随后，衬底温度升高至1050℃，反应室压力为50Torr，通入300sccm TMAl，NH3流量由6500/2000sccm间隔10分钟循环改变，得到厚度约为200nm的高温AlN层。
3、生长In0.4Al0.6N/In0.18Al0.82N缓冲层：将反应室压力调整为200torr并保持压强稳定，控制石墨基座温度稳定在820℃，以H2为载气带入TMAl作为Al源，以N2为载气带入TMIn作为In源，同时通入氨气作为N源。具体地，氢气流量为1000sccm，氮气流量为900sccm，调整氨气流量、TMAl流量以及TMIn流量，依次生长In0.4Al0.6N/In0.18Al0.82N缓冲层；如：氨气流量为3000sccm，TMAl流量为30sccm，TMIn流量为120sccm，生长厚度为1μm。
4、在PE-MBE中进行未掺杂GaN薄膜生长，厚度为600nm。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜，其特征在于：自下而上依次包括衬底、AlN成核层、缓冲层、未掺杂GaN薄膜；所述缓冲层为InxAl1-xN缓冲层或InxAl1-xN/In0.18Al0.82N缓冲层。
2.根据权利要求1所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜，其特征在于：所述AlN成核层为低温AlN成核层和高温AlN成核层；
所述InxAl1-xN中X为0.5～0.1。
3.根据权利要求1所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜，其特征在于：AlN成核层厚度为20～220nm；所述缓冲层厚度为0.1～1μm；
所述未掺杂GaN，厚度1～5μm。
4.根据权利要求1所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜，其特征在于：所述衬底采用6英寸及以上SiC衬底或6英寸及以上高阻SiC衬底。
5.根据权利要求1～4任一项所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)在SiC衬底上通过金属有机化学气相沉积生长成核层；具体为在衬底上预铺一层金属铝，然后在低温下生长AlN，再在高温下生长AlN；
2)在成核层上通过金属有机化学气相沉积法生长InxAl1-xN缓冲层或InxAl1-xN缓冲层和In0.18Al0.82N缓冲层；
3)在缓冲层上生长未掺杂GaN薄膜。
6.根据权利要求5所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于：步骤1)中所述低温的条件：压力为50～100torr，衬底的温度为750-900℃，Al源的流量为10～300sccm，通入时间为10～180s，氮源的流量为10～7000sccm；
所述高温的条件：压力为50～100torr，衬底的温度为1000～1250℃，Al源的流量为10～300sccm，氮源的流量为5000～7000/1500～2500sccm，间隔一段时间循环改变流量；Al源为甲基铝TMAl，N源为NH3。
7.根据权利要求5所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于：步骤1)中所述预铺一层金属铝是指将衬底于1000～1200℃进行前烘，然后在700～900℃和100～200torr的压力条件下，通入Al源进行沉积；Al源为甲基铝TMAl，Al源的流量为10～300sccm，通入时间为10～180s。
8.根据权利要求5所述大尺寸SiC衬底低应力GaN薄膜的外延生长方法，其特征在于：步骤2)中生长的条件为：Al源的流量为12～30sccm，In源的流量为80～120sccm，N源的流量为1000～3000sccm；Al源通过载气带入，载气的流量为800～1000sccm，载气为氢气；In源通过载气带入，载气的流量为700～900sccm，载气为氮气；In源为TMIn，Al源为甲基铝TMAl，N源为NH3；
步骤2)中生长的温度为700～820℃；生长时，反应室的压力为50～200torr。
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