CN116427026A - 一种用于大尺寸氮化镓单晶生长的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大尺寸氮化镓单晶生长的外延结构，该外延结构包括依次层叠的蓝宝石衬底，ScAlMgO4溅射层，缓冲层，GaN 3D岛状生长层，GaN 2D层状生长层和HT‑GaN生长层。与现有技术相比，采用本发明的外延结构可实现4英寸以上大尺寸氮化镓单晶的低成本量产，以及大尺寸氮化镓单晶片与蓝宝石衬底的自剥离。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种用于大尺寸氮化镓单晶生长的外延结构。
背景技术
GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。长期以来由于GaN材料与Si、蓝宝石等衬底材料的晶格失配没有得到很好的解决，导致GaN外延片的缺陷密度偏高，所在半导体产业迅猛崛起的今天，GaN的单晶片量产就显得尤为重要，能得到大尺寸的GaN单晶片非常难。GaN单晶片的位错密度非常低，达到1*106cm-2以下，所以GaN单晶片的量产，为半导体器件的提升起到非常重要的作用。
申请人在此之前对在铝镁酸钪(ScAlMgO4)衬底上生长氮化镓进行了一些研究，如在专利申请(202220974186.0)中公开了一种基于ScAlMgO4衬底的GaN外延结构，在专利申请(202010487573.7)中公开了基于ScAlMgO4衬底的氮化镓单晶及其制备方法，但目前ScAlMgO4材料的大尺寸晶棒量产非常难，暂无量产4英寸(inch)及以上的大尺寸ScAlMgO4衬底，不容易实现大尺寸氮化镓单晶的量产。
发明内容
为克服现有技术的上述问题，本发明提供一种用于大尺寸氮化镓单晶生长的外延结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于大尺寸氮化镓单晶生长的外延结构，所述外延结构包括依次层叠的蓝宝石衬底，ScAlMgO4溅射层，缓冲层，GaN 3D岛状生长层，GaN 2D层状生长层和HT-GaN生长层。
优选地，所述ScAlMgO4溅射层的厚度为10nm～1000nm。
优选地，所述大尺寸氮化镓单晶为4英寸以上的氮化镓单晶。
优选地，所述缓冲层为AlN、InAlGaN、GaN或AlGaN缓冲层。
更优选地，所述缓冲层的厚度为1nm～100nm。
优选地，所述GaN 3D岛状生长层的厚度为200nm～1200nm。
优选地，所述GaN 2D层状生长层的厚度为1000nm～3000nm。超过3000nm会导致外延结构翘曲，低于1000nm会显著增加外延结构的缺陷密度。
更优选地，GaN 2D层状生长层中所述GaN为掺杂或不掺杂的GaN，掺杂浓度为1E15cm-3～3E19cm-3。
优选地，所述HT-GaN生长层的厚度为1000nm～5000nm。
更优选地，HT-GaN生长层中所述GaN为掺杂或不掺杂的GaN，掺杂浓度为1E15cm-3～3E19cm-3。
上述外延结构的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在蓝宝石衬底表面溅射ScAlMgO4，形成ScAlMgO4溅射层；
(1)在ScAlMgO4溅射层上外延生长缓冲层；
(2)在缓冲层上外延生长GaN，形成GaN 3D岛状生长层；
(3)在GaN 3D岛状生长层上外延生长GaN，形成GaN 2D层状生长层；
(4)在GaN 2D层状生长层上高温生长GaN，形成HT-GaN生长层。
优选地，ScAlMgO4溅射层的生长速率为0.1～1μm/h。
优选地，缓冲层的生长速率为0.1～1μm/h。
优选地，GaN 3D岛状生长层的生长速率为0.5～1.5μm/h。
优选地，GaN 2D层状生长层的生长速率为1～6μm/h。
优选地，HT-GaN生长层的生长速率为1～6μm/h。
上述外延结构在制备大尺寸氮化镓单晶中的应用。
一种大尺寸氮化镓单晶的生长方法，包括：采用氢化物气相外延法，在如上所述的外延结构上生长氮化镓单晶。
优选地，氮化镓单晶的生长速率为30～300μm/h，厚度为10μm～1cm。
有益效果
本发明的外延结构可以充分利用现有4英寸、8英寸等大尺寸蓝宝石作为衬底，利用该外延结构可实现4英寸以上的大尺寸氮化镓单晶低成本量产。而且本发明的外延结构中ScAlMgO4溅射层与蓝宝石之间具有优良的解离性，在其上生长大尺寸氮化镓单晶，能够使大尺寸氮化镓单晶片与蓝宝石衬底实现自剥离。
附图说明
图1为本发明所述外延结构的示意图。
图2为氮化镓单晶的生长工艺流程图。
其中，1-蓝宝石衬底，2-ScAlMgO4溅射层，3-缓冲层，4-GaN 3D岛状生长层，5-GaN2D层状生长层，6-HT-GaN生长层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的外延结构包括依次层叠的蓝宝石衬底，ScAlMgO4溅射层，缓冲层，GaN 3D岛状生长层，GaN 2D层状生长层和HT-GaN生长层。
所述ScAlMgO4溅射层的厚度具体为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、150nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。
所述缓冲层的厚度具体为1nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。
缓冲层材料采用AlN、InAlGaN、GaN或AlGaN。
所述GaN 3D岛状生长层是以岛状生长模式生长得到的由众多孤立的小岛组成的层。其厚度具体为200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm或1200nm。
在所述GaN 2D层状生长层生长时，3D岛状生长层各岛之间的沟道被填充覆盖，所述GaN 2D层状生长层的厚度具体为1000nm、1200nm、1400nm、1600nm、1800nm、2000nm、2200nm、2400nm、2600nm、2800nm或3000nm。该厚度为3D岛状生长层的沟道被填充之后的部分。
GaN 2D层状生长层中所述GaN为掺杂或不掺杂的GaN，为掺杂的GaN时，掺杂浓度可控制在1E15cm-3～3E19cm-3。
所述HT-GaN生长层的厚度具体为1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、4000nm、4500nm或5000nm。
HT-GaN生长层中所述GaN为掺杂或不掺杂的GaN，为掺杂的GaN时，掺杂浓度可控制在1E15cm-3～3E19cm-3。
3D 三维。
2D 二维。
1E15＝1×1015。
3E19＝3×1019。
本实施例中，ScAlMgO4溅射层的生长在Sputter(溅射)设备中完成。
本实施例中，缓冲层，GaN 3D岛状生长层，GaN 2D层状生长层和HT-GaN生长层的制备在MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备中生长完成，具体参考(ZL202220974186.0，公告号CN217444336U)。
本实施例中，GaN单晶厚膜生长在HVPE(氢化物气相外延)设备中生长完成。
基于蓝宝石衬底生长GaN单晶的流程如图2所示，具体过程如下：
(P1)Sputter ScAlMgO4薄膜的生长：采用sputter设备溅射ScAlMgO4薄膜，靶材：ScAlMgO4，生长条件包括但不限于：温度500～900℃，Ar流量：10～200sccm/min，N2流量：100～2000sccm/min，O2流量：0.1～10L/min，溅射速率为0.5～1.5μm/h。
(P2)缓冲层(AlN Buffer)的生长：生长温度在500～900℃范围，所需气体流量N2为10～80L/min，H2流量为0～160L/min，NH3为1～60L/min，铝源(三甲基铝，TMAl)流量为10～200sccm/min，生长速率为0.1～1μm/h。
(P3)GaN 3D岛状生长层的生长：以岛状生长模式生长，生长温度在1000～1080℃范围，所需气体流量N2为10～80L/min，H2流量为0～160L/min，NH3为10～60L/min，镓源(三甲基镓，TMGa)源流量为100～500sccm/min，生长速率为0.5～1.5μm/h。
(P4)GaN 2D层状生长层的生长：生长温度在1000～1100℃范围，所需气体流量N2为10～80L/min，H2流量为0～160L/min，NH3为10～70L/min，镓源(三甲基镓)源流量为200～800sccm/min，生长速率为1～6μm/h。
(P5)HTGaN层(即高温氮化镓层)的生长：生长温度在1020～1120℃范围，所需气体流量N2为10～80L/min，H2流量为0～160L/min，NH3为10～70L/min，镓源(三甲基镓)流量为200～800sccm/min，生长速率为1～6μm/h。
(P6)GaN单晶厚膜的生长：采用HVPE设备完成单晶厚膜生长，以金属镓为镓源，生长过程中通入HCl(盐酸)与金属镓反应，形成GaCl(氯化镓)，然后GaCl与NH3反应生长GaN。生长条件：生长温度在1000～1100℃范围，所需气体流量N2为0.2～20L/min，H2流量为0.1～20L/min，NH3为0.1～20L/min，HCl流量为20～500sccm/min，生长速率为100～200μm/h。
(P7)GaN单晶厚膜剥离：GaN单晶厚膜生长结束后，由于GaN单晶厚膜与溅射了ScAlMgO4的蓝宝石衬底热膨胀系数等不同性质的差异，当温度降至600～700℃，产生应力释放，同时配合ScAlMgO4材料特有的解离性，使得在生长1mm以上厚度的GaN单晶厚膜可成功实现自剥离，得到大尺寸的GaN单晶厚膜。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)
1.一种用于大尺寸氮化镓单晶生长的外延结构，其特征在于：所述外延结构包括依次层叠的蓝宝石衬底，ScAlMgO4溅射层，缓冲层，GaN 3D岛状生长层，GaN 2D层状生长层和HT-GaN生长层。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述ScAlMgO4溅射层的厚度为10nm～1000nm。
3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述大尺寸氮化镓单晶为4英寸以上的氮化镓单晶。
4.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述缓冲层为AlN、InAlGaN、GaN或AlGaN缓冲层；优选地，所述缓冲层的厚度为1nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述GaN 3D岛状生长层的厚度为200nm～1200nm。
6.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述GaN 2D层状生长层的厚度为1000nm～3000nm；所述GaN为掺杂或不掺杂的GaN，掺杂浓度为1E15cm-3～3E19cm-3。
7.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述HT-GaN生长层的厚度为1000nm～5000nm；所述GaN为掺杂或不掺杂的GaN，掺杂浓度为1E15cm-3～3E19cm-3。
8.权利要求1-7任一所述的外延结构的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在蓝宝石衬底表面溅射ScAlMgO4，形成ScAlMgO4溅射层；
(1)在ScAlMgO4溅射层上外延生长缓冲层；
(2)在缓冲层上外延生长GaN，形成GaN 3D岛状生长层；
(3)在GaN 3D岛状生长层上外延生长GaN，形成GaN 2D层状生长层；
(4)在GaN 2D层状生长层上高温生长GaN，形成HT-GaN生长层；
优选地，包括以下一项或多项：
ScAlMgO4溅射层的生长速率为0.1～1μm/h；
缓冲层的生长速率为0.1～1μm/h；
GaN 3D岛状生长层的生长速率为0.5～1.5μm/h；
GaN 2D层状生长层的生长速率为1～6μm/h；
HT-GaN生长层的生长速率为1～6μm/h。
9.权利要求1-7任一所述的外延结构在制备大尺寸氮化镓单晶中的应用。
10.一种大尺寸氮化镓单晶的生长方法，包括：采用氢化物气相外延法，在权利要求1-7任一所述的外延结构上生长氮化镓单晶；优选地，氮化镓单晶的生长速率为30～300μm/h，厚度为10μm～1cm。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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