[發明專利]低彎曲度硅基III族氮化物外延片及生長方法

無效

• 申請號: 201310013408.8
• 申請日: 2013-01-15
• 公開（公告）號: CN103123948A
• 公開（公告）日: 2013-05-29
• 發明（設計）人: 倪金玉;李忠輝;陳堂勝
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L33/12
• 分類號: H01L33/12;H01L33/00;H01L29/06;H01L21/02;C30B25/16
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

技術領域

本發明涉及一種低彎曲度硅基III族氮化物外延片及生長方法。屬于半導體技術領域，

背景技術

III族氮化物半導體材料包括氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AlN）、氮化銦（InN）及它們之間形成的三、四元合金（也就是AlGaN、InAlN、InGaN和AlInGaN）。以氮化鎵材料為主的III族氮化物半導體材料具有相對寬的直接帶隙、高的擊穿電場強度、高的飽和電子漂移速度，以及可以形成高濃度高電子遷移率的二維電子氣結構等優勢，已經廣泛地用于制備紫外、藍、綠光發光二極管（LED）、激光器和微波功率晶體管。目前，氮化鎵LED被視為新一代的高效高亮節能固態發光光源，其市場份額不斷擴大，逐步替代傳統照明和顯示燈。基于氮化鎵的大功率微波放大器和微波單片集成電路產品已經投入市場，與砷化鎵和硅微波功率器件相比，氮化鎵基器件具有更高輸出功率密度和效率，能夠大幅降低系統的尺寸、重量和散熱要求，為移動通信基站和雷達系統的設計和使用提供了更多選擇。

目前，氮化鎵薄膜主要是通過異質外延的方法在藍寶石和碳化硅襯底上生長的，其中基于氮化鎵的大功率微波器件基本都是在碳化硅襯底上外延生長的。然而，碳化硅襯底價格高昂，盡管基于碳化硅襯底的氮化鎵晶體管性能優良，但是其應用范圍還是嚴重地受到成本的制約。藍寶石襯底具有較大成本優勢，其價格僅有不到碳化硅襯底的十分之一，但它也有一些性能缺陷，如導電性和導熱性差，尺寸不大等。硅作為襯底材料，不僅具有質量高、導熱性能好、切割容易等優點，而且其成本優勢比藍寶石襯底還要大。

近年來，越來越多的人投入到硅基氮化鎵材料的研究當中，硅基氮化鎵技術不斷地取得突破，直徑150mm（6英寸）甚至更大尺寸的硅襯底上生長出高質量氮化鎵薄膜，基于硅基氮化鎵材料的LED和功率電子器件進入了樣品試制階段。眾所周知，硅與III族氮化物外延材料存在著非常嚴重的晶格失配和熱失配，如（0001）面氮化鎵與（111）面硅之間的熱失配為54%，晶格失配為17%，在硅襯底上生長的III族氮化物外延薄膜因為應力大，很容易產生裂紋。因此，硅基III族氮化物外延材料的生長不僅包含氮化鋁成核層，而且還要包含能夠分擔外延生長應力的中間層。像其他襯底上III族氮化物外延生長的情況一樣，采用氮化鋁作為成核層，首先生長在襯底表面，是為了促進III族氮化物源材料在襯底上凝結生長，給后續異質外延層的生長提供成核中心，并改善其質量。

人們發現在硅襯底上生長氮化鎵時，如果只采用氮化鋁成核層，很難生長出1μm厚的無裂紋氮化鎵層，為此人們開發了諸多中間層生長技術，有效地解決了這一問題。這些中間層主要有氮化硅插入層、氮化鋁插入層、氮化鋁/氮化鎵超晶格插入層和鋁鎵氮過渡層。一般來說，過渡層材料選擇鋁鎵氮，是因為其晶格常數和熱膨脹系數介于氮化鎵和氮化鋁之間，可以起到過渡的作用。鋁鎵氮過渡層可以是一層鋁鎵氮材料，也可以由多層鋁鎵氮材料構成。在多層材料結構中，靠進硅襯底的鋁鎵氮層的鋁組分要高于遠離硅襯底的鋁鎵氮層。鋁鎵氮過渡層可以有效緩解氮化鋁緩沖層和氮化鎵層之間的晶格失配和熱失配，并且給鋁鎵氮層上生長的氮化鎵層引入一個壓應力，防止氮化鎵層發生張應變弛豫，產生裂紋。有關鋁鎵氮過渡層抑制薄膜產生裂紋，改善薄膜質量的研究報道較多，但是目前還沒有開發出有效降低硅基III族氮化物外延片形變量的鋁鎵氮過渡層結構。在硅襯底上生長的III族氮化物薄膜通常處于強烈的應變狀態，導致整個外延片發生嚴重形變，影響器件的制作。因此，降低外延片的形變量（如彎曲度和翹曲度），制造器件級III族氮化物外延片具有重要現實意義。

發明內容

本發明提出的是一種低彎曲度硅基III族氮化物外延片及生長方法，其目的是針對硅基III族氮化物外延片嚴重形變的問題，通過在氮化鋁成核層和III族氮化物外延層之間采用兩個厚度和組分合理配比的鋁鎵氮作為過渡層，使它們能均勻地承受氮化鋁層和III族氮化物外延層之間因晶格失配和熱失配而形成的外延生長應力，從而減小III族氮化物外延層中的生長張應力，降低硅基III族氮化物外延片的彎曲度。