CN212209534U - 一种氮化镓外延芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种氮化镓外延芯片，包括衬底、种子层、缓冲层和氮化镓外延层，所述种子层设于衬底上，所述缓冲层设于种子层和氮化镓外延层之间；所述缓冲层包括两组以上的超级晶格层，每组超级晶格层由氮化铝层和氮化镓层复合形成，所述氮化铝层和氮化镓层由种子层向氮化镓外延层方向交替堆叠；所述超级晶格层中氮化铝层和氮化镓层的厚度比为x，所述缓冲层中各超级晶格层的x由种子层向氮化镓外延层逐渐减小。本实用新型在保证氮化镓晶格排列错位密度的情况下，能够提高氮化镓的的生长厚度。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体材料领域，具体涉及一种氮化镓外延芯片。
背景技术
目前III/V族氮化物半导体材主要有GaN（氮化镓）、InGaN（氮化铟镓） 和AlGaN（氮化铝镓）。这类材料被应用在光电器件、半导体激光器件、发光二极体、高电子迁移率电晶体等。氮化物半导体材料的能隙特性，可在1.9到6.2ev之间做连续性调变（非阶段性）。其具有良好的物理，化学稳定性和高饱和电子迁移率，是大功率、高频、发光器件的理想材料。
氮化镓单晶体不存在自然界，没办法从自然界中取得，所以要人工制造。目前的制造方法就是找一种单晶材料当基础，称衬底基板，然后在衬底基板上再生长氮化镓薄膜。因为衬底材料的不同，没办法完美的匹配。热膨胀时易发生龟裂，衬底材料的位错会被带进氮化镓层然后被放大。所以有研究提出了在这中间利用其他材料生长出多一层的氮化铝AlN缓冲层来解决问题。
现有的缓冲层很难生长出1微米或以上厚度的氮化镓GaN ，同时得到氮化镓GaN晶格层中原子的排列错位密度（dislocation densities）在5x108/cm2以下的质量。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种氮化镓晶体外延片，其在保证氮化镓晶格排列错位密度的情况下，能够提高氮化镓的的生长厚度。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种氮化镓外延芯片，其包括衬底、种子层、缓冲层和氮化镓外延层，所述种子层设于衬底上，所述缓冲层设于种子层和氮化镓外延层之间；
所述缓冲层包括两组以上的超级晶格层，每组超级晶格层由氮化铝层和氮化镓层复合形成，所述氮化铝层和氮化镓层由种子层向氮化镓外延层方向交替堆叠；所述超级晶格层中氮化铝层和氮化镓层的厚度比为x，所述缓冲层中各超级晶格层的x由种子层向氮化镓外延层逐渐减小。
所述超级晶格层中，氮化铝层与其相邻的一氮化镓层形成一铝镓对，每组超级晶格层包括多个铝镓对，各铝镓对的氮化铝层和氮化镓层厚度比为相同，且为x。
所述缓冲层的各超级晶格层的厚度由种子层向氮化镓外延层逐渐减少。
所述超级晶格层中氮化铝层和氮化镓层的厚度比x为0.2-1.9。
所述超级晶格层中氮化铝和氮化镓的堆叠层数为20层以上。
所述缓冲层的厚度为200-300nm，所述超级晶格层的厚度为50-150nm。
所述种子层为AlN层，其厚度为100-200nm。
采用上述方案后，本实用新型在衬底和氮化镓外延层之间增设了种子层和缓冲层，用于改善氮化镓与衬底之间的晶格系数、热膨胀系数等特性的匹配性。具体通过改变衬底与氮化镓外延层之间缓冲层的超级晶格层中氮化铝占比，使氮化铝占比逐渐减少，氮化镓占比逐渐增多，从而提高衬底与氮化镓的晶格系数匹配度，从而保证氮化镓晶格排列错位密度的情况下，能够提高氮化镓的生长厚度。
附图说明
图1为本实用新型氮化镓外延芯片结构示意图。
标号说明：
衬底1；种子层2；氮化镓外延层3；缓冲层4；超级晶格层41。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型揭示了一种氮化镓外延芯片，其可以是高绝缘氮化镓、P型氮化镓或N型氮化镓。该氮化镓外延芯片包括衬底1、种子层2、缓冲层4和氮化镓外延层3，其中，种子层2设于衬底1上，缓冲层4设于种子层2和氮化镓外延层3之间。
上述缓冲层4包括两组以上的超级晶格层41，每组超级晶格层41由氮化铝层和氮化镓层复合形成，所述氮化铝层和氮化镓层由种子层2向氮化镓外延层3方向交替堆叠；所述超级晶格层41中氮化铝层和氮化镓层的厚度比为x，所述缓冲层4中各超级晶格层41的x由种子层2向氮化镓外延层3逐渐减小。
进一步地，缓冲层4的各超级晶格层41的厚度由种子层2向氮化镓外延层3逐渐减少，且每一超级晶格层41中氮化铝和氮化镓的堆叠层数为20层以上。
进一步地，超级晶格层41中，氮化铝层与其相邻的一氮化镓层形成一铝镓对，每组超级晶格层41包括多个铝镓对，同一超级晶格层41中的各铝镓对的氮化铝层和氮化镓层厚度比为相同，且为x，x为0.2-1.9。
所述缓冲层4的厚度为200-300nm，超级晶格层41的厚度为50-150nm。而种子层2为AlN层，其厚度为100-200nm。
上述氮化镓外延芯片的制备方法如下：在衬底1上依次生长种子层2、缓冲层4和氮化镓外延层3，所述缓冲层4包括N组超级晶格层41；具体生长过程如下：
在衬底1上生长氮化铝种子层2；衬底1可以使用Al2O3衬底1、SiC衬底1或Si衬底1。
在种子层2上交替堆叠20层以上的氮化铝层和氮化镓层，形成第一组超级晶格层41；
在第一组超级晶格层41上继续交替堆叠20层以上的氮化铝和氮化镓，形成第二组超级晶格层41；
继续生长氮化铝层和氮化镓层，知道形成第N组超级晶格层41；
最后，在第N组超级晶格层41上生长氮化镓外延层3。
上述种子层2、缓冲层4和氮化镓外延层3的生长方法为氢化物气相外延法、分子束外延法或有机金属化学气相沉积法。
为详尽本实用新型内容，以下将列举几个实施例进行详述，这些实施例中，种子层2、缓冲层4和氮化镓外延层3的生长采用有机金属化学气相沉积法M0CVD。
实施例一
该实施例，氮化镓外延芯片包括衬底1、种子层2、缓冲层4和氮化镓外延层3，其中，缓冲层4包括两组超级晶格层41，即第一超级晶格层和第二超级晶格层，第一超级晶格层连接种子层2，第二超级晶格层连接氮化镓外延层3，第一超级晶格层厚90nm和第二超级晶格层厚60nm，第一超级晶格层和第二超级晶格层中堆叠的氮化铝和氮化镓的层数均为30层，且第一超级晶格层中氮化铝和氮化镓的厚度比为1.9，第二超级晶格层中氮化铝和氮化镓的厚度比为1.4。
该实施例中氮化镓外延层3的生长厚度为1μm，位错缺陷密度5x108/cm2，没有出现裂纹等其他现象。
实施例二
与实施例一不同的是，本实施例中缓冲层4包括三组超级晶格层41，即第一超级晶格层、第二超级晶格层和第三超级晶格层，第一超级晶格层连接种子层2，第三超级晶格层连接氮化镓外延层3，第二超级晶格层设于第一超级晶格层和第三超级晶格层之间。第一超级晶格层厚90nm、第二超级晶格层80nm、第三超级晶格层厚50nm；三组超级晶格层中堆叠的氮化铝和氮化镓层数为20层，其中，第一超级晶格层的氮化铝和氮化镓的厚度比为1.9，第二超级晶格层的氮化铝和氮化镓的厚度比为1.4，第三超级晶格层的氮化铝和氮化镓的厚度比为1.0。
该实施例中，氮化镓外延层3的生长厚度为1.15μm, 5x108/cm2没有出现裂纹等其他现象。
实施例三
与实施例一不同的是，本实施例中缓冲层4包括四组超级晶格层41，即第一超级晶格层、第二超级晶格层、第三超级晶格层和第四超级晶格层，第一超级晶格层连接种子层2，第四超级晶格层连接氮化镓外延层3，第二超级晶格层和第三超级晶格层依次设于第一超级晶格层和第四超级晶格层之间。第一超级晶格层厚90nm、第二超级晶格层厚80nm、第三超级晶格层厚50nm、第四超级晶格层厚30nm的厚度；四组超级晶格层中堆叠的氮化铝和氮化镓层数为20层，其中，第一超级晶格层的氮化铝和氮化镓的厚度比为1.9，第二超级晶格层的氮化铝和氮化镓的厚度比为1.4，第三超级晶格层的氮化铝和氮化镓的厚度比为1.0，第四超级晶格层的氮化铝和氮化镓的厚度比为0.6。
该实施例中，氮化镓外延层3的生长厚度1.3μm, 5x108/cm2没有出现裂纹等其他现象。
将上述实施例与现有技术（对比例1和对比例2）进行比对，比对结果如表1所示。
表1
从表1可以看出，对比例1和2为现有的氮化镓外延芯片，其在衬底1和氮化镓外延层3之间仅设置了种子层2，通过该对比例1和2可知，当氮化镓外延层3的生长厚度为0.05μm时，其位错缺陷密度为5x1010/cm2；当氮化镓外延层3的生长厚度增加至0.15μm时,氮化镓外延层3混出现裂纹。
而本实用新型的实施例一、实施例二实施例三种的氮化镓外延芯片的氮化镓生长厚度均在1μm以上，其位错缺密度都在5x108/cm2以下，且不会出现裂纹。相较于现有技术，本实用新型的氮化镓外延层3的生长厚度以及其晶格排列错位密度的质量均得到有效提升。
以上所述，仅是本实用新型实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种氮化镓外延芯片，其特征在于：包括衬底、种子层、缓冲层和氮化镓外延层，所述种子层设于衬底上，所述缓冲层设于种子层和氮化镓外延层之间；
所述缓冲层包括两组以上的超级晶格层，每组超级晶格层由氮化铝层和氮化镓层复合形成，所述氮化铝层和氮化镓层由种子层向氮化镓外延层方向交替堆叠；所述超级晶格层中氮化铝层和氮化镓层的厚度比为x，所述缓冲层中各超级晶格层的x由种子层向氮化镓外延层逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延芯片，其特征在于：所述超级晶格层中，氮化铝层与其相邻的一氮化镓层形成一铝镓对，每组超级晶格层包括多个铝镓对，各铝镓对的氮化铝层和氮化镓层厚度比为相同，且为x。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延芯片，其特征在于：所述缓冲层的各超级晶格层的厚度由种子层向氮化镓外延层逐渐减少。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延芯片，其特征在于：所述超级晶格层中氮化铝层和氮化镓层的厚度比x为0.2-1.9。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延芯片，其特征在于：所述超级晶格层中氮化铝和氮化镓的堆叠层数为20层以上。
6.根据权利要求1所述的一种氮化镓外延芯片，其特征在于：所述缓冲层的厚度为200-300nm，所述超级晶格层的厚度为50-150nm。
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